高速公路软土地基上的路基选型

高速公路软土地基上的路基选型

1路面宽、路堤高、荷载作用与普通公路相比，高速公路具有宽道路、高坡度、多桥、宽曲线半径等特点。例如，高速公路的最小曲线半径通常约为800米。高速公路工后沉降和工后沉降差控制允许值小,高速公路的这些特点对路堤地基提出了较高要求。在软土地基上修建高速公路,这些特点更能反映问题。例如,路面宽、路堤高则表明作用在地基上的荷载大而且作用范围宽,其结果是地基中附加应力大,而且影响范围深。特别是荷载作用影响范围深,不仅使地基可能产生较大的沉降量,而且沉降持续发展的时间长。对于深厚软土地基沉降发展持续时间长这一点,设计人员往往重视不够。桥涵多,桥涵和路堤基础形式不一、荷载不一,于是就可能产生沉降差,产生沉降差就可能发生“桥头跳车”现象。“桥头跳车”现象轻者影响车辆行车速度,以及行车的舒适度,重者可能导致交通事故。如何保证拓宽路基和地基的稳定,如何减小工后沉降,如何预估工后沉降量以及工后沉降的发展规律,如何减小工后沉降差,这些都是在软土地基上修建高速公路需要解决的问题。先对在软土地基上修建高速公路可能遇到的地基问题进行分类,再对公路工程中常用地基处理方法进行分类,然后按地基问题采用合理的地基处理方法。2主要基处理问题从拓宽路堤岩土工程本身看,工程建设中遇到的地基问题主要是地基稳定性和变形2大类问题,在软土地基上修建高速公路所遇到的地基问题基本上也是上述问题。根据在软土地基上修建高速公路、特别是拓宽路堤遇到的问题按工程类型将其分为:①一般路堤地基处理;②涵洞与人行通道地基处理;③桥头引道路堤地基处理;④拓宽地基处理;⑤软基地基处理设计;⑥路基填筑与地基处理关键工艺;⑦建设过程中路基失稳地段地基处理。7类工程地基处理问题基本上涵盖了软土地基上建设高速公路遇到的地基处理问题。3软土地基处理的方法在软土地基上修建高速公路,往往需要对天然地基进行地基处理以保证路堤路基的稳定性,控制工后沉降和工后沉降差以满足设计要求。常用的处理方法可以分为:a.减轻路堤荷载。减轻路堤荷载可有效减小作用在地基上的荷载密度。作用在地基上的荷载小,地基稳定性就容易满足,也可有效减少软土地基的沉降量。减轻路堤荷载,一是尽可能降低路堤设计标高,二是利用轻质材料填筑路堤。前者受使用和设计标准要求的限制,这里主要指利用轻质材料填筑路堤。如采用粉煤灰填料路堤、EPS超轻质填料路堤等。b.地基处理。在公路工程软土地基处理中应用的地基处理方法很多,有预压法、振密挤密法、置换法、灌入固化物和加筋法。公路常用方法又可分为土质改良和复合地基两大类。土质改良是指对地基土体性质进行全面改良,如通过采用排水固结法、强夯法等进行地基处理,使地基土体抗剪强度提高,压缩性减小,从而达到提高地基承载力、减小沉降的目的;复合地基法是指在地基中采用置换、插筋、部分土体改良等方法设置增强体形成复合地基以提高地基承载力、减小沉降。如采用水泥土桩复合地基,低强度桩复合地基,土工布加筋垫层等。c.桩基础。通过在地基中设置桩基础,架设桥梁跨越软土地基地段,如桥梁跨越。或通过采用桩基础承担路堤路面荷载等,如桩承堤等。d.工后修补。在满足地基稳定性的前提下,允许建成的道路产生较大的工后沉降和不均匀沉降。通过预留高和工后对路基路面进行修补,调整产生的不均匀沉降差,以满足设计要求,这也是一种处理对策。工后修补对维持交通影响不大的条件下应是一种很好的方法。据称,国外某一高速公路通车后第一年修补高达13次,通过持续几年修补后满足质量稳定要求。是通过高标准的一次处理尽量避免工后修补,还是尽量节省建设费用,通过工后修补来保证质量,应通过综合分析确定。通常,在某些路段采用工后修补可大量节省工程投资。e.综合处理。综合处理是指综合应用上述各类方法进行处理。如对路堤地基进行地基处理和减轻路堤荷载相结合;对路堤地基进行初步地基处理与计划工后修补相结合;以及多种地基处理技术的综合应用,如真空预压与堆载预压相结合等。应用综合处理方法往往可带来较好的经济效益和社会效益。4竖向排水固结法和深高速公路高路堤、宽路基作用在软土地基上荷载大而且作用范围宽,路堤荷载增大了地基中附加应力而且影响深度增加。由于地基土抗剪强度低,所以地基承载力小;地基土体压缩性大,所以在荷载作用下地基沉降大。在软土地基上作用的荷载大于地基承载力时,地基将会发生失稳现象。在荷载作用下软土地基常常产生较大的沉降,而且产生沉降持续时间很长。对软粘土地基常采用的地基处理方法有:a.排水固结法。排水固结法,又称预压法。在软粘土地基上修建高速公路,由于排水固结法处理软土地基具有成本低、效果好等优点,一般应优先考虑。采用排水固结法处理地基又可分为几种情况:为加速地基土体在荷载作用下的固结,需在地基中设置竖向排水通道,与水平砂垫层形成排水体系。竖向排水通道可采用塑料排水板、袋装砂井和普通砂井形成。塑料排水板、袋装砂井和普通砂井3类排水通道各有优缺点。塑料排水板工业化生产,质量较易控制,但品种繁多,产品质量参差不齐,差别很大,采用时应对产品型式和产品质量进行认真调查比较分析后确定;普通砂井直径较大,一般在30cm以上,用砂量较大,普通砂井井阻较小;袋装砂井现场制作,较麻烦,也需要用砂。塑料排水板和袋装砂井排水通道断面小,井阻作用较显著。各种排水通道都存在有效排水深度问题。设计人员可根据工程条件、地基处理深度和技术、经济比较分析结果,合理选用竖向排水通道。在公路工程中,排水固结法施加预压荷载又可分为2种情况:路堤荷载预压、真空预压与路堤堆载预压相结合。根据施加预压荷载的大小又可分为一般堆载预压和超载预压2种情况。利用路堤荷载作为预压荷载是公路工程中软土地基处理采用排水固结法处理的一大优点。为了减小道路工后沉降往往可以采用超载预压。公路工程中超载预压有2种方法:一种方法是将路堤填土填至路堤设计标高以上,然后堆载预压至一定的固结度后再卸去超高部分填土;另一种方法是采用真空预压和填土预压相结合,达到超载预压的目的。真空预压地基不会失稳,因此采用真空预压和填土预压相结合可有效加快填土速度,缩短工期,克服只采用堆载预压工期长的缺点。采用排水固结法处理软土地基的优点是成本低,地基处理质量可靠。其缺点是施工工期长,在填土过程中需要严格控制填土速率。地基固结沉降大,需增加路堤填土用料。另外,当竖向排水通道设置深度浅,或竖向排水通道井阻严重,或预压时间短未达到要求的固结度,采用排水固结法处理地基时工后沉降较大,此时,地基工后次固结沉降也大。b.深层搅拌法。通过深层搅拌法形成水泥土桩复合地基也是路堤软土地基处理的常用方法。深层搅拌法分喷浆深层搅拌法和喷粉深层搅拌法2种施工工艺。喷粉深层搅拌法又称为粉喷法。一般认为喷浆法比喷粉法容易使水泥土搅拌均匀,喷浆法可能的加固深度比喷粉法加固深度深。喷粉深层搅拌法对含水量特别高的土层也有一定的优越性,但含水量较小的土层因水化作用不充分,采用喷粉法效果也差。采用深层搅拌法加固路堤地基需要注意的问题:路堤荷载下复合地基性状同刚性基础下复合地基性状是不同的。与刚性基础下复合地基相比,其复合地基承载力小而且相应的沉降量大。因此设计计算时应与刚性基础下复合地基设计计算采用不同的参数。采用水泥土桩复合地基时在复合地基和路堤间应铺设刚度较好的垫层,如加筋碎石垫层,灰土垫层等,以改善复合地基性状。未设垫层的水泥土桩复合地基应慎用。采用深层搅拌法加固路堤地基加固区应覆盖主要软弱土层,否则工后沉降较大。因为均质地基中的复合地基沉降量主要来自加固区下卧层土体的压缩,为减少复合地基沉降量应尽量减少软弱下卧层的厚度。采用深层搅拌法形成水泥土桩复合地基处理路堤软土地基,当水泥土桩设计强度达到后,填筑路堤速率不受路基影响,施工工期较短,道路施工阶段地基沉降量小。道路工后沉降大小受地基软弱土层厚度和处理深度两者关系影响;若地基中存在的软弱土层已基本上得到加固,则工后沉降较小;若复合地基加固区下卧软土较厚则可能产生较大的工后沉降,但工后沉降持续时间较长,沉降速率较小。与采用排水固结法处理相比,采用深层搅拌法处理工期短,但地基处理费用较高。c.低强度桩复合地基。低强度桩复合地基主要指采用沉管灌注法施工形成的,桩身强度较低的一类混凝土桩复合地基。与深层搅拌桩复合地基相比,低强度桩复合地基有2个优点:一是低强度桩复合地基加固深度可以较深,二是低强度桩比搅拌桩施工质量相对容易控制。低强度混凝土桩复合地基和水泥土桩复合地基的经济指标应对具体工程通过具体分析才能给出比较意见。低强度桩复合地基比水泥土桩复合地基成本低和水泥土桩复合地基比低强度桩复合地基成本低均有报道,前者稍多一些。低强度混凝土桩复合地基中桩体强度比水泥土桩桩体强度高,因此低强度桩复合地基置换率一般较小。采用低强度桩复合地基加固路堤地基时,在复合地基和路堤间设置刚度较大的垫层更有必要,应予以重视。d.土工合成材料加筋垫层。采用土工布碎石垫层、土工格栅碎石垫层等加固路堤地基可有效增加地基稳定性,但减小沉降效用不明显。当软弱土层较薄时,设置土工合成材料加筋垫层形成的应力扩散作用可使地基中附加应力减小,沉降可适当减小。当软弱土层较厚时,土工合成材料加筋垫层的应力扩散作用可使浅层土体中附加应力减小,但使路堤荷载作用影响深度加深。因此,设置土工合成材料加筋垫层对减小总沉降效果不明显,工程实测资料和数值分析都能说明上述性状。土工合成材料加筋垫层在高速公路道路软土地基处理中很少单独使用,多与其他方法综合使用。如与复合地基法、排水固结法一起使用。在路堤和复合地基之间设土工合成材料加筋垫层可增大桩土应力比,提高复合地基承载力,减小沉降,具有很好的效果。在地基处理采用排水固结法时,在路堤和地基之间设土工合成材料加筋垫层,在设计时应重视加筋垫层和排水固结两者之间的相互影响问题。图1表示排水固结法和加筋垫层联合处理地基的情况,不能将两者单独使用时的加固效果简单叠加。加筋垫层的存在使地基土体中附加应力减小,附加应力减小造成排水固结完成后地基中有效应力值比没有加筋垫层情况下小。有效应力值小,则地基土体抗剪强度小,导致地基承载力小。因此可以得出加筋垫层的存在减弱了排水固结加固地基的效用。另外,当加筋垫层中土工合成材料不能承受因地基排水固结产生的较大沉降造成在筋材中产生的应力集中现象而导致断裂时,地基将产生失稳。采用加筋垫层加排水固结处理路堤软基造成地基失稳已有数例报道,应引起工程技术人员重视,加筋垫层和排水固结法联合处理路堤软土地基应慎用。5桥台桩基加固中的问题软土地基地区往往河流分布密度大,为了保证河道通航高度,道路用桥的设计高度一般较高。因此,高速公路桥头引道路堤高度相应也较高。软土地基上桥台往往采用桩基础而且一般采用端承桩,桥台沉降量很小。引道路堤填方高,作用在地基上荷载大,作用在桥台上的土压力也大。高速公路桥头引道路堤地基沉降量大,路堤填方本身压缩量也大。因此,如何保证桥头引道路堤地基的稳定性和如何减少桥台和引道路堤工后沉降差,是设计需要解决的重要问题。桥头引道路堤地基处理常采用下述方法。a.排水固结法。处理方法同前述一般线路路堤地基排水固结法。在采用排水固结法加固桥头引道路堤地基时还有几个问题是与一般线路路堤地基加固时不同的,设计人员应予以注意。一是地基排水固结沉降对桥台桩基产生的负摩阻问题;二是地基排水固结处理工后固结沉降和次固结沉降值合理控制问题;三是引道地基堆载预压加固与桥台施工衔接处相互配合问题。b.复合地基处理。通常可采用水泥土桩复合地基或低强度桩复合地基处理桥头引道路堤。当软土层较薄时,采用上述两种形式均可取得较好的效果。当软土层较厚时,采用低强度桩复合地基具有优越性。除采用水泥土桩和低强度混凝土桩复合地基外,还有采用预应力薄壁管桩复合地基和大直径薄壁筒桩复合地基。后两者桩体质量好,但成本高。低强度混凝土桩除采用圆形断面外,还有采用异形桩,如X形桩、Y形桩等。上述异形桩与圆形桩相比,可提高比表面积,增加可能产生侧阻力的桩身表面积。但应指出,与圆形桩桩侧阻力沿桩周均匀分布不同,异形桩桩侧阻力沿桩周分布是不等的,在异形桩的凹面处桩侧阻力强度可能很小。异形桩增加了可能产生侧阻力的桩身表面积,但改变了侧阻力的强度。异形桩的侧阻力是否比等截面的圆形桩大,只有通过载荷试验比较分析确定。而且试验比较分析结论还与工程地质条件有关,不能盲目套用。采用圆形桩桩侧阻力强度计算异形桩侧阻力是不对的,偏于不安全,这一点应引起重视。而且现浇异形桩在软土层中施工质量很难保证。若一般线路路堤地基采用排水固结法处理,而桥头引道路堤地基采用复合地基处理,则还需要处理好这2部分可能产生不同量的工后沉降的协调问题。通常可设一过渡段,过渡段地基处理设计思路同涵洞地基处理。采用复合地基加固路堤软土地基时,一定要重视复合地基与路堤界面上设置刚度较大的垫层问题。c.桩承堤处理。桩承堤处理见图2。在地基中设置钢筋混凝土桩,桩端设钢筋混凝土承台,在桩承台上铺设土工格栅,然后再填筑路堤。从示意图上可以看出路堤荷载和以后的行车荷载基本上是由桩承担。桩承堤实质上是桩基础。采用桩承堤处理建设成本高。桩承堤中桩间软土固结对路堤工作性状的长期影响尚有待进一步观察。d.减轻路堤荷载。桥头引道路堤填筑高度大,除对路堤软土地基采取地基处理外,常辅以采用轻质填料填筑路堤以减轻路堤荷载。轻质填料如粉煤灰、EPS超轻质填料等。采用轻质填料填筑路堤,不仅可以减轻作用在路基上的荷载,也可以减小作用在桥台上的土压力。6改进基处理方案由于交通流量的增加,原有高速公路已不能满足车流量的要求,往往需要对原高速公路进行拓宽,如杭甬、沪杭高速公路从四车道拓宽到六车道。高速公路道路拓宽见图3。道路拓宽部分路堤荷载不仅使拓宽路堤下地基产生沉降,而且将引起原路堤下地基产生新的沉降。当沿道路横向路基沉降差较大时,可能使原有路堤产生纵向裂缝,或产生较大的横向坡度,轻者影响行车速度,重者影响行车安全。若道路拓宽部分路堤地基失稳,将影响原有路堤的稳定性。当原路堤地基处理采用排水固结法处理时,拓宽路堤地基可采用排水固结法处理或采用复合地基处理。拓宽路堤地基采用排水固结法处理施工工期较长,对原路堤沉降影响较大;采用复合地基处理,施工工期短而且对原路堤沉降影响小。但前者工程投资小而后者工程投资大。采用哪种方法更合理应根据具体工程综合分析。当原路堤地基处理采用复合地基处理时,拓宽路堤地基也应采用复合地基处理。当原路堤地基采用复合地基处理,复合地基加固区尚存在软弱下卧层时,在拓宽路堤地基采用复合地基加固处理时应比老路堤下采用复合地基处理时适当减少软弱下卧层厚度,以减少工后沉降。在道路拓宽过程中也可采用超轻质填料。图4表示采用EPS超轻质填料拓宽路堤。从图中可以看出采用EPS超轻质填料拓宽路堤的优点是无需征地或征地很少,缺点是工程建设费用高。当土地价格较高和人工成本较高时,采用EPS超轻质填料拓宽路基不失为一种好方案。日本东(京)名(古屋)高速公路拓宽时,不少路段采用该方案。软土地基上新老高速公路交接处地基处理基本上同软土地基上高速公路拓宽路堤地基处理,也与桥头引道路堤地基处理类似。设计人员应重视尽量减少新路堤地基沉降对原有路堤的不良影响。一般情况下,在软土地基上新老高速公路接头处,不管老路堤软土是采用排水固结法处理还是采用复合地基处理,接头附近新路堤地基采用复合地基处理比较好.当新路堤的一般路堤下地基采用排水固结法处理时,应处理好不同处理方法路段间沉降量不同的逐步过渡,尽量减小不均匀沉降的不良影响。7旋粉喷桩布置为保证施工期间及投入营运后高速公路新老路基稳定,以及解决新增路面的工后沉降(路基工后沉降小于100mm)问题,设计时针对加宽路基稳定和沉降2个问题,采取以下措施:①旋(粉)喷桩施工前,在路基边坡根据不同的路基高度,预先填1.5～2m砂或土。其目的:增加施工期稳定;形成软基施工场地;旋(粉)喷桩向新增路面下方布置,减少新增路面沉降。②旋(粉)喷桩布置范围。桩体布置在新增路面下方,可以达到减少新增路面沉降和消除不均匀沉降,为此必须结合路基填土高度按一定坡度削坡,削坡必须满足施工期间路基稳定要求,旋(粉)喷桩全部穿透淤泥进入持力层0.5m。③为节省工程量,采用变桩距梅花形布置,即新增路面下方采用较密集(桩距1.2m)梅花形布置,其优点是挡住未加固淤泥侧向挤出,从而减少因场地原因在未处理范围内淤泥的总沉降量,新增边坡下方采用疏间距梅花形布置,既减少沉降又节省工程量。④为减少不均匀沉降和增加新老路基稳定性,使应力传递更合理,设计采用1～2层土工格栅,其中2层间距5