高速公路高填方湿陷性黄土路基拓宽不均匀沉降处治技术

王 健

（中铁十八局集团第四工程有限公司 天津300222）

1 高填方浅层湿陷性黄土段路基拓宽实地试验

以内蒙古赤承高速公路拓宽工程中具有高填方浅层湿陷性黄土路基特征路段K48＋500－K48＋700段为试验段，针对高填方浅层湿陷性黄土段路基拓宽进行实地试验，填方高度为6.5m，拓宽方式为双侧拓宽.同条件下分别采用砂桩和预压两种方法进行实验，具体路基处理方式见表1.

表1 具体路基处理方式

2 砂桩段路基变形理论分析

K48＋500－K48＋600段采用砂桩处理拓宽部分地基，砂桩直径40cm，自原地面起，桩长5m，桩间距120cm，梅花形布桩.采用振动法施工，施工顺序为从路基外侧向旧路方向施工.砂桩所使用的砂砾要求级配良好，最大粒径不大于10cm.地质情况：1～8m为黄土状粉质黏土，黄褐色，稍湿，硬塑，具有大孔隙，垂直节理发育，2.3～2.7m夹薄层卵石.承载力基本允许值150kPa.

本段设置了2个观测断面，分别为K48＋500、K48＋550，其中K48＋550为主观测断面，K48＋500为辅助观测断面.砂桩段桩地基元件平面布置示意图见图1.

图1 K48＋500－K48＋600段仪器试验仪器布置图

砂桩处理结束之后，经过监理单位静力触探监测，砂桩承载力平均达到240kPa.根据设计，置换率m为0.1008，桩土应力比没有经过试验，根据工程经验，粘性土取2～4，粉质土取1.5～3，根据本试验段的土质，桩土应力比取2.则根据复合地基承载力计算公式：fsp，k＝mfp，k＋（1－m）fs，k.式中，fs，p复合地基承载力标准值，m为置换率，fp，k为桩体单位面积承载力标准值，fs，k为桩间土承载力标注值.经过计算，砂桩处理后复合地基承载力标准值为159.072kPa.

处理之后复合地基的压缩模量的计算公式为：Esp＝［1＋m（n－1）］Es.式中，Esp复合地基压缩模量；Es为桩间土压缩模量；n为桩土应力比；无实测资料时，根据工程经验，粘性土取2～4，粉质土取1.5～3，原地基土强度高取低值，原地基土强度低取高值，根据本试验段的土质，桩土应力比取2.计算得到处理后复合地基压缩模量增大了10.08%，则理论计算，砂桩处理后地基的沉降量会减小9.16%.

由此可知，对于原地基土承载力较高的地质条件而言，采用砂桩法处理并不能有效的提高地基承载力以及减小地基沉降，在此类地质条件中，砂桩更多的作用是提供一个良好的竖向排水通道，提高固结速度，针对内蒙古地区的气候条件而言，采用砂桩法还能减小冬季冻胀作用的影响.

3 预压路基沉降变形特性分析

K48＋600－K48＋700段采用超载预压处理拓宽部分地基.地质情况：1～9m为黄土状粉质黏土，黄褐色，稍湿，硬塑，具有大孔隙，垂直节理发育.9m以下为卵石，灰黄色，稍湿，密实，一般粒径40～80mm，最大粒径130～150mm，填充物为砂类土，母岩成分为花岗岩.承载力基本允许值150kPa.根据设计要求，拓宽路基填筑完成之后，在拓宽路基及新老路基结合部进行超载预压，预压高度3.5m，预压时间大于90d.本段设置了2个观测断面，分别为K48＋600、K48＋650，其中K48＋650为主观测断面，K48＋600为辅助观测断面.加固方案见表2.试验元件平面布置示意图见图2.

图2 预压施工图（单位：cm）

表2 加固方案

3.1 沉降变形分析

预压段地基分层沉降随荷载和时间变化曲线和预压段地基分层沉降随深度变化曲线分别见图3、图4、图5、图6；图7、图8、图9、图10.K48＋600不同时间新老路肩沉降量对比曲线见图11，不同时间沉降板沉降随填土层数变化曲线见图12.

从不同时间沉降量随填土层数变化曲线可以看出，随荷载、时间的增加，沉降也逐渐增加.地基沉降量不大，这说明地基条件适合用作高速公路拓宽.填筑之初地基沉降速率较快，并且在路基填筑完成后短时间内依然保持较大的速率增长，填筑期间的增长主要由拓宽路基和荷载所引起的，而路基填筑完成后短时间内沉降量的快速增长是由于拓宽路基及新老路基结合部上进行超载预压处理，随着时间的增长，沉降速率降低，沉降趋于稳定.

从不同时间沉降随深度变化曲线可以看出，沉降分布比较均匀，基本呈线性增长.填筑初期单日沉降量大于10mm，这是由于浅层软弱土受荷载作用迅速固结沉降所致，随着浅层软弱图固结沉降的完成，随后填筑期间的日沉降量均小于5mm.填筑完成后的月沉降量小于1mm.

从不同时间新老路肩沉降对比曲线可以看出，新老路肩处路基差异沉降很小，原因有两个：

（1）拓宽面对应路基位置为老路边坡，老路经过多年的使用，固结沉降基本完成，即使在新增荷载，沉降值依然不大；

（2）老路边坡经过开挖后再重新铺筑拓宽部分的路基，相对来说，拓宽路面对应处路基所增加的荷载较小，所产生的附加沉降也较小.

从不同时间沉降板沉降随填土层数变化曲线可以看出，主副两个断面的沉降板沉降值基本相同，变化规律也基本相同，均是随着填土高度的增加而增加，在填筑完成后逐渐趋于稳定.其所反映出的结果与分层沉降仪相同.

经过超载预压后的新老路基在施工期间的沉降已趋于稳定，预计工后沉降较小，新老路肩处路基差异沉降很小，鉴于此，铺筑面层及通车之后，新老路基结合部产生拉裂的可能性很小，小于设计之初的预估计值，针对此种浅层软弱路基，超载预压的效果是显著且有效的.

图3 K48＋600新路肩沉降－填土－时间曲线

图4 K48＋600新路肩不同时间沉降随深度变化曲线

图5 K48＋600老路肩沉降－填土－时间曲线

图6 K48＋600老路肩不同时间沉降随深度变化曲线

图7 K48＋650新路肩沉降－填土－时间曲线

图8 K48＋650新路肩不同时间沉降随深度变化曲线

图9 K48＋650老路肩沉降－填土－时间曲线

图10 K48＋650老路肩不同时间沉降随深度变化曲线

图11 K48＋600不同时间新老路肩沉降量对比曲线

图12 不同时间沉降板沉降随填土层数变化曲线

3.2 地基水平位移分析

填土期间所测得的深层侧向位移曲线在往复摆动，并没有一致的发展趋势，这是新老路基沉降调整的结果.地基总体上地基侧向位移量很小，最大侧向位移不超过10mm.从测点的水平位移变化可以看出，深层土体的水平位移较小，浅层水平位移较大，故发生拓宽路基失稳的可能性不大.填筑初期地基水平位移较小，超载预压完成后地基表层水平位移向外倾斜，这符合地基沉降变形特性；地基水平位移的发展成线性，这一结果与不同时间沉降随深度变化曲线对应.

从目前所收集到的数据整理分析可以看出，该段地基整体沉降不大，新老路基差异沉降较小，日沉降量以及月沉降量均在规范规定范围内，随着时间的增长沉降逐渐趋于稳定，因为超载预压部分荷载较面层及通车荷载大，故综合考虑铺筑面层及通车后出现路面及路基损坏的可能性不大.地基侧向位移较小，符合地基沉降变形特性，综合考虑拓宽路基发生整体失稳的可能性不大.从目前数据来看，预压法处理高填方浅层湿陷性黄土地基拓宽工程是可靠可行的.

4 结束语

针对K48＋500－K48＋700高填方段浅层湿陷性黄土，试验采用了两种不同的方法进行处理，对比试验结果后得到以下结论：

（1）砂桩法处理该类地基沉降及地基水平位移明显小于预压法，说明砂桩能够有效的增强地基的抗剪切强度，抑制侧向位移.

（2）两种方法处理的效果都很好，K48＋500－K48＋600尽管采用砂桩法进行处理，但实际沉降量以及沉降速率与未采用砂桩法进行处理的K48＋600－K48＋700段相差在10mm以内，考虑到K48＋600－K48＋700段还加入了预压处理，可以说砂桩法在减小地基沉降量上并没有起到很明显的效果.从理论计算及实际监测分析都可以看出，当原地基承载能力较高的情况下，采用砂桩法处理地级并不能有效降低路基的沉降量.

（3）预压法能够尽量减小工后沉降，但值得注意的是，砂桩挤密发较于预压法更为节省施工时间，拓宽工程通常都对工期有着严格的要求，相较来说，砂桩法更为符合当前高速公路拓宽工程的工程需要.这样处理拓宽路基后，路基发生因差异沉降及失稳而产生破坏的可能性较小.

（4）砂桩法在处理该类地基所收到的效果小于K55＋300－400段，考虑的主要原因是路基处理完毕之后并没有很好的防冻措施，使得表层处理部分受到冻胀影响，从而影响砂桩的处理效果，故而对于拓宽路基，应当在路基加固完毕之后迅速填土，防止路基遭受环境影响.对于冬胀区域应当在冬季做好防冻保护.

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