石先火

(中鐵建大橋工程局集團(tuán)第五工程有限公司 四川成都 610500)

1 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，綜合國力持續(xù)增強(qiáng)，公路運輸需求穩(wěn)步增長，公路工程基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)同時發(fā)生了歷史性轉(zhuǎn)變，尤其是高等級公路的迅速發(fā)展，改變了我國公路事業(yè)的落后面貌[1-2]。

在軟土地區(qū)高速公路的改擴(kuò)建項目中，新舊路基的差異沉降問題復(fù)雜多樣，舊路路基由于經(jīng)過多年的固結(jié)沉降已基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而新路路基在交通荷載的作用下，由于填筑時間不長從而引起新舊路基的差異沉降[3-5]。對于軟土地基而言，地基承載力低、沉降量大，不能滿足高速公路對基礎(chǔ)的基本要求，因此需對軟土地基地段進(jìn)行相應(yīng)處理。路基沉降作為公路工程施工中最常見的病害之一，在高速公路修建中，由于路線長、所遇地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，對高速公路施工技術(shù)提出了更高的要求[6-7]。

鑒于此，在進(jìn)行高速公路改擴(kuò)建工程中，需在施工階段進(jìn)行線下工程沉降變形監(jiān)測工作，做好數(shù)據(jù)的采集、計算和分析。通過軟土地基路段沉降問題的研究，對保證高速公路建設(shè)質(zhì)量、正常運營以及延長公路的使用壽命具有重要意義。

2 試驗準(zhǔn)備

2.1 試驗段路基處治方案

本試驗段主要采用板樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比試驗，由于CFG樁或水泥攪拌樁的樁頂基礎(chǔ)形式直接決定了樁基的加固效果，各種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式必須實現(xiàn)荷載向樁的有效傳遞，以便達(dá)到加固處理的效果。

通過樁板結(jié)構(gòu)把地基和路基聯(lián)系在一起，形成整體的路基工程系統(tǒng)，通過系統(tǒng)設(shè)計和施工達(dá)到需要控制的變形標(biāo)準(zhǔn)。樁板結(jié)構(gòu)包括CFG樁或水泥攪拌樁的樁基及鋼筋混凝土承載板兩部分。

對于CFG樁或水泥攪拌樁的樁板結(jié)構(gòu)，樁與板的接觸形式一種是樁頂與鋼筋混凝土板直接接觸；另一種是在樁頂和鋼筋混凝土板之間鋪設(shè)20 cm厚的碎石墊層，目的是減小樁頂?shù)拇倘肫茐?，但由于樁頂刺入產(chǎn)生了樁與墊層的相對位移，增加了路基整體的沉降量[8]。根據(jù)目前高速公路的既有施工經(jīng)驗，直接接觸形式的總沉降量是墊層接觸形式的78%，直接接觸形式的預(yù)壓沉降是墊層接觸形式的81%。從兩種樁板接觸形式對軟基沉降的控制結(jié)果來看，直接接觸效果優(yōu)于間接接觸[9]。

2.2 觀測點設(shè)置與觀測裝置布設(shè)

沉降板測定裝置由測桿、沉降底板、保護(hù)套管等組成。測桿由直徑45 mm、壁厚3.5 mm的無縫鋼管制成，兩端為可接長絲扣，每根長度25 cm；沉降底板為尺寸(400×400×10)mm的鋼板；保護(hù)套管采用直徑不小于75 mm、壁厚不小于4 mm的硬PVC管。

在觀測斷面上準(zhǔn)確標(biāo)出埋設(shè)沉降板的位置，開挖略大于沉降板尺寸的方形坑，坑深度大于沉降板高度約10 cm。在坑底勻鋪約5 cm厚的砂層，整平壓實[10]；將沉降板放入坑內(nèi)，底板用砂填實，并用水平尺測量沉降板四角，確保四角水平；套上保護(hù)套管，保護(hù)套管略低于沉降板測桿，上口加套管帽(堵頭)封住管口；分層回填土坑，在沉降管1 m2范圍內(nèi)用小型振動夯夯實，完成沉降板的埋設(shè)工作。隨著路基填筑施工逐漸接高測桿和保護(hù)套管，測桿用內(nèi)接頭連接，保護(hù)套管用觀測方法，每次接長高度以0.5 m為宜，測量接長前后測桿頂標(biāo)高變化量確定接高量[11]。

觀測頻率取決于路基的沉降速率，過程中進(jìn)行的沉降觀測須使系統(tǒng)觀測的次數(shù)確實能反映出沉降過程，并使觀測數(shù)據(jù)在指定時間段內(nèi)反映可靠的沉降量，又不遺漏沉降變化的時刻。具體要求如下[12-13]:

(1)拓寬路堤填筑期路基沉降速率較大，觀測頻率應(yīng)該增加，一般每填筑1～2層或5～10 d觀測一次。

(2)拓寬路面施工期沉降曲線走向平緩，可以每層觀測一次，若上層與下層施工間隔時間較長，宜適當(dāng)增加次數(shù)。

在路基加寬工程中，由于碾壓設(shè)備的工作空間有限，如果把沉降板的測桿露出路基，會給碾壓工作帶來很大的困難，影響施工進(jìn)度，而且碾壓過程中容易破壞測桿，導(dǎo)致測量失敗。為避免這種情況出現(xiàn)，本監(jiān)測項目可采取把測桿控制在每層路面以下20 cm左右，既不影響施工又保證測桿不被破壞。為了保證每次測量之前能準(zhǔn)確找出沉降板的位置，需在埋設(shè)沉降板的同時至少選擇兩個參照物來標(biāo)定沉降板的位置。沉降板埋設(shè)現(xiàn)場見圖1。

圖1 沉降板埋設(shè)現(xiàn)場

3 試驗路段觀測點沉降分析

3.1 路基填筑過程試驗路段持續(xù)沉降分析

由圖2～圖3可以看出:

圖3 路基填筑過程試驗段持續(xù)沉降觀測曲線

(1)試驗路段觀測點所處的加寬路堤的路肩、加寬路堤中心和新舊路堤結(jié)合處，路基沉降趨勢基本一致，均為隨填土高度和路基土固結(jié)時間的增加而增加，在路堤填筑完成后沉降最大。板樁結(jié)構(gòu)加固處治路段的最大沉降量為8.1 mm，無板樁結(jié)構(gòu)加固處治路堤段的最大沉降量為7.1 mm，兩者相差12.35%，均位于路堤填筑施工末期的路肩位置。

(2)經(jīng)過板樁處治后的測點沉降量變大，忽略部分測點出現(xiàn)的回彈現(xiàn)象及人與儀器的誤差，板樁處由于鋼筋混凝土板的自重明顯大于填筑土體的質(zhì)量，因此前期的填筑施工，板樁處的測點較無板樁處的沉降增加明顯，額外的板樁自重加大了下方土體的固結(jié)速度。但隨著施工進(jìn)行，板樁處沉降量的增量較無板樁處呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，鋼筋混凝土板樁開始作為一個整體有效結(jié)構(gòu)承受上方土體荷載，減小了其下方地基的受力，降低了土體固結(jié)過程產(chǎn)生的沉降。

3.2 半剛性基層鋪筑完成后路段持續(xù)沉降分析

由圖4～圖5可以看出:

圖4 半剛性基層鋪筑完成后無板樁和有板樁路段持續(xù)沉降觀測曲線

圖5 半剛性基層鋪筑完成后路段持續(xù)沉降觀測曲線

(1)基層填筑期間，試驗路段觀測點所處的加寬路堤的路肩、加寬路堤中心和新舊路堤結(jié)合處，均為沉降隨填土高度和路基土固結(jié)時間的增加而增加，雖然路基沉降量依然增大，但是增量已經(jīng)減小，且變化趨勢較路堤填筑階段更為平緩。板樁結(jié)構(gòu)加固處治路段的最大沉降量為8.1 mm，無板樁結(jié)構(gòu)加固處治路堤段的最大沉降量為7.3 mm，兩者相差9.88%，忽略部分測點出現(xiàn)的回彈現(xiàn)象及人與儀器的誤差，兩者均位于基層填筑施工末期的路肩位置。

(2)試驗路段觀測點所處的加寬路堤的路肩、加寬路堤中心和新舊路堤結(jié)合處，路基沉降趨勢基本一致，均為隨基層施工的進(jìn)行而逐漸增加，但是沉降量變化趨于穩(wěn)定，有板樁處的測點沉降量依然大于無板樁處，但兩者之間的沉降差值已經(jīng)開始逐漸縮小，說明板樁自身的重量影響逐漸減小，板樁結(jié)構(gòu)下方的路基土經(jīng)過不斷固結(jié)已經(jīng)逐漸趨于穩(wěn)定，受力減小，降低了土體固結(jié)產(chǎn)生的沉降，板樁結(jié)構(gòu)對加強(qiáng)路堤穩(wěn)定性、降低沉降的效果開始顯現(xiàn)。

3.3 鋪筑面層之前路段持續(xù)沉降分析

由圖6～圖7可以看出:

圖6 鋪筑面層之前無板樁和有板樁路段持續(xù)沉降觀測曲線

圖7 鋪筑面層之前路段持續(xù)沉降觀測曲線

(1)路面結(jié)構(gòu)層鋪筑過程中，開始階段的路基填筑期是沉降量增大最為明顯的階段；進(jìn)入基層施工后，沉降量雖仍然增加，但是增量非常小，且增速也已經(jīng)開始放緩；到施工后期基本趨于穩(wěn)定。忽略部分測點出現(xiàn)的回彈現(xiàn)象及人與儀器的誤差，說明在施工過程中，路基填筑過程沉降最為明顯，基層的沉降已經(jīng)基本穩(wěn)定。

(2)試驗路段觀測點主要集中在加寬路堤的路肩、加寬路堤中心和新舊路堤結(jié)合處，路基沉降趨勢基本一致，均為隨施工的進(jìn)行而逐漸增加，同一對比界面的測試點，兩者相差在0.1～1.0 mm左右，說明在改擴(kuò)建過程中，新舊路堤結(jié)合處的穩(wěn)定性受到的影響最大。

3.4 鋪筑面層之后路段持續(xù)沉降分析

由圖8～圖9可以看出:

圖8 鋪筑面層之后無板樁和有板樁路段持續(xù)沉降觀測曲線

圖9 鋪筑面層之后路段持續(xù)沉降觀測曲線

(1)路面結(jié)構(gòu)層鋪筑過程中，開始階段的路基填筑期是沉降量增大最為明顯的階段；進(jìn)入基層和面層施工后，沉降量雖仍然增加，但是增量已經(jīng)很小，且增速也已經(jīng)開始放緩，最明顯的是在面層施工階段，無板樁處治路段的沉降量出現(xiàn)明顯的增大，而有板樁處治路段的沉降量依然保持穩(wěn)定，忽略部分測點出現(xiàn)的回彈現(xiàn)象及測量誤差，說明在施工過程中，路基填筑過程的沉降最明顯，面層施工階段沉降量依然增大。

(2)試驗路段觀測點主要集中在加寬路堤的路肩、加寬路堤中心和新舊路堤結(jié)合處，路基沉降趨勢基本一致，均為隨施工的進(jìn)行而逐漸增加?；鶎邮┕ぶ埃粚Ρ冉缑娴臏y試點，兩者相差在0.1～1.0 mm左右；到面層施工階段，有板樁處的測點沉降量保持穩(wěn)定，且小于無板樁路段測點的沉降量，兩者相差在0.1～1.3 mm左右，說明在改擴(kuò)建過程中，新舊路堤結(jié)合處的穩(wěn)定性受到的影響最大，板樁處治路段在施工后期開始顯現(xiàn)其整體的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

(1)通過有無板樁結(jié)構(gòu)加固處治路堤段沉降數(shù)據(jù)對比分析可知，在完成板樁結(jié)構(gòu)加固處治后開始的基層施工初期，同一對比界面測試點，有板樁處測點沉降量小于無板樁路段測點的沉降量，兩者相差在0.6～1 mm左右，三個測試界面的變化趨勢基本一致，說明混凝土板樁提升承載力、降低沉降的整體效應(yīng)隨施工進(jìn)程逐漸顯現(xiàn)，整體變化非常小，而無板樁路段處的沉降量隨著施工進(jìn)行仍在繼續(xù)增加。

(2)出現(xiàn)板樁處治路段的沉降量大，這主要是由于開始階段，鋼筋混凝土板樁自身的重量明顯大于相應(yīng)體積的土體質(zhì)量，使得板樁下方的路基土在初始階段受到明顯壓縮，進(jìn)而導(dǎo)致沉降量增大。隨著施工的進(jìn)行和板樁下方土體的逐漸固結(jié)，板樁的整體性優(yōu)勢開始逐漸顯現(xiàn)，板樁自身重量對下方的土體影響也逐漸減小，鋼筋混凝土板樁作為整體承受上方土體荷載的效應(yīng)開始顯現(xiàn)，降低了其下方的地基受力，從而降低了土體固結(jié)產(chǎn)生的沉降，表現(xiàn)在雖然沉降加大但其沉降增量卻逐漸減小，證明板樁作為整體承載的效果明顯優(yōu)于壓實的土體?；炷涟鍢犊梢蕴嵘坊休d力、加強(qiáng)路堤穩(wěn)定性、降低路基沉降。

(3)進(jìn)入面層施工后，板樁下方土體和上方填筑的土體已經(jīng)固結(jié)穩(wěn)定，板樁的整體性優(yōu)勢開始逐漸顯現(xiàn)，作為整體承受上方荷載，減小了其下方地基的受力，降低了土體固結(jié)過程產(chǎn)生的沉降。因此，整個階段的沉降量表現(xiàn)非常穩(wěn)定，并不隨著施工的進(jìn)行二次增大，證明板樁作為整體承載的效果明顯優(yōu)于壓實的土體，而無板樁處治路段處的沉降量隨施工進(jìn)行仍在持續(xù)增加。