软土路基工程质量控制

浅谈软土路基工程质量控制路基是公路的重要组成部分,是按照路线位置和一定技术要求修筑的带状构造物,承受由路面传来的荷载,所以路基应有足够的强度、稳定性和耐久性。路基的强度与稳定性,受水、温度、土质等客观因素影响,同时也受行车荷载的作用,路基设计、施工方法及养护方法是否正确等人为因素制约，而软土路基由于地基为软土组成，其承载能力及稳定性都比较差，所以软土路基的施工质量是路基工程质量控制中最关键的环节。本人就结合近两年来在高速公路软土路基施工经验,参考各种规范、标准、文献，从软土路基工程施工过程中出现的各种质量问题分析原因，探讨控制办法。第一软土路基出现的质量问题及成因分析软土地基其稳定性能、侧向位移和沉降等问题比一般路基要大。在通车后往往出现路面的变形破坏，桥梁涵洞的不均匀沉降，侧向位移等情况，甚至会出现路基失稳等质量问题。在本人平时的施工过程中就曾多次遇到由于软土地基引起的路基灾害：路基开裂路基滑塌成因分析：1、软土的工程特性是导致软土路基质量发生问题的主要原因，主要的工程特性有：天然含水量高，容重小。天然含水量大于液限，超过30%。相对含水量大于1.0，软土饱和度高达100%，天然容重1.5KN/m3。天然孔隙比大，一般大于1.0，渗透系数小，一般小于10-6m/s数量级。沉降速率慢，固结完成时间较长。粘粒含量高，塑性指数大。高压缩性，压缩系数大。基础沉降大，一般压缩系数大于0.5Mpa-1强度指标小，软土的快剪凝聚力小于10Kpa，快剪摩擦角小于5o。软土的灵敏度高，灵敏度一般在2-10之间，有时大于10，具有显著的流变特性。2、除软土本身的工程特性外，主要还有以下因素：连接软土的表土层，土基不能充分碾压。难以达到足够的支承力。地下水位相对较高，可一直上升到接近路基，降低了土基的支承力。车辆荷载在填土内不能充分扩散，以便地基变形而沉降。由于车辆荷载引起的震动，未能在填土范围内消振即达到了软土地基。土层地基局部不均匀反应，包括施工过程中的不规范施工造成的软基处置不均等。第二软土地基的预防及处治措施1、工程勘察当在软土地基上填筑路基时，由于地基不能满足工程设计要求和变形要求时、路基或结构物可能产生失稳时，则先要经过地基加固处理后方可修建路基，在设计上要求精心设计，方可避免相关的质量事故。通过软土调查，测绘勘探和试验，确定软土的主要力学特性：（1）软土的分布范围，（2）软土的成因、类型、厚度。成层情况和物理力学性质（3）软土的水位地质特征，地表水和地下水位，流动，补给关系，季节变化疏导和排泄条件。土基底的横向坡度。材料的种类择有代表地段，分层取样。根据设计要求，做物理力学试验，一般包括：天然含水量、天然容重、天然孔隙比、液限、塑限、颗粒组成、压缩系数、固结系数、渗透系数、快剪粘聚力和内摩擦角、固结快剪粘聚里与内摩擦角、天然限抗压厚度与灵敏度及有机质含量等。软基勘探2、选择软基加固处理方式在有了详细地质勘测资料，确定了软基地段后，就要选择解决软基问题的方法，目前解决软土地基问题一般采用架桥通过、将软土全部换填或进行软土地基处理等三种方式，因前两种耗资巨大且又不利于环境保护，软土路基处理便成为相对经济而又可靠的方式。但目前很多软土地基处理方法因为加固效果受软土性质、工程水文地质条件、建筑物类型以及材料来源等因素的影响，不同的地区、不同的工程需要因地制宜确定具体的解决方法，所以在选择软基加固处理方式的时候必须考虑以下条件：（1）地基条件软土层的厚度：软土层浅薄时，沉降量小，滑动破坏的危险性小，可采用简单的表层处理。对重要的结构物可挖掘置换。软土层较厚时，根据处理目的和土质，采用表层处理与其他方法并用。软土层很厚时，采用竖向排水法和加固地基法处理。片石挤淤法袋装砂井竖向排水法CFG桩加固地基法（2）道路条件软土地基处理应综合考虑道路性质（行驶）速度和交通量）、道路几何形状（填土高度和宽度）及道路位置（一般位置或是与构造物接触处）来选择软基加固条件。（3）施工条件软土地基加固时，同时应考虑施工条件。主要考虑工期、材料、施工强度、和对周围环境的影响等因素。3、对软基加固方案进行动态设计（1）低填土的设计主要采用刚性较高的填土结构，保证填土内排水良好。其次，减少接近地基表层部分的沉降，并使路基强度均匀。（2）半挖半填半挖半填指的是在填土断面的一部分为不存在沉降和稳定问题的山体，另一部分为软土地基。这种现象往往由于不均匀沉降而出现裂缝。针对这种特殊的形式必须将山体挖成台阶，同时在台阶处理设置受拉材料。另外应设置暗沟以完善排水措施。另一方面对另一侧加软土，根据软土的厚度情况进行换填或加桩进行加固。4、软土地基段路堤填筑施工方案在高速公路的建设过程中，为了缩短工程建设期，争取软土路堤填筑完成后的软土地基预压期，实现投资回收期的最优化，提高投资回报率，创造更大的经济效益，对软土路基施工往往采用薄层轮加法施工。此法施工的特点是，施工加载速度快，安全性及稳定性容易控制。（1）薄层轮加法施工的原理薄层轮加法施工的原理是，在填土过程中，将极限填土高度作第一级荷载，余下填土按荷载分级填筑。在填土总高度不变的条件下，分级越多，则填土厚度越小，要求每级加载完成后的预压稳定时间越短；分级越少，则填土厚度越大，要求每级加载完成后的预压稳定时间越长。也就是说，在总填土高度相同条件下，相对于任何一个填土高度上，每增加一层填土的厚度与该层填土完成后的预压稳定时间成反比例关系，与软土层厚度、软基处理方式等有关。但对于相同厚度的加载薄层，加载完成后的预压稳定时间随加载高度的增加而逐渐增长。根据薄层轮加法厚理，将超过极限填土高度的填土合理分级，并参照软基监控分析结果，确定合理加载时间间隔，实现软土路堤的加载厚度与加载速度的最优化，连续填土施工的安全顺利进行，缩短路堤填筑总体时间，争取更多的等载预压或超载预压时间，减少工后沉降。由薄层轮加法施工原理可以得知，填土速度较快，而软土地基固结速度相对较慢，地基强度储备及增长较少，随着加载高度的不断增加，路基出现开裂、甚致塌方的可能性将不断增大。所以，通过沉降监测数据分析，判断软土路堤填筑期间稳定性将是路堤安全快捷施工的保障。（2）软土路堤填筑期间稳定性分析判断的方法由于软土地基稳定性是一个极其复杂的问题，不仅与软基厚度、软基处理方法有关，还与填土高度、填土速度有关。所以，仅用一种方法、几个指标判断软基稳定性是不科学的。下面介绍几种常用判断软基稳定性的方法：表观判断法、监控指标法（规范法）及AGO法。四种方法各有各的优点，宜根据实际情况把几种方法结合使用，充分利用各种方法的优点，克服各自缺点。1）表观判断法在加载过程中，地基破坏通常会出现微小裂缝和路堤边缘隆起，然后逐渐加大，出现裂缝的位置各有不同，形式也是多种多样；隆起高度不断加大，最终导致路堤坍塌。通常在地基破坏前有如下特征：①在堆载顶、坡趾和斜面上出现微小裂缝，裂缝往往以纵向形式出现，从最宽的中部向两端逐渐变窄，并在两端以圆弧状收敛。②堆载坡趾附近地面隆起；③停止堆载后，纵向裂缝继续发展，裂缝两端圆弧状收敛日趋明显。④停止堆载后，坡趾附近地面隆起增大，并逐渐向外移动。⑤加载区域内表面沉降量、深层水平位移、孔隙水压力急剧增加；表现为沉降速率加大，时间--沉降关系曲线、时间--沉降速率关系曲线均出现拐点。⑥停止加载后，各项监测指标持续增加，或收敛不明显。该方法只需通过眼睛观察即可，不需要任何仪器设备，方法简单，操作容易；但是，主观性较强、受地形影响较大、在微小变形时不易察觉、很难区分是地基稳定破坏裂缝还是土质或含水量过大导致的裂缝（假缝）、很难判断隆起是处于软基处理引起的正常状态还是处于失稳破坏状态、很难判断地基失稳的发展趋势、判断结果主观性强。可以说，表观判断法是一种经验判断方法，它更适合路基失稳的中、晚期。2）监控指标法（即规范法）为了完善软土地基的加载施工的预警手段，合理安排施工工序、采取施工措施、反分析设计以及提高设计水平等，软土地基加载就必须在多种仪器严密监控下进行。加载期间及时收集加载信息、地基应力（包括孔隙水压力、土压力等）、应变（包括沉降、位移）等资料，绘制“时间—累计加载高度—沉降关系曲线”、“累计加载高度—累计沉降关系曲线”、“时间—累计加载高度--沉降速率关系曲线”、“累计加载高度-累计沉降速率关系曲线”；绘制“断面荷载—时间-孔压过程线”、“侧向位移—深度图”；并通知过曲线绘制对软土地基观测数据作综合分析，将得出的监控指标与定量监控指标相对比是常规的稳定控制方法。参考以往软土地基的监控经验，路堤达到极限平衡状态（即破坏状态）时路堤稳定控制标准如下：加载期间：单日沉降速率：Vs≤10mm/d侧向位移速率：Vm≤5.0(mm/d)孔压系数：B≤0.6加下级土前：单日沉降速率收敛明显，逐渐趋定状态单日沉降速率：Vs≤5mm/d侧向位移速率：Vm≤1.0(mm/d)单级孔压消散度：≥55%在施工填土期间，每级加载完成后，下一级开始前，必须在各项指标满足的条件下方可加载下级填土。由于以上指标并不是路堤稳定性确定的绝对标准，在实践中有的路基沉降速率大于以上指标路基也是稳定的，而有的路基沉降速率小于以上指标也出现滑塌。所以，在判断路基稳定性时，要结合地质条件、软基处理方法、边界条件等综合分析判断。3）AGO法上面谈到的监控指标判定法，需在各项监测指标满足的条件下方可进行下级土的加载；但软土地基因固结增加承载力的速度较慢，要达到承载力与加载力平衡，即达到稳定状态指标要求，需很长时间，在总工期限制的情况下，必须加快加载速度。这样一来，对监控数据作进一步、深入的分析，判断软土地基变形发展的趋势将是至关重要的。实践表明，路基的沉降速率、侧向位移、超静孔压等变形特性指标与路基填土高度、填土速度有关系。当路基填土速度适当时，变形特性指标与填土高度成线性关系，且斜率相对适中；当路基填土速度过快时，变形特性指标与填土高度的关系直线斜率突然变大，并出现拐点。因此，可以利用拐点法进行软土路基的稳定性判断。通常可以利用累计孔压增量—累计填土荷载（∑△u-∑△p）关系曲线、累计沉降速率—累计填土荷载（∑△VS-∑△P）关系曲线、累计侧向位移-累计填土荷载（δ-∑△P）关系曲线等进行稳定性判断。黄腾根据大量工程监测资料总结提出利用AGO方法分析沉降资料来判断路基稳定性。该方法采用“累计填土厚度—累计峰值不排水沉降速率曲线”AGO分析法判断路堤的稳定性。此处不排水沉降速率指在某个监测断面上，某个填土高度上，增加一层填土时的不排水沉降速率=该层填土填筑时的峰值沉降速率--该层填土填筑前的沉降速率。当填土速度较快时，填筑各层土的时间间隔较短，不容易区分，可以采用累计填土厚度—累计峰值沉降速率曲线来判断路基稳定性。如图5所示。4）三种分析方法的综合应用实例以国道主干线广州绕城公路九江至小塘段软土路基加载期间的观测数据为例，对软土路基稳定性进行分析判断，示例桩号为K13+290重点监测断面。图1“时间-填土高度-侧向位移图”、图2“时间-填土高度-位移速率图”、图3“时间-填土高度-累计沉降量图”、图4“时间-填土高度-沉降速率图”是按照原始观测数据绘制而成。其中，图1和图2中的侧向位移量和侧向位移速率为距地面5米深处侧向位移数据，该深度处为最大位移量发生位置，具有控制性意义。分析该深度处位移量、位移速率与时间、加载高度、加载频率之间的关系，判断路基稳定性。图1时间-填土高度-侧向位移速率图图2时间-填土高度-侧向位移量图从图1、图2可以看出，在2005年10月20日第一层极限填土厚度加载后，侧向位移量由填土前的-0.20mm迅速增加到的-0.62mm，侧向位移速率也由填土前-0.02mm/d突变为的-0.32mm/d；同时，在图4中沉降量由填土前0.2mm/d突变为的2.5mm/d；在短暂停止加载后，侧向位移量、位移速率、沉降速率均快速收敛，与加载前接近。11月30日至12月22日，连续加载，侧向位移速率仅在12月14日到12月17日停止加载期间出现短暂收敛后，以后又持续增大，在12月24日最后一次加载时，达到侧向位移速率-4.2mm/d；在12月24日沉降速率也达到最大值9.2mm/d。如果在12月24日后继续加载，由发展趋势可以判断，沉降速率和侧向位移速率将分别突破10mm/d和-4.2mm/d，决定暂时停止加载，等到两项指标收敛后，再进行下一级加载。图3时间-填土高度-累计沉降量图从“时间-填土高度-侧向位移速率图”和“时间-填土高度-沉降速率图”可以看出，随着加载高度的不断增加，侧向位移速率和沉降速率的收敛中心均逐渐下移，侧向位移速率和沉降速率还随着加载速度的加快不断加大。这一点验证了，在加载期间侧向位移速率、沉降速率与加载高度、加载速率成正比关系，直到停止加载后，地基因固结而增加的承载力与加载土的重力趋向相等，侧向位移速率和沉降速率也逐渐趋向于零。图4时间-填土高度-沉降速率图第四总结由于我国软基施工开展较晚，经验等相对来说还比较缺乏，所以每个软土地基项目从立项到设计到开工建设，每个环节都必须谨慎小心，力求达到经济与质量的最佳结合。在项目设计阶段，线路不得已必须通过软土地基段时，首先就应该对所处地段的软基工程特性、深度、范围等进行充分勘探，在掌握了详实的地质资料后，根据软基的不同性质和国内外成功的施工经验采用不同的处理方案。软基处理方法不外乎两种：桩土加固法和排水固结法，其中桩土加固法包括粉喷桩、素混凝土桩、预应力管桩等，排水固结法包括袋装砂井、塑料排水板等，每种处理方法都有不同的特点，在设计时应根据项目要求的工期等选用不同的处理方法，必要时配合堆载预压法等加快软基固结速度，减少工