高速公路堆载预压软基加固卸载时机研究

刘皓琨

(京台高速公路廊坊建设管理处)

1 引 言

中国从20 世纪80年代开始发展高速公路，目前，我国高速公路里程位居世界第二，大大促进了我国社会经济的发展，但是由于我国幅员辽阔，人口众多，现有的高速公路仍满足不了经济发展的需求，因此我国各地的高速公路建设仍在有条不紊的进行。

我国的公路地基存在着大量淤泥、淤泥混砂层、淤泥质粘土等软粘土，在这类地基上修建高速公路，易出现稳定和变形问题。对于目前的地基处理技术，路基的稳定性一般都能得到保证，但是软土地基的沉降变形却难以有效控制，实际工程中往往存在路基开裂、桥头跳车、路面的纵坡变化等沉降问题。

为减小地基沉降尤其是不均匀沉降的影响，目前常见的地基处理方法有置换法、排水固结法、加筋法、注浆法、挤密法以及强夯法和复合地基法等，排水固结法根据加压和排水系统的不同可分为堆载预压法、真空预压法、真空堆载联合预压法、电渗法等，其中的堆载预压法堆载预压是指用堆载填土或其它上部荷载，对天然地基进行预压，同时在土体中埋设竖向排水体和横向排水体，形成排水通道，使得土中的孔隙水加速排出，使土体固结减小工后沉降，提高软土地基的承载能力，在具有足够备土预压荷载的条件下，对消除地基的工后沉降具有较为突出的优势。但是堆载预压法处理高速公路的路基堆载卸载时机确定非常重要，一般而言，公路堆载预压至满足卸载标准后卸载至路床顶面标高、施工路面的过程称为卸载，确定卸载时机就是根据卸载标准确定卸载时间。《公路路基设计规范》(JTGD30－2004)规定“路面铺筑应在沉降稳定后进行，采用双标准控制:即要求推算的工后沉降量小于设计容许值，同时要求连续2 个月观测的沉降量每月不超过5 mm，方可卸载开挖路槽并开始路面铺筑”。因此，路面铺筑时间的确定实质也是卸载时机确定，随着我国经济发展、生活水平的提高，对行车速度、行车舒适性和安全性的要求越来越高，对堆载预压法处理高速公路的路基卸载时机确定越来越重视。

因此，结合京台高速公路廊坊段山前平原区湖相沉积软土地基工程实际，基于工后沉降和沉降速率控制，研究高速公路湖海相软土地基堆载预压卸载时机，对提高河北省高速公路通行质量具有重要意义，并为我国类似工程的实施提供借鉴和技术支持。

2 工程概况及处理方法

以京台高速公路廊坊段为例，设计速度全线采用120 km/h，路线位于河流的冲洪积平原上，河流的淤积及低洼地带易形成软弱土及软土，该公路沿线53 km 分布有近75%的软土地基，其物理性质表现特征为含水量高，达到30%以上，部分路段达到40% 以上;天然孔隙比高，超过0.9，部分路段超过1.0;液性指数大于0.5，部分路段超过0.75;标贯击数低，一般在4～5 击以下。

为了保证路基稳定性和工后沉降满足高速公路安全运营要求，对约27 km 的一般路基地段软土地基采用堆载预压法进行加固，预压施工高度等于路基设计高度+路面材料与路堤填料密度不同应考虑的等效厚度差+路基预压期沉降量，预压期为180 d，但在施工过程中需做好沉降、稳定观测，确保路基满足中心线沉降量和坡脚水平位移量要求，并根据测沉降数据与理论计算结果进行对比，以确定合理的卸载时机。

为了有效排水，堆载预压、袋装砂井处理路段，路堤基底铺设40 cm 厚砂砾垫层，其含泥量不大于5%，为防止砂的流失及加强垫层排水作用，在垫层两端采用护脚砂袋防护。在水泥搅拌桩、CFG 桩处理路段，为有效排加固地基，并分担路堤荷载的应力，在路堤基底铺设30 cm 厚5%石灰土垫层。同时，在地基中打设袋装砂井，其直径采用10 cm，间距一般1.3～1.7 m，平面上呈正三角形布置。

3 实测沉降数据及最终沉降计算

3.1 最终沉降量和剩余沉降量

研究时在其中两个标段中选取了代表性断面，其断面宽度均为42 m。见表1，表2。

表1 标段1 一般路段典型断面

表2 标段4 一般路段典型断面

根据所选代表性断面，利用就近的勘察孔数据，根据分层总和法(具体计算方法可参考土力学及相关规范，不再赘述)计算得到最终沉降量，结合实测沉降速率和累计沉降量，计算得到剩余沉降量如表3 和表4 所示。

表3 标段1 一般路段沉降计算结果

表4 标段4 一般路段沉降计算结果

3.2 沉降历时曲线

以上计算只是确定了最终沉降量和剩余沉降量，为研究地基沉降随时间的发展规律，确定合理的卸载时机，利用有限差分软件Flac3D，选取断面K17 +950，其设计高度为6.36 m，预压高度为6.77 m，以计算研究地基沉降随时间的发展曲线。

Flac3D 建模:公路路基和路堤为对称结构，因此可取一半进行分析，路堤边坡1 ∶1.5，路堤宽度42 m 取一半为21 m，计算填土高度取堆载高度，堆载土体未压实，其重度取15 kN/m3，地下水位在地表下13 m，计算过程中分级加载，以模拟施工过程，从施工期截止观测日期共410 d，计算得到此时的地基沉降所示。沉降历时曲线如图2 所示。

图1 K17 +950 固结410 d 时竖向沉降云图

图2 K17 +950 模拟沉降曲线与实测沉降曲线

3.3 结果分析

从表3、表4 中数据可以看出，只有少部分断面沉降速度在5 mm/月以下，如K6 +080、K7 +120、K15 +855、K17 +800、K18 +375、K18 +975、K19 +225，这些路堤设计高度较低，因此沉已降基本稳定。其它堆载高度较高的断面沉降速率均大于5 mm/月。但从计算得到的剩余沉降量来看，除了K17 +950 之外所有断面的剩余沉降量均小于控制标准值30 cm，之所以大部分断面的沉降速率大于控制值与施工进度有较大关系，因为很多断面都是近期由于工期限制快速填筑到设计标高，导致沉降速率过大，说明堆载预压处理方法效果良好。

K17 + 950 处共堆载410 d，实测累计总沉降量为21.03 cm，最后一期沉降速率为－0.34 mm/d，最后一月总沉降量为14.15 mm，高于连续两个月月沉降量小于±5 mm的稳定标准。剩余沉降量为34.27 cm，高于工后沉降小于30 cm 的控制标准。从沉降数据来看，该断面的沉降稳定均尚需一段时间。

K17 +950 断面按实测加载曲线计算土体固结，410 d 时的竖向沉降云图如图1 所示，图中路堤范围以外的地基土体有轻微隆起现象，可能是由于路堤作用引起的侧向挤压作用，而采用该软件计算得到的最终沉降量为53.9 cm 略大于分层总和法计算得到的53.3 cm，因此在软土的沉降计算中有必要考虑地基土体的侧向变形引起的沉降，否则可能使得计算结果偏小。图中最大沉降发生在路基中心线下，计算累计沉降量为23.85 cm，略大于实际值21.03 cm，误差为5.39%，说明本次的计算参数取值较为合理，计算结果比较准确。

模拟沉降曲线与实测沉降曲线对比如图2 所示，从图中可以看出，flac3D 的模拟结果与实测值曲线吻合较好，进一步说明该软件可以较好地计算软件基的固结沉降。从沉降发展曲线可知，该断面处初期沉降发展较快，在荷载施加一段时间后沉降趋于稳定，但有新的加载时沉降又会较快发展，这是软基沉降的最为显著的特征，而目前的沉降速率14.15 mm/月较大也是由于该断面近期填土至设计标高的缘故，目前其它堆载较高的断面也普遍存在类似情况。

因此，结合目前的沉降速率、剩余沉降量和沉降发展曲线，在路面施工时机即预压堆载卸载时机的选择上，可以考虑分段施工，即沉降速率和剩余沉降均达到控制标准的路段可以优先进行路面施工，然后可考虑沉降速率虽不满足要求但剩余沉降满足要求的路段，最后是沉降速率和剩余沉降均不满足控制标准的路段，以使其沉降有较为充分的发展，最终达到控制工后沉降的目的。

4 结 语

采用现场试验、理论分析与数值模拟相结合的研究路线，以在建京台高速公路廊坊段为工程依托，对堆载预压处理的高速公路软土地基卸载时机进行研究，主要结论如下。

(1)在软土路基上修筑高速公路时，由于软土的低强度、大变形量等特点，必须根据地质情况和道路设计荷载，对地基进行有效处理和加固，从应用效果来看，堆载预压法是一种较为有效的处理方法。

(2)目前关于软土路基的沉降理论计算和预测方法较多，均有各自优缺点，选择分层总和法和有限差分软件FLAC3D，通过计算结果与实测数据的比较，证明计算结果较为准确，用来计算沉降是切实可行的。

(3)高速公路路堤堆载达到设计标高时，关于路面施工时机即堆载卸载时机的选择，可考虑分段施工，优先进行沉降速率和工后沉降都达到控制标准和路段，然后根据施工进度考虑沉降速率不满足要求路段，最后是沉降速率和剩余沉降均不满足控制标准的路段，以使其沉降有较为充分的发展，最终达到控制工后沉降的目的，保证工程质量。

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