滬寧高速公路江蘇段軟基工程案例處理

1、.滬寧高速公路江蘇段軟基工程案例處理 滬寧高速公路江蘇段軟土地基 綜合處理技術(shù)研究和實踐 摘要：本文著重介紹了依據(jù)試驗路段和評估的成果，運用更切實際的沉降計算方 法，優(yōu)化軟基處理，優(yōu)化路基施工，用動態(tài)控制法確定鋪筑路面的時間，科學(xué)安 排施工，有效的減少工后沉降，使全線軟基路段滿足設(shè)計穩(wěn)定要求，達(dá)到了縮短 工期、提高工程質(zhì)量之目的，為全線一次建成和提前通車提供了保證，并取得節(jié) 省工程費5000萬元的經(jīng)濟(jì)效益。 關(guān)鍵詞：沉降 壓縮 超固結(jié) 1 概述 滬寧高速公路橫貫經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長江三角洲地區(qū)，連接南京、鎮(zhèn)江、常州、無 錫、蘇州和上海六個大中城市，全長274.08km，江蘇段248.21km，屬國家重

2、點工 程，江蘇省列為“第一位工程”。沿線大部分地區(qū)為河相、海相沖積平原，分布 有大量的淤泥質(zhì)粘土，地質(zhì)情況復(fù)雜，有軟土的地段長約92.29km，主要分布在 蘇州至丹陽地區(qū)內(nèi)(A至E五個大標(biāo)段)。沿線軟土層厚薄不均，最厚大于30m，一 般在615m，占A至E標(biāo)段長度的48%，占江蘇段全長的37.2%。是目前全國建成的 高速公路中，軟土地基線路最長的一條。全線平均填土高度3.7m，最高達(dá)10m以 上，設(shè)計估算最大沉降量達(dá)150cm，一般在3560cm。 高速公路對地基要求甚高，在使用年限內(nèi)國內(nèi)外一般規(guī)定路面的工后沉降量 應(yīng)控制小于30cm，橋頭路堤應(yīng)小于10cm。80年代，中日合作對滬寧高速公路進(jìn)

3、行 可行性研究，所提出的報告針對全線軟基分布廣、路堤高給工程帶來的問題將是 沉降及固結(jié)速度問題。建議對路面實施分期鋪筑，以實現(xiàn)最后鋪筑正式路面時， 能滿足允許工后沉降量的要求。 為此，江蘇省高速公路建設(shè)指揮部特擬訂了滬寧高速公路軟基綜合處理技 術(shù)研究項目分別與河海大學(xué)、南京水利科學(xué)研究院土工所合作，以便達(dá)到驗 證、完善設(shè)計、指導(dǎo)施工、提高工程質(zhì)量之目的。 2 全線軟土的工程特性 2.1 基本情況 全線土層主要為亞粘土層，淤泥質(zhì)粘性土層，亞砂土層，粘土層和粉砂層等 層組成。表1列出A至E五個大標(biāo)段代表性土層分層鉆孔資料，可見各標(biāo)段軟土位 置及厚度變化規(guī)律：其中A標(biāo)的最大含水量超過50%，淤泥質(zhì)土

4、層出現(xiàn)在深度30m 左右范圍內(nèi)；B標(biāo)的含水量大多小于35%，幾乎沒有淤泥質(zhì)土；C標(biāo)最大含水量達(dá) 60%70%，淤泥質(zhì)土大多在表層2m以下20m范圍內(nèi)；D標(biāo)含水量大多小于45%，淤 泥質(zhì)土在表層512m深度內(nèi)；E標(biāo)土層中含多層粉土間夾薄淤泥質(zhì)土層，其中薄 層淤泥質(zhì)土含水量一般在30%40%。 根據(jù)滬寧高速公路軟土段1400多個稠度資料分析，以孔隙比大于1.0的淤泥 質(zhì)粘土層為多，孔隙比大于1.3的軟土極少。按塑性圖分類定性判別，則大多數(shù) 屬中壓縮性土。若采用蝶式儀測定液限時，有一些淤泥質(zhì)土則屬一般粘土。若按 壓縮系數(shù)分類，大部分是中等壓縮性，av12小于5×104kPa1。A、C標(biāo) 有

5、少數(shù)土樣為高壓縮性土，av12大于5×104kPa1。D標(biāo)有少量土樣為高壓 縮性土。 AE標(biāo)軟土位置及厚度變化類型 表1 2.2 地基上部土層的超固結(jié)特性 在評估工作中，通過對設(shè)計單位鉆探試驗成果的再分析，并在A、B、C、D四 大標(biāo)段又選擇8個斷面補(bǔ)充鉆探孔和室內(nèi)試驗，發(fā)現(xiàn)沿線地基土上部土層中的先 期固結(jié)壓力Pc值大于覆蓋壓力，處于超固結(jié)狀態(tài)，其程度由東向西逐漸增強(qiáng)， 深度從7m至1520m。超固結(jié)比的總趨勢是由上向下逐漸減小。A、B、C、D四個 標(biāo)段的OCR1的深度見表2所列。 表2 根據(jù)原位十字板剪力試驗和室內(nèi)觸探試驗所測不排水強(qiáng)度Cu與有效上覆土重 應(yīng)力Po的比值，即Cu/Po

6、0.2的深度判別，再次證明，上部土層都具有超固結(jié)特 性，深度與室內(nèi)高壓固結(jié)試驗確定的相近。 2.3 軟土固結(jié)特性 滬寧高速公路沿線的土層，呈成層地基，且大部分存在粉質(zhì)土層，厚度從數(shù) 厘米至十幾米。特別是B、E、D三段粉質(zhì)土層分布廣且厚，計算分析表明，透水 性強(qiáng)的砂性土不但自身壓縮量小，壓縮穩(wěn)定快，即使是薄砂層也是較好的排水 層，具體設(shè)計中，對Ip7，顆粒級配中粘粒含量又小于10%的土層視為相對排水 層。 3 路基的沉降估算 3.1 最終沉降量估算 通過全線軟土地基的特征段，用av1-2、e-lgp及非線性有限元引入比奧 固結(jié)理論三種不同方法對比發(fā)現(xiàn)，單純從理論上用沉降估算方法，難以滿足工程 精

7、度要求。為此，我們在不同標(biāo)段，選擇了不同軟土特征斷面，不同填筑高度， 用等載土模擬填筑荷載，實測其沉降過程線和推算最終總沉降量與估算對比得到 合適的經(jīng)驗修正系數(shù)Ms見表3。 S總=Ms×S總(av1-2) 式中：S總(av1-2)應(yīng)用av1-2參數(shù)估得最終沉降量； Ms修正系數(shù)，堤高2.94.0m取0.81.0；堤高4.0m以上取 0.751.40。 表3 至于壓縮層厚度Zn，考慮到滬寧高速公路沿線土層屬成層地基，軟弱土層又 分布在不同深度，且大都夾有砂質(zhì)土層，為安全計，建議按地基附加應(yīng)力P小于 0.2倍自重應(yīng)力Po確定壓縮層Zn的深度。若計算深度Zn以下還存在軟土?xí)r，應(yīng)繼 續(xù)計算直

8、至地基附加應(yīng)力P小于0.1倍的自重應(yīng)力Po為止。 3.2 固結(jié)計算 軟土層承受荷載后，隨時間逐漸固結(jié)，而固結(jié)計算的目的，是為確定任一時 刻土體的固結(jié)度和該時刻的沉降量，對不作處理的地基，其固結(jié)度的計算根據(jù)太 沙基的單向固結(jié)理論假定土為均質(zhì)的。實踐證明計算值與實測值誤差較大，目前 還只能靠現(xiàn)場觀測來修正確定。 4 軟基處理的試驗與改進(jìn) 4.1 軟基處理的判斷方法的改進(jìn) 4.1.1 在復(fù)核軟基沉降時采用了以鉆孔為單位，孔隙比為基本參數(shù)的統(tǒng)計計算 指標(biāo)方法取代以土層為單位，沿公路縱向分段統(tǒng)計計算指標(biāo)的方法，縮小了計算 誤差及軟基處理的規(guī)模。 4.1.2 在復(fù)核沉降量時采用了能考慮超固結(jié)土壓縮特性和估

9、計軟土中側(cè)向變形 對垂直沉降影響的分層總和法取代100200kPa壓力范圍的壓縮系數(shù)法。使沉降 量估算更符合實際。 4.1.3 原設(shè)計是根據(jù)總沉降量大小作為何種地基處理的依據(jù)，這樣做的結(jié)果， 忽略了滬寧高速公路沿線土層屬成層地基，尤其粉質(zhì)土層對加速軟土固結(jié)的影 響，因此，改為以工后沉降量為標(biāo)準(zhǔn)，來確定和判定軟基是否需要進(jìn)行處理，或 采用何種處理措施的依據(jù)。 4.2 軟基處理的優(yōu)化 4.2.1 以30cm厚砂性墊層材料和一層有紡?fù)凉げ既〈?0cm厚砂墊層。 4.2.2 只要施工條件許可，排水板間距的減小對固結(jié)度的增長影響甚微。因之，若有半年以上的預(yù)壓期，由1.0m適當(dāng)加大排水板間距至2.0m，不

10、會明顯影響 施工后沉降量，也可減少施工擾動。 4.2.3 對橋頭遇到橋臺施工與臺后填土的安排發(fā)生矛盾時，為保證工期，在一 些軟土路基的高填土部分改用粉體攪拌樁處理，以減小軟土側(cè)向變形對橋臺的影 響。優(yōu)化變更后的軟基處理方案，已簡化為以堆載預(yù)壓法為主(約占軟基段總長 72%)，砂墊層和等、超方案，的載配以少量塑排水板預(yù)壓及極少數(shù)橋頭部位的粉 噴樁處理方案。 通過施工實施證明，變更優(yōu)化的軟基處理方案，更加符合滬寧高速公路軟基 沉降與穩(wěn)定的實際變化規(guī)律，技術(shù)上更趨可行，經(jīng)濟(jì)上更趨合理，同時也考慮到 工期、工藝配合與銜接。 5 鋪筑路面時間的動態(tài)控制 確定路面施工后的工后沉降必須準(zhǔn)確掌握“最終沉降量”

11、和已發(fā)生的沉降 量，由于最終沉降量估算值的誤差很大，而且包括路面全荷載在內(nèi)的實測沉降過 程線，是在鋪筑完成路面以后才能測出，難以在路面全荷載發(fā)生前準(zhǔn)確預(yù)估，如 不能正確預(yù)估路面施工后的工后沉降，不是把路基預(yù)壓時間拖得過長，延誤工 期，就是在路基未及穩(wěn)定時鋪設(shè)路面，路面下沉后，要用昂貴的路面材料，加大 面層厚度，彌補(bǔ)過大的沉降，為確保工后沉降的標(biāo)準(zhǔn)，確定填筑路面的時間，制 定施工控制條件，我們選擇了不同軟土特征斷面，不同填筑高度的路段，用等載 土模擬路面荷載，實測其沉降過程線，與一般堆載路線規(guī)律對比，在分析了大量 的現(xiàn)場實測沉降曲線基礎(chǔ)上，推算滿足工后沉降時對應(yīng)的沉降速率值作為施工控 制條件，它

12、考慮到荷載、地質(zhì)和處理方法的不同，所帶來的復(fù)雜影響，選定95區(qū) 頂面按0.5cm/月；路面結(jié)構(gòu)各特征層按0.3cm/月實施動態(tài)控制。 上述沉降穩(wěn)定動態(tài)控制法，其實質(zhì)是用已發(fā)生并實測到的沉降速率來判斷路 堤沉降的穩(wěn)定狀況，控制路面鋪筑時間，使路面完工后，其工后沉降達(dá)到高速公 路質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見表4。 表4 6 結(jié)束語 概括起來有下述幾點認(rèn)識和結(jié)論： (1)深入分析了滬寧高速公路軟土基本特征。地基主要是一般粘性土和粉土 組成，天然含水量大多在20%40%之間，少數(shù)高于40%，為淤泥質(zhì)土，按國家標(biāo) 準(zhǔn)分類為低液粘土或低液限粉土。壓縮性中等，只有少數(shù)屬高壓縮性。 (2)滬寧高速公路東段軟粘土層處于超固結(jié)狀態(tài)

13、。其程度由東向西逐漸增 強(qiáng)。并經(jīng)高壓固結(jié)試驗測得的先期固結(jié)壓力和原位十字板剪力試驗、室內(nèi)觸探試 驗測得的不排水強(qiáng)度與有效覆土重應(yīng)力的比值判別所證實。超固結(jié)比由上向下減 小，深度達(dá)1020m。 (3)截止1996年8月底路面施工完成后，全線軟基實測沉降速率在03mm/ 月，平均已達(dá)96%以上。圖1為典型沉降過程線。 圖1 BK60+472測點地基沉降實測曲線 (4)在不同的地質(zhì)條件、外荷條件下因地制宜采用經(jīng)優(yōu)化的軟基處理方法取 得良好成效： 利用路堤堆載或等載預(yù)壓是最經(jīng)濟(jì)處理方案。結(jié)合滬寧高速公路軟土性質(zhì)， 又普遍存在粉砂夾層，對中、低路堤的加固效果實在、消除工后沉降作用明顯。 排水固結(jié)輔以等載

14、或超載預(yù)壓法對高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度軟土是經(jīng)濟(jì) 合理的有效加固措施?？扇〉昧己眯Ч?。在有薄砂層的條件下塑料排水板可適當(dāng) 加大間距至2m。 粉體攪拌樁加固法具有能減少樁身范圍的沉降量、抗側(cè)向變形能力強(qiáng)和加快 工期等優(yōu)點，但價格較高。在未能穿透軟土層的條件下，其優(yōu)點受到一定限制。 結(jié)合土工織物的砂墊層不僅能起到排水固結(jié)界面作用，還能有助于減少總沉 降量、防止泥污染，使沉降較均勻。采用土工布的砂墊層厚度可由50cm減薄至 30cm；砂料可用滲透系數(shù)大于地基土2個數(shù)量級的透水性材料替代。 (5)施工沉降觀測實測資料和非線性有限元計算成果都表明，以太沙基一維 固結(jié)理論為基礎(chǔ)的固結(jié)計算時間所確定的預(yù)壓期偏保守，應(yīng)通過施工現(xiàn)場觀測加 以修正后，再決定路面鋪設(shè)時間。 (6)滬寧高速公路實施中，采用了各種有效減小總沉降量，并使總沉降量消 除在施工期內(nèi)，取得了明顯效果。特別是通過施工沉降觀測，以0.30.5cm/月 沉降速率，作為判別穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的動態(tài)控制來確定各層路面鋪設(shè)時間，是合適的、 安全的。 (7)在滬寧高速公路軟基研究與實施中，探索出一套從典型路段試驗路、軟 基設(shè)計