濱海填石人工島路基處理及變形監(jiān)測

陳衛(wèi)東 董鳳珍

(1.上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司第七設(shè)計院 山東 266005；2.青島翔遠市政設(shè)計有限公司 山東 266000)

隨著土地資源的日漸緊張，填海造陸而成的人工島成為越來越多沿海地區(qū)人民所青睞的對象，人工島可緩解沿海地區(qū)土地供求矛盾，擴大社會生存和發(fā)展空間，具有巨大的社會、經(jīng)濟效益[1]。然而，從既有人工島工程實踐經(jīng)驗可知，人工填石、填土未經(jīng)長年固結(jié)穩(wěn)定，容易在施工后發(fā)生較大沉降，有必要采用路基處理措施，提高路基承載力，減小工后沉降量，改善其工程性能[2]。針對不同的人工島地質(zhì)條件、填土高度和道路結(jié)構(gòu)，路基處理方案各異，需要根據(jù)具體工程條件做出因地制宜的選擇[3]。

為此，本文針對青島西海岸人工島碎石回填的工程地質(zhì)條件和填土厚度高達17 m的路基工程設(shè)計，提出針對性的路基處理措施，并對路基沉降和水平位移進行了為期近1年的多點監(jiān)測，以驗證路基處理效果。

1 工程概況

1.1 連島路工程概況

青島西海岸經(jīng)濟新區(qū)是國務(wù)院批復(fù)的《山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃》明確建設(shè)的新區(qū)，將形成半島藍色經(jīng)濟區(qū)核心，并將成為山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)建設(shè)的重要支撐，在其中央商務(wù)區(qū)的名人島定位為該區(qū)旅游、影視文化中心。

環(huán)繞名人島的連島路道路工程平面示意，見圖1，起點為濱海大道-華山路交叉口，向南進入名人島，環(huán)行后止于濱海大道-東華山路交叉口，全長約4.8 km，按城市主干路標準設(shè)計，車道規(guī)模為雙向6車道，設(shè)計車速為40 km/h。工程范圍內(nèi)包含2座橋梁，華山路1號橋長約220 m，東華山路2號橋長約210 m。

圖1 連島路工程位置圖

1.2 連島路路基工程地質(zhì)條件

名人島所在地原為近岸淺海區(qū)，為近期回填而成，回填材料以大量碎塊石為主，最大粒徑1.5 m，粒徑20 cm以上碎塊石約占回填材料的20%～50%不等。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和實地勘察成果，將場地內(nèi)的各地基土劃分為3個主要工程地質(zhì)單元層。

1) 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。灰-灰黑色-黑色，流塑-軟塑，有腥臭味，以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，含有少量腐殖質(zhì)，偶見貝殼碎片，切面稍光滑，干強度低，低韌性，高壓縮性，局部為淤泥質(zhì)砂。

2) 粗礫砂。黃褐色-灰白色，飽和，中密-密實，磨圓度差，級配較好，主要礦物成分為長石、石英，局部地段黏性土含量較高，約15%～30%，微膠結(jié)，偶見風(fēng)化礫石。

3) 強風(fēng)化泥巖?；揖G色-暗紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯呈碎屑狀-土狀。主要礦物成分由黏土礦物(水云母、高嶺石、蒙脫石等)組成，沉積物顆粒較小，為粉砂狀，膠結(jié)物成分主要以石英為主，長石和巖屑少見，膠結(jié)程度較好，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，堅硬程度等級為極軟巖，具可軟化性。

由地質(zhì)條件可以看出，在環(huán)島路工程區(qū)域內(nèi)，現(xiàn)狀巖土厚度差異較大，各土層力學(xué)性質(zhì)差別較大，其中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土屬于軟弱土，且局部地段有缺失地層現(xiàn)象。此外，除橋頭連接段外，道路全線平均填土厚度17 m，易產(chǎn)生不均勻沉降及側(cè)向滑移。因此，綜合判定該區(qū)域地基屬不均勻性地基，應(yīng)采取必要的處理措施，以控制工后變形。

2 連島路工程路基處理方案

2.1 處理方案選擇

考慮到連島路工程的道路等級、填石路基情況及較高的填土厚度，為保證路面結(jié)構(gòu)使用質(zhì)量，避免工程建成后出現(xiàn)較大的工后沉降及差異沉降，對路基采用強夯處理方式。

強夯法可利用夯錘從高處落下的勢能作用于土體，在土體內(nèi)形成沖擊波，破壞土體原有結(jié)構(gòu)，使土體內(nèi)孔隙水排出，土體發(fā)生固結(jié)，從而提高其強度和穩(wěn)定性[4-5]。此外，埋設(shè)監(jiān)測設(shè)備，對處理后路基的沉降、水平向變形進行連續(xù)監(jiān)測，當(dāng)變形速率滿足設(shè)計要求時，方可鋪筑路面結(jié)構(gòu)。強夯處理范圍為道路中心線兩側(cè)各25 m。

2.2 強夯設(shè)計參數(shù)

考慮到填土厚度較高，采用3遍點夯、1遍滿夯的強夯處理，點夯過程的夯點為正方形布置，第一遍、第二遍夯點間距為8 m，第三遍夯點間距為4 m，夯擊點布置示意見圖2。第一遍點夯夯擊能為6 000 kN·m；第二遍點夯夯擊能為6 000 kN·m；第三遍點夯夯擊能為4 000 kN·m。最后2夯點夯平均夯沉量需不超過10 cm。

圖2 強夯法夯擊點布置圖(單位：m)

點夯結(jié)束后進行滿夯處理，滿夯錘印搭接1/4錘徑，夯擊能1 500 kN·m，最后2夯滿夯平均夯沉量≤5 cm。滿夯結(jié)束后，采用激振力400 kN的振動式壓路機對路基進行壓實，以保證路基的壓實度達到設(shè)計要求?？紤]場區(qū)存在較多塊石，結(jié)合勘察期間動力觸探測試情況，預(yù)測貫穿填土層厚度有一定難度，在場地實測時結(jié)合瑞利波法綜合評定路基處理效果，并埋設(shè)沉降板進行長期監(jiān)測。

3 路基沉降及水平位移監(jiān)測

3.1 監(jiān)測方案

根據(jù)JTG/T D31-02-2013《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)細則》[6]要求，為避免不均勻沉降現(xiàn)象，路堤填筑過程中，必須嚴格控制沉降速率，標準為垂直沉降<1.0 cm/d，水平位移<0.5 cm/d。當(dāng)沉降速率超過以上限值時，應(yīng)減緩填土速度或停止填筑。當(dāng)路堤沉降速率連續(xù)2個月小于0.5 cm/月時，方可進行路面結(jié)構(gòu)施工。為此，依據(jù)既有路基變形監(jiān)測工作經(jīng)驗[7]及規(guī)范要求，在連島路全線多處埋設(shè)沉降板及位移觀測邊樁，進行為期約1年的監(jiān)測，以分析強夯法對高填土厚度填石路基的處理效果，確定上部結(jié)構(gòu)施工可行性。

對一般路段，沿道路縱向每隔200 m設(shè)置1組觀測斷面；橋頭處理段范圍內(nèi)，針對橋頭跳車問題及較高沉降要求，加密觀測斷面，距離橋頭20 m設(shè)置1組觀測斷面，距離30 m再設(shè)置1組觀測斷面。每組觀測斷面包括3個深層沉降板(分別位于同一橫斷面的路中心和兩側(cè)距中心線21 m處，即路基兩側(cè))和4個位移觀測邊樁，其位置和編號規(guī)則見圖3。根據(jù)這一標準，連島路全線沿樁號從小到大方向，共設(shè)立20個觀測斷面。

圖3 監(jiān)測設(shè)備布置圖(單位：m)

沉降板埋設(shè)深度為強夯頂面以下1.5 m處，底板尺寸50 cm×50 cm。位移觀測邊樁長1.5 m，埋置深度1.4 m，樁周上部50 cm用混凝土澆筑固定。另外，在路基影響范圍之外、同一直線上設(shè)置2個固定樁，通過固定樁測量每根樁的相對位移。

路堤填筑期間，每填筑一層土的第一周觀測1次/d，1周后觀測1次/3 d。路堤填筑完成后，預(yù)壓期間視變形穩(wěn)定情況，半個月或每月觀測1次，直至預(yù)壓期結(jié)束。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，本工程實際監(jiān)測時長為300 d。

3.2 沉降監(jiān)測結(jié)果分析

在監(jiān)測過程中，第1～12號監(jiān)測斷面路基兩側(cè)2、3號沉降板在施工過程中損壞，僅有前97 d監(jiān)測數(shù)據(jù)。其他監(jiān)測點均完整記錄300 d數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示，各監(jiān)測斷面沉降-時間變化具有相近的規(guī)律。以16號斷面為例，其沉降-時間變化情況見圖4。圖4中，16-1為道路中心監(jiān)測點，16-2和16-3分別為路基左側(cè)和右側(cè)監(jiān)測點。

圖4 沉降-時間變化圖(16號斷面)

由圖4可見，沉降變化總體呈先快后慢趨勢，3個測點的沉降-時間曲線差別不大，因此，后續(xù)分析取其平均值。1-12斷面取中心監(jiān)測點數(shù)據(jù)。

各監(jiān)測斷面在監(jiān)測300 d后的沉降量見表1。由表1可見，各斷面沉降值處于124～162 mm范圍內(nèi)，平均沉降量143 mm，各斷面沉降量差別不大。從沉降變化速率來看，強夯處理90 d時的平均沉降速率為0.7 mm/d，已可以滿足路堤填筑要求。強夯處理300 d后平均沉降速率為0.2 mm/d，說明路基沉降逐漸趨于穩(wěn)定。該值略大于路面結(jié)構(gòu)施工標準要求的0.5 cm/月，但從沉降-時間變化曲線來看，沉降增長速率在約200 d后顯著降低，可望在強夯處理1年后達到該標準。

表1 各斷面沉降監(jiān)測結(jié)果 mm

3.3 水平位移監(jiān)測結(jié)果分析

實際監(jiān)測工作中，第12～14號斷面由于路基兩側(cè)有堆載石料，無法布置位移邊樁，第15～20號斷面由于道路一側(cè)為臨建或為海域，僅布置單側(cè)位移邊樁。以2號斷面為例，各監(jiān)測點的水平位移-時間曲線見圖5。

圖5 水平位移-時間變化圖(2號斷面)

由圖5可見，與沉降-時間曲線類似，水平位移增速隨時間逐漸減小。各測點曲線分為2組，1′、3′號測點距邊坡底5 m，受強夯處理影響較大，因而水平位移較大；2′、4′號測點距邊坡底端15 m，固水平位移較小。

各斷面在路基處理300 d后累計平均水平位移見表2。

表2 各斷面水平位移監(jiān)測結(jié)果 mm

由表2可見，各斷面累計水平位移處于32～42 mm范圍內(nèi)，平均值37 mm，遠小于豎向沉降量。90 d時的平均位移增長速率為0.2 mm/d，已可滿足路堤填筑要求。300 d平均位移增長速率為0.04 mm/d，水平位移逐漸趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文針對濱海填石人工島路基工程，提出了行之有效的路基處理方案，得到以下結(jié)論。

1) 在采用石料回填的人工島上修筑道路會面臨路基不均勻沉降問題。對于填土厚達17 m的工況，采用強夯法進行路基處理效果良好，變形可控，且未出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象。

2) 現(xiàn)場監(jiān)測表明，強夯法處理后，路基沉降速率可在較短時間內(nèi)降至路堤連續(xù)填筑容許水平之內(nèi)，有利于后續(xù)工程的快速開展。處理近1年后的路基沉降和水平位移增速均較小，說明處理后的路基變形趨于穩(wěn)定，路基處理效果良好。