高速公路軟基技術分析論文

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摘要：本文以上海建成的幾條高速公路軟基處理及沉降觀測資料為基礎，分析指出地基處理不可能消除工后沉降，選擇地基處理方法應與地基條件、路堤高度相結合，不同處理方法均需足夠的預壓，地基沉降規律較符合雙曲線關系，工后沉降引起橫坡改變，加筋土橋臺是消除“三孔”跳車現象的有效方法。

關鍵詞：高速公路軟土地箕處理技術

1上海高速公路軟基處理發展過程概述

上海地區高路堤軟基處理的主要目的是減少高路堤工后沉降量，路堤穩定性是地基處理的重點。

1984年上海第一條高速公路——滬嘉高速公路開始修建，至今已有莘松、滬嘉東延伸段、滬寧及滬杭等高速公路相繼建成或處于工程建設之中。表1列出了各條高速公路的最大路堤高度與局部路段曾使用的地基處理方法。

上海高速公路建設情況一覽表表1

工程名稱

長度

(km)

最大高度

(m)

平均高度

(m)

建設期

地基處理

備注

滬嘉

15.6

4.5

2.7

1984.4～

1988.10

粉煤灰填筑砂井堆載預壓

多數欠載，部分試驗路超載

莘松

20.59

7.5

3

1985.10～

1990.12

粉煤灰路堤砂井塑料排水板

等載為主

滬嘉東

延伸段

5

8.9

3

1992.2～

1993.12

粉煤灰路堤不處理超載，粉噴樁

粉噴樁為欠載預壓

滬寧

(上海段)

26

7.5

4.3

1993.8～

1996.10

粉煤灰路堤粉噴樁，鋼渣樁

粉噴樁主要是欠載

滬杭

(上海段)

26

7.5

4

1996.8～

1998.10

粉煤灰路堤塑料排水板，粉噴樁，鋼渣樁

1984年滬嘉高速公路主要采用袋裝砂井，最大路堤高度控制在4.5m以下，在部分試驗段進行了超載預壓，多數路段為欠載預壓，且預壓時間不足。試驗路還進行不同砂井間距的對比，在不同間距砂井處理段之間設過渡段。有些路堤采用粉煤灰，約減少了路堤自重1/4。1985年莘松高速公路仍采用袋裝砂井處理，同時進行了塑料排水板試驗，在堆載方面強調等載預壓的技術措施。新橋立交采用全粉煤灰路堤試驗，地基采用砂井處理，最大路堤高度達7.5m。1992年滬嘉高速公路東延伸段大規模采用粉煤灰路堤，地基用粉噴樁處理，最大路堤高度達8.9m；此外還進行了不處理地基條件下的超載預壓試驗；為解決“三孔”跳車，首次試用加筋土橋臺，以期保證橋臺與路基的同步沉降，減少差異沉降。1993年滬嘉高速公路上海段地基主要采用粉噴樁處理，并對鋼渣樁進行了試驗。1996年滬杭高速公路動工修建，在地基處理方面總結以往經驗。根據軟土層厚度分別采用塑料排水板、粉噴樁、鋼渣樁等處理技術，并進一步使用超載預壓，采取綜合處理，因地制宜的技術方案。

2上海軟土地基特性

上海的地基主要為沿海軟土層。從高路堤的工程特性來看，影響沉降量及工后沉降的主要土層為：褐黃色粉質粘土②(俗稱“硬殼層”)，淤泥質土③④，暗綠色粉質粘土⑥等。根據該三類土層的分布及厚度，上海的地基土主要分兩大類：一類地基“硬殼層”厚度一般在2～3m左右，淤泥質土厚度達10m以上，暗綠色土層埋藏較深或缺失，該類地基采用砂井等豎向排水固結法或粉噴樁法無法打穿淤泥質土層，地基土的壓縮變形量大；另一類地基“硬殼層”一般或較厚，淤泥質土層不厚，暗綠色土層埋深淺，該類地基可采用打穿軟土層的處理工藝，地基土的變形量較小。根據上海幾條高速公路的地質資料繪制而成，可以看出上海地基土的厚度存在較大的差異。表2為三類土的主,要物理力學指標。

上海地基土主要土層物理力學指標表2

符



號

土名

孔隙比

e

天然含

水量%

塑性

指數

lp

液性

指數

lL

壓縮

系數

壓縮

模量

KPa

天然

密度

抗剪強度

(固快)

容許

承載力

kPa

ф

CkPa

②

褐黃

色硬

殼層

0.9～

1.06

26.5

～38

7～

16

0.6～

1.1

0.14～

0.33

4～6

18.5

20～

27

11～

22

100～

110

③

灰色

淤泥

質粉

粘土

0.96

～1.3

40.6

～49

14～

15

1.5～

1.67

0.62～

0.88

2.5～

3.1

17～

17.6

15～

17

13

60～

80

④

灰色

淤泥

質粘

土

1.2～

1.45

40～

60

11

1.89

0.68

2.5～

2.9

17.5

15～

17

13

60～

80

⑥

暗綠

色粉

粘土

2～

3.5

24.1

12.7

0.44

0.22

6.5～

7.4

19.7

～2.0

16

53

185

3高路堤軟基處理總體評述

3.1軟基處理不能完全消除工后沉降

在目前有限的施工期內，堆載時間不可能很長，要通過地基處理來完全消除工后沉降是不現實的，工后修補不可避免。

高路堤軟基處理不能完全消除工后沉降包括兩層含義：一是工后沉降不可能為零；一是工后沉降不能滿足地基處理設計的控制標準。上海地區高速公路工后沉降控制指標為：路橋連接段高路堤控制工后沉降為10cm，結構物之間的高路堤段控制工后沉降為30cm。根據上海滬嘉、莘松及滬嘉東延伸段幾條高速公路建成通車后3.5～8年內高路堤的沉降觀測資料，工后沉降量基本都超過10cm，最大的工后沉降超過50cm，砂井打穿軟土層，工后沉降滿足10cm。表3列出部分路段的工后沉降觀測結果。

上海高速公路段工后沉降量表3

滬嘉

莘松

滬嘉東延伸段

位置

1+

030

1+486

1+541

4+465

新橋

立交

通波

塘橋

六磊

塘橋

廟塘

橋

0+400

0+550

0+938

1+190

時

間

范

圍

88.10

96.12

88.10

96.12

88.10

96.12

88.10

96.12

90.12

93.6

90.12

93.6

90.12

93.6

90.12

93.6

93.12

94.10

93.12

94.10

93.12

94.10

93.12

94.10

路

堤

高

m

3.37

3.22

3.22

3.67

7.56

4.3

4.2

3

8.6

6.2

4.1

4.5

沉

降

cm

4

8.6

16.6

28

＞24

＞14

＞19

＞16

22

17

3

5

地

基

處

理

砂井

超載

打穿

天然

粉煤灰

等載

天然

粉煤灰

等載

砂井

填浜

未打穿

粉煤

灰

砂井

未打穿

粉煤灰

粉噴樁

未打穿

粉煤灰

粉噴樁

未打穿

粉煤灰

超載

粉煤灰

超載

從上海高速公路建成以來歷年不斷修補的事實來看，滬嘉自通車第一年就進行橋頭沉降處理，連續4年以上，每年進行修補；莘松自通車后第二年也開始橋頭沉降處理，到1993年，部分橋頭已進行過二次處理，1993年6月以后，開始對幾座沉降較大的橋接坡進行罩面處理；滬嘉東延伸段工程通車不到一年的時間內就對祁連山高架路堤接坡進行了修補，通車三年內先后對其它兩座橋接坡進行了罩面處理。通車5年后，路堤沉降基本穩定。

這說明，采用地基處理后不可能消除工后沉降，工后修補不可避免。

3.2選擇軟基處理方法應與路堤高度、地基條件相結合

十多年來，上海先后進行過袋裝砂井、塑料排水板、粉噴樁、鋼渣樁及超載預壓等地基處理方法的實際工程應用，從減少工后沉降的實踐來看，各種軟基處理方法在不同的路堤高度，不同的地基條件下，減少工后沉降的實際作用差異較大，具體表現為：

(1)同一種方法在某一路堤高度范圍內效果較佳；

(2)路堤高度不同，處理方法的效果相比較存在差異；

(3)地基條件不同，不同處理方法的效果也存在差異。

莘松、滬嘉及滬嘉東延伸段路堤工后沉降高度的散點關系。莘松高速公路自松江立交至新橋立交范圍內路堤高度多大于3m，最大路堤高度達7.65m，多數橋接坡采用砂井處理，工后沉降基本與路堤高度成比例：滬嘉高速公路自祁連山路至南翔段路堤高度在2～4m之間，部分路段橋接坡采用砂井處理，從總體上看，工后沉降與路堤高度成比例增加，個別情況路堤接近4m而工后沉降小于10cm，路堤高度只有2m而工后沉降大于10cm；滬嘉東延伸段為粉噴樁加固地基，在路堤高度大于4m的情況下，工后沉降與高度成比例，且都大于10cm。這說明不同地基處理方法的技術效果與路堤高度有關，還可以看出，當路堤高度達到4～5m以上時，選用砂井與選用粉噴樁的處理效果相差不多。

滬嘉與莘松的地質條件也有較大差別。滬嘉在近祁連山及桃浦路段，軟土層厚度在10m左右，14m深可見暗綠色土層，該路段砂井打穿軟土層，因而工后沉降較小，3.3m高度土路堤在工后2年內沉降小于5cm；莘松高速公路近松江段軟土層厚度達15～20m，采用砂井處理的路段一般經過一年半的等載預壓，不少3m以下路段工后一年半的沉降達10cm；滬嘉東延伸段軟土層厚度10～15m，暗綠色土層缺失，粉噴樁處理工后沉降超過10cm。這表明，在地基條件較好時，可選用砂井或粉噴樁等打穿軟土層的處理方法，而軟土層厚度大時，可采用較經濟的砂井、預壓處理方法。

3.3軟基處理需要足夠的預壓荷載和預壓期

眾所周知，天然地基與砂井需要一定的預壓荷載和預壓期。對粉噴樁、鋼渣樁這一類柔性樁是否也需要預壓荷載與預壓期尚需論證。根據滬嘉東延伸段與滬寧高速公路的應用結果，粉噴樁處理地基仍需要一定的預壓期。

預壓荷載分超載、等載與欠載三種類型。超載預壓是減少工后沉降的有效方法，對于天然地基及砂井處理地基，應盡可能采用超載或等載預壓形式。在滬嘉高速公路修建時，不少路段因工期緊，預壓荷載達不到等載要求，因而工后沉降較大，即使某些2.5m以下高度路堤也不例外；莘松高速公路普遍采用等載預壓，預壓期保持1年以上，因而工后的沉降量相對滬嘉而言要小，個別路段因預壓期不夠，工后沉降較大；滬嘉東延伸段工程對4～4.5m高度粉煤灰路堤采用超載預壓，預壓時間為9個月，工后一年半的沉降量小于5cm，張涇河橋與桃浦河橋兩側橋接坡路堤由于預壓時間短，工后沉降達10cm。對于粉噴樁處理軟基，較普遍的觀點是沉降能很快穩定，預壓荷載不強調等載或超載。然而在滬嘉東延伸段工程中，粉噴樁段路堤荷載采用欠載預壓，預壓時間僅4個月，4.2m高粉煤灰路堤工后一年半沉降達15cm。可見，無論是砂井處理或者粉噴樁處理，保持等載是必要的。

預壓期的確定比較復雜，一方面要考慮工后沉降技術標準，另一方面又要現實地考慮工期太長，確定施工期沉降穩定的標準非常必要。從高速公路建設的實際情況看，滬嘉高速公路建設期3.5～4年，路堤預壓期3個月到2.5年；莘松高速公路建設期5年多，路堤預壓期為一般在14個月；滬嘉東延伸段工程建設期2年，路堤預壓期4～9個月；滬寧高速公路工程建設期3.5年，路堤預壓期6～9個月，究竟預壓多少時間較為合理呢?下面就等載預壓作一簡要分析。

當地基處理方式選定之后，地基的沉降規律就基本確定。比如，當砂井的間距、長度、直徑、地基土類型選定后，地基固結規律就已確定，固結度僅與時間有關。表4中列出滬嘉、莘松等部分路段不同預壓時間的固結度、沉降速率及工后沉降，可以看出，當預壓時間達6個月時，沉降速率為0.35～1.61mm/d，工后沉降為17.8～62cm；當預壓時間達12個月時，沉降速率為0.2～0.53mm/d，工后沉降為13～29.3cm；當預壓時間達18個月時，沉降速率為0.11～0.32mm/d，工后沉降為8.5～22cm。要使工后沉降達到10cm的控制標準，預壓期需要2年以上，在路堤大于6m或地質條件差的路段預壓時間需2.5～3年。從沉降過程看，當路堤超過臨界高度時，沉降速率逐漸增大，滿載預壓一段時間后，沉降速率逐漸減小，沉降曲線上一般存在一個拐點，拐點之前，增加單位預壓時間減少的工后沉降量很大，拐點之后沉降速率逐漸變小，增加單位預壓時間減少的工后沉降量逐漸減小，因此預壓時間至少應超過拐點。拐點實際上是沉降速率變化最大的位置，部分路段拐點時間見表4。達到拐點的時間一般要4～13個月，地質條件好，達到拐點時間短，反之則長。

不同預壓時間的沉降速率及工后沉降量表4

滬嘉

莘松

滬寧

位

置

1+030

1+541

1+330

1+360

19+735

20+520

19+600

路

堤

高

m

3.37

3.22

4

4

4.2

7.4

6.7

沉降

速率

工后

沉降

沉降

速率

工后

沉降

沉降

速率

工后

沉降

沉降

速率

工后

沉降

沉降

速率

工后

沉降

沉降

速率

工后

沉降

沉降

速率

工后

沉降

6

個

月

0.61

18.4

0.44

17.8

1.8

51

1.61

62

0.35

19.3

0.81

55.4

0.5

33

12

個

月

0.29

13.3

0.20

13

0.5

25

0.53

29.3

0.2

15.3

0.35

29

0.35

24

18

個

月

0.14

8.3

0.11

8.5

0.3

18.6

0.3

22.2

0.18

13.2

0.20

19.4

0.32

19

拐

點

6

9

13

13

5

4

5

地

基

處

理

砂井超

載打穿

天然

粉煤灰

等載砂

井未打穿

等載砂井

未打穿

欠載粉煤

灰粉噴樁

5m未穿表

層11m硬土

欠載粉煤

灰粉噴樁

0m未穿表

層10m硬土

天然地基

注：①沉降速率單位，mm/d。②工后沉降單位，cm。③拐點為滿載后月份。

由此來看，要使工后沉降量滿足或接近10cm的標準，等載預壓1.5年是完全必要的，在地基條件較差或路堤高度較低(小于3m)時，預壓時間可減少為1年，而地基條件較差或路堤高度較高(大于6m)時，預壓時間應增加到2年以上。按沉降速率達到0.1～0.2mm/d作為路堤穩定和施工面層的依據是符合地基沉降規律的。在等載預壓條件下，工后沉降達到10cm的控制標準也是可能的。爭取合理的工期，予以合理的施工組織，確保必要的預壓期，是降低工后沉降最經濟的措施，

3.4橋頭接坡軟基處理長度應與路堤高度、地基條件及工后沉降相結合

橋接坡軟基處理長度取多少，沒有一個明確的選擇標準，多數路段以處理50m作為標準。從理論上講，軟基的縱向處理長度首先應保證減少工后沉降的需要，其次要確保道路縱向線形的流暢。從實際情況來看，橋接坡路堤預壓期普遍較短，工后縱向沉降造成橋接坡段路面產生一個凹槽段，其縱向長度一般在30～50m，在路堤高度大于5m時，影響長度可達80m，盡管產生這一現象的原因較多，但凹槽段的長度與形狀變化不大，產生最大沉降處一般距離橋臺10～15m，在搭板的端部存在較大的折點。從工后加罩改善路面線形的實踐來看，工后沉降較小的橋接坡罩面長度在20～30m左右，工后沉降在10～20cm范圍內的橋接坡罩面長度50～60cm左右，工后沉降超過20cm的橋接坡罩面長度在80～100m不等。由此看來，橋頭接坡段軟基處理的長度也應按路堤高度、地基條件及工后沉降等因素綜合考慮，一般路段路堤高度在5m以下時取50m還是較為合理的。

橋頭接坡段軟基處理是否有必要設置長度漸變或間距漸變的過渡形式，應根據地質條件來定。對于軟土較厚的地基，工后沉降較大，有無過渡段不會反應在路面線形的變化，而對于處理深度能打穿軟土層，工后沉降較小的情況，有必要設過渡段。事實上當路堤達到一定高度后整體剛度較大，地基條件變化反應到路面上也是平滑過渡的。

3.5路面橫坡應增大0.5～1%作為預留坡度

不處理地基及砂井處理地基，路堤斷面沉降呈現鍋底狀，而粉噴樁處理后，斷面沉降變得較為平緩。根據滬嘉、莘松等高速公路觀測成果，路面橫坡改變隨著時間與沉降的增大而增大。橫坡與沉降成曲線關系，沉降小于100cm時，曲線斜率較大，超過100cm時，曲線斜率變小。當路堤高度大于6m或當地基條件較差，路堤總沉降為120～160cm，若工后沉降為30cm時，通車后橫坡變化約0.5%，而路堤高度在4～5m左右時，總沉降量一般為70～100cm，若工后沉降為30cm，通車后橫坡變化約0.7%，而路堤高度在4～5m時，總沉降量一般為70～100cm，若工后沉降為30cm，通車后橫坡變化約0.7%，滬嘉高速公路工后8年的路面橫坡變化一般在0.3%，少數路段達0.5%?？梢?，在施工時對路面橫坡增大0.5～1%，工后沉降引起橫坡變化后，仍能滿足設計要求。

3.6關于地基沉降規律及最終沉降推算

地基總沉降的推算方法有雙曲線法、指數曲線法、對數曲線法等，曾有不少文章探討過上海地區最終沉降量采用何種方法較為合理，從推算的結果看，對數曲線法最大，雙曲線法次之，指數曲線法最小。從滬嘉高速公路工后沉降觀測資料來看，沉降與時間不完全呈單對數關系，在單對數圖中曲線尾部略微逐漸變平，說明用單對數曲線預測工后沉降略微偏大，可用雙曲線推算；日本的觀測資料表明沉降與時間呈單對數關系，杭甬高速公路沉降曲線不完全呈單對數關系，但與對數曲線較為接近。從地質條件來看，日本的條件最差，杭甬的條件次之，滬嘉的條件相對較好，這說明地質條件越差，曲線越接近對數曲線。實際上，對數關系反映了地基的流變特性，這是軟粘土固有的工程特性。

3.7關于砂井與粉噴樁布樁間距的設計

間距設計是砂井與粉噴樁地基處理設計內容之一。砂井間距受地基固結度控制，根據滬嘉和莘松的試驗結果，砂井間距大于4.5m后排水固結的作用已不明顯，滬嘉的經驗是，間距為3m與1.5m的布置方式能達到大致相等的固結效果，并且布樁間距越密，總沉降量也越大，同不處理地基相比較，砂井處理后可增加10%左右的沉降量，從沉降過程看，增加的該部分沉降是在施工預壓期內產生的，并不對工后沉降產生影響。因此上海地區可視具體地質條件，選用1.5～3.m布樁間距。粉噴樁布樁間距受面積置換率控制，從樁長范圍內復合體的模量來看，樁間距越小，模量越高，該范圍內壓縮量越小，但從路堤總沉降量來看，樁間距從1.4～1.6m之間變化，相應的面積置換率從0.1～0.05m之間，總體沉降變化不大，只是樁長范圍內與樁端以下壓縮量的相對比例發生了改變，樁距為1.4m時，樁長范圍內壓縮量占總沉降量的10%，而樁距為1.6m時，樁長范圍內壓縮量占總沉降量的40%，從粉噴樁處理后總沉降量減少方面來看，基本能減少20～30%，樁間距變化并不產生總沉降較大的改變，粉噴樁間距通常采用1.5m尚有潛力可挖。

3.8關于路堤臨界高度

上海天然地基在低路堤(小于2.5m)作用下總沉降量不大，且沉降可很快穩定。根據莘松的經驗，當填土在1.8m高時，經15個月預壓，沉降穩定在10cm以內，填土高度在2～2.3m時，在兩年時間內沉降穩定在15～20cm，曲線較平緩，因此莘松提出2.3m作為最佳填土高度，在此高度范圍內無需地基處理。滬嘉的沉降資料表明，路堤高度在1.5m以下時，工后沉降僅3～4cm，路堤高度在1.9～2.7m時。工后沉降為8～11cm，大都滿足或者接近工后10cm的控制標準，對路堤高度達到3m的橋接坡(如馬陸壙橋)工后沉降為14.1cm，略超過10cm。從地質條件來看，滬嘉比莘松好，不處理地基的臨界高度也略有變化，一般2.5m作為一個平均的臨界路堤高度還是比較恰當的。

粉噴樁處理后地基也存在“臨界路堤高度”。對存在這一高度的原因不少學者作過分析研究，筆者認為地基的超固結特性應是主要原因。地表以下5～10m范圍內的土處于超固結狀態，并且天然地基臨界高度荷載與地基土先期固結壓力相吻合。粉噴樁處理地基存在這一現象與天然地基有較大區別。樁土作為實體基礎，當路堤高度達到臨界時，實體與地基側向摩阻力達到極限，樁尖產生刺入變形，樁尖以下淤泥質軟土變形量較大，從而開始出現沉降量增大的趨勢。根據滬嘉東延伸段實測沉降資料，當路堤高度達3.5～3.8m時沉降量較大幅度增加，這說明粉噴樁處理后對3.8m以下高路堤可較大幅度減少總沉降量，從而也較大地減少工后沉降，但實際上對這樣高的路堤采用粉噴樁處理并不經濟。

3.9加筋橋臺技術可消除“三孔”跳車現象

高速公路汽孔、機孔和人孔(三孔)這三類橫穿通道是引起跳車的主要構筑物，其數量在高速公路橋涵通道中占有相當高的比例。雖然這些通道接坡路堤高度較大中型橋涵低，從滬嘉運營期的養護情況看，不少“三孔”跳車現象嚴重，需進行多次罩面處理。鑒于這種情況，在滬嘉高速公路東延伸段首次對古宗路汽孔和孟古路拖孔采用加筋土橋臺技術，徹底解決了因差異沉降而引起的跳車問題，通車3.5年，兩座通道無行車顛簸感覺，兩座通道工后沉降曲線，可以看出，古宗路汽孔兩側路堤與橋臺同步沉降，孟古路拖孔加筋橋臺下沉較大，兩側路堤下沉較小，這是由于兩側進行過超載預壓，而加筋土橋臺未預壓過的緣故。盡管如此，行車無任何跳車感覺。事實證明，加筋土橋臺技術是解決“三孔”跳車的一種可行方法。重要的是確?！叭住钡膬艨?。

4結束語

縱觀上海高路堤軟基處理10多年來的研究過程，圍繞解決路橋連接處跳車現象，已先后嘗試運用了砂井(包括塑料排水板)、粉噴樁、鋼渣樁、超載預壓、超載砂井聯合預壓等多種方法，從采用單一地基處理技術走向因地而易，各種方法綜合使用。地基處理不可能完全消除工后沉降，路堤高度是影響工后沉降的重要因素，地基條件是影響地基處理效果的主要因素，在軟土層厚度能打穿的情況下，應堅決打穿以充分發揮砂井或粉噴樁的作用，在軟土層較厚的情況下，應采用超載預壓加砂井聯合處理方法，在路堤高度不大的地段可采用超載預壓不處理地基辦法，加筋土橋臺技術是解決“三孔”跳車現象的有效方法，應該推廣。