蓟汕高速公路天津段软土路基处理技术研究

2016-11-24刘存豪

城市道桥与防洪 2016年3期

关键词：桥头轻质路堤

苏　勇，周　宁，王　莉，刘存豪

（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市 300074；2.中交三公局第二工程有限公司，北京市 100124）

蓟汕高速公路天津段软土路基处理技术研究

苏勇1，周宁1，王莉1，刘存豪2

（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市 300074；2.中交三公局第二工程有限公司，北京市 100124）

针对蓟汕高速公路天津段软土路基特点，通过软基稳定与沉降计算分析，提出不同工点的软基处理技术方案，并对现浇泡沫轻质土路基进行了研究与应用，有关经验可供相关专业人员参考。

软土路基；高压旋喷桩；现浇泡沫轻质土；高速公路

1　概述

软土路基处理一直是公路建设中的技术难题，软土路基强度低、固结慢、变形大，在软土地基未能很好处理就修筑路堤时，由于强度不足或变形过大将导致地基抗剪强度不够引起路堤侧向整体滑动，边坡外侧土体隆起；人工构造物与路堤衔接处产生差异沉降，引起跳车；路堤的变形将导致路面及构造物的破坏等，给公路的使用及维护带来很大的困难，故如何妥善的进行软土路基的处理是工程成败的关键。

蓟汕高速公路北起京津高速，南接津晋高速，其与京沪高速、滨保高速、京津高速、津晋高速自然围合而成中心城区外围的绕城高速环线，形成中心城区外围的交通保护壳，承担组织进出中心城市的功能，缓解外环线的交通压力；其与津蓟高速、津汕高速连通共同构成天津市域“九横五纵”骨架路网中纵向干路之一，是天津市域范围内的南北向通道的重要组成路段，形成联系天津北部地区、海河中游、南部地区的重要通道。

蓟汕高速公路（京津高速～港城大道）为蓟汕高速公路北段工程，北接京津高速公路、南连港城大道，南北贯穿天津市中心区东部，所经路线涉及北辰区、宁河县、东丽区，见图1。

该段路基在修筑的过程中，必然遇到滨海相沉积物，属于软弱土路基施工。由于本工程质量要求高、工期紧，怎样保证工期、质量并节约项目成本是项目设计及施工需解决的主要问题。对于软土路基的处理方式应该结合实际的情况进行合理选择，软土路基的基本处理方式有很多，如何合理选择并进行组合以达到有效地、经济地实现软土路基的处理是一项十分重要的内容。

图1　工程位置示意图

2　工程地质条件

路线所经地区属于天津东部冲积平原、湖积平原，地势较为平坦，绝大部分地区海拔高度在5 m以下，地下水埋藏较浅，地下水参与了整个成土过程。主要地貌类型有农田、洼地、河道、池塘及沟渠等。场地的地质分层情况如下：

表层为人工填土层，层厚0.20～1.60 m，以黏性土为主，土质不均，结构松散，密实程度差，压缩性高，工程性质差；在沟渠、河道和水塘处分布着厚度不均的淤泥层，含有大量有机质、腐烂质，工程性质极差；

第二层为第Ⅰ陆相河床～河漫滩相沉积层，层厚1.00～3.30 m，中到高压缩性黏性土，该层土分布较为稳定，但层厚较薄，工程性质一般；

第三层为第Ⅰ海相浅海相沉积层，层厚7.00～13.00 m，软～流塑状的粉质黏土层，且局部夹有淤泥质土层，高孔隙比、高压缩性，高灵敏度，承载力基本容许值仅有90 kPa，工程力学性质差；

其下为第Ⅱ、Ⅲ陆相层，主要由黏土、粉质黏土、粉细砂组成，这些土层在水平方向上的分布稳定，黏性土多呈可塑～硬塑状态，中压缩性，砂性土多密实状态，中～低压缩性，工程性质尚好。

另外，本段场地抗震设防烈度为8度，属于抗震不利地段。

3　软土路基稳定沉降计算分析[1-9]

3.1路基稳定计算分析

根据现行《公路路基设计规范》规定，路基稳定系数在考虑地震力情况下不小于1.1。稳定计算采用理正软件“软土路堤、堤坝”模块，选取若干特征点位，对边坡坡率为1∶1.5设计断面的路堤整体稳定性进行验算。

稳定滑动面主要集中在⑥1流塑状粉质粘土层，该层的含水量高，孔隙比大，直接快剪和固结快剪指标均较小，天然地基承载力较低（90 kPa）。

通过稳定计算分析得出：填土高度不大于3.0 m的路堤，其整体稳定性均满足要求；对于局部填土高度大于3.0 m的路堤应通过路堤加筋来增强其稳定性；路线穿越大型水塘及取土坑位置局部填高甚至大于5.0 m，需结合设置反压护道等措施来保证路基稳定。

3.2路基沉降计算分析

根据现行《公路路基设计规范》规定，高速公路路面设计使用年限内（15 a）路基工后沉降标准为：桥头不大于10 cm、涵洞或箱型通道处不大于20 cm、一般路段不大于30 cm。

沉降计算采用理正软件“软土路堤、堤坝”模块，经验系数法，输入e-p压缩曲线。考虑两级加载，0～1月填筑路堤，1～7月欠载预压，7～9月铺筑路面，施工期9个月。

通过沉降计算分析得出：对于一般路段的路基，当路基填土高度小于5.0～6.0 m时，工后沉降基本上满足规范要求（不大于30 cm），因此本次设计一般路段最大填土高度控制在6.0 m以下（主要在大型水塘处），桥头填土高度应控制在5.0～5.5 m，桥头需进行深层复合地基处理方可满足工后沉降要求。故本次深层地基处理集中在桥头两侧，一般路段基本上不需深层地基处理，但对于填土高度较高的路段，应采取措施控制不均匀沉降。

3.3堆载预压的选择

为了减小路基的工后沉降，路基填筑完成后设置6个月预压期，对于是否设置超载土进行预压，进行了相关计算分析，并得出结论：超载预压和欠载预压的工后沉降量相比，一般路基段可以减少2～5 cm，桥头路基段可以减少1～4 cm。考虑本项目土源紧张，外购土单价较高，综合考虑后确定一般路基段采用欠载预压，桥头路基段采用超载预压。

4　桥头深层路基处理桩型的选择

根据勘察报告，浅层特殊性土主要为：①2素填土、⑥1粉质黏土（局部夹有淤泥质土层），粉质黏土层的底板埋深一般不大于14 m。这些土层的工程性质较差，地基承载力较低，含水量较高、孔隙比较大、压缩变形较大，是影响路基稳定、工后沉降与不均匀沉降的控制性土层。根据本地成熟的经验作法并结合工期，针对本工程土层性质，适宜的深层复合地基处理方法主要有：高压旋喷桩、水泥搅拌桩、PC管桩。

水泥搅拌桩施工最简单、技术普及、造价不高，因而在高速公路路基处理中得到了广泛的应用，但受其工艺的影响，桩体强度离散性比较大，桩长不宜超过12 m，在地下水具有腐蚀性的场地其成桩质量较差，因此本次设计从慎重角度考虑不采用水泥搅拌桩；而本工程沿线分布的软弱粘性土土层提供的桩周摩阻力较小，不太适宜采用刚性桩（PC管桩），采用高压旋喷桩处理的复合地基效果要优于PC管桩，并且基于本工程沿线村镇较多，施工作业应尽量减少噪音扰民；并且沿线多处穿越高压电力线，作业空间受限较多，因此本次设计优先推荐采用高压旋喷桩进行深层复合地基处理。

5　不同工点软基处理设计方案

针对桥头路基、原高速两侧帮宽路基、大型水塘及取土坑高填方路基等特殊工点，通过技术经济比较，结合路基稳定及沉降计算分析结论，采取施打高压旋喷桩、路堤加筋、设置反压护道、填土预压等有针对性的路基处置方案，提高地基承载力，保证路基稳定及控制工后沉降。

5.1桥头路基设计方案

桥头两侧地基采用高压旋喷桩处理。根据不同的地质条件和填土高度，处理范围控制在50～60 m。根据工后沉降差变化设置渐变段，渐变段分3个处理区过渡，高压旋喷桩桩长12～16 m，直径0.6 m，采用正三角形布置，间距1.6～2.0 m。通过桩长与桩间距的调整，确保桥头与一般路基间沉降值的均匀过渡。靠近桥头20 m范围内为路基过渡段，填料采用8%石灰土，其余段采用素土或戗灰处理，以实现“由刚到柔，逐级过渡”，控制不均匀沉降，减少桥头跳车的不利影响，见表1及图2。

表1　高压旋喷桩单桩承载力特征值

图2　桥头路基处理图

5.2帮宽路基设计方案

原高速两侧路基帮宽段，为保证施工质量，减小新旧路基的沉降差，在帮宽路基下部采用高压旋喷桩方式处理地基，旋喷桩自边坡开蹬的底部台阶横向外偏移0.5 m处开始布置，并采用8%石灰土填筑路基，边坡分层开蹬，路基较高处外侧设置反压护道，见图3。

图3　帮宽路基处理图

5.3大型水塘及取土坑等高填方路基设计方案

路线多处穿越大型水塘及取土坑，深度3～6m，采用打坝抽水清淤换填的办法进行处理，清淤后于塘底铺设一层钢塑格栅，其上填筑100 cm厚山皮土，然后进行路基填筑，路基填料采用5%石灰土，分层压实填至一般路基处理底部，每层厚度不大于20 cm，并根据不同填土高度在灰土层底部设置1～3层钢塑格栅以增加路基稳定性。为保证路基稳定及纵向边沟的贯通，在路基临水侧设置反压护道，同时在反压护道平台上设置矩形边沟，反压护道平台高度距离水面不小于1 m且利于边沟纵向的连接，平台宽度依据不同填土高度由稳定计算来确定，取值为4～8 m，见图4。

图4　水塘（取土坑）段路基处理图

5.4现浇泡沫轻质土路基

现浇泡沫轻质土是近年来新兴的一种建筑材料，它是用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与必须组分水泥基胶凝材料、水及可选组分集料、掺和料、外加剂按照一定的比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料。在土建工程中也被称为泡沫混凝土、气泡混合轻质土等。

5.4.1现浇泡沫轻质土的主要特点

（1）轻质性：普通混凝土容重25 kN/m3，灰土容重18～20 kN/m3，粉煤灰12～16 kN/m3。现浇泡沫轻质土含有大量独立封闭的气泡，比较其他材料较轻，其容重为3～15 kN/m3范围可调。

（2）容重和强度可调节性：通过调整现浇泡沫轻质土中气泡的含有率，可控制现浇泡沫轻质土干密度在300～1 800 kg/m3之间可调，控制强度在0.3～20 MPa范围内可调（工程中常用0.3～1.5 MPa范围）。

（3）填充自密实性：在泡沫轻质土施工过程中，泡沫轻质土在固化前处于液体，具有高流动性，仅严格按照设计分层厚度进行施工即可。利用其自流平特性，用于空洞及狭小空间填充，可避免常规填料填充不到位不饱满的缺陷。采空洞、岩溶区、建筑基坑、隧道垮塌形成的空洞及地下管线周边空隙，均可采用现浇泡沫轻质土进行回填。浇筑过程中无需振捣，且严禁振捣。

（4）固化后的自立性：现浇泡沫轻质土采用水泥为固化剂，故在水泥终凝后形成超固结状态，固化后具有自立的特性，对其他结构物不产生侧压力。

（5）保温隔热性：现浇泡沫轻质土属于A级不燃材料，且保温效果好；现浇泡沫轻质土的导热系数小，其隔热性能明显，且导热系数随容重的增加而减小。

（6）耐久性：现浇泡沫轻质土属于水泥类材料，使用寿命与水泥混凝土相同，可根据当地地理环境适当参入外加剂，抵抗外界环境腐蚀，同样具备较好的耐久性。

（7）环保性：2015年3月全国“两会”会议上环境保护已做重点明确要求，建筑领域的环境保护措施将更加严格，新型环保产品将替代传统材料登场使用。

现浇泡沫轻质土施工设备采用全封闭式搅拌设备，施工现场无扬尘，对土壤、水、空气等自然环境均无污染。应用于山区陡峭路段的路基填筑过程中，可避免高填高挖等对环境的破坏，对保护自然生态环境保护意义重大。

（8）施工便捷性：现浇泡沫轻质土的制作点与施工现场浇筑点可分离，采用直径10 cm的软管泵送，浇筑点占地面积小，可在狭小空间内施工，施工便捷高效。

5.4.2现浇泡沫轻质土在工程中的主要应用

（1）桥头轻质路基：替代软土地区桥头深层路基处理和石灰土填筑路基，可避免桥台背压实困难，减轻桥头跳车，缩短工期，降低造价。

（2）旧路加宽路基填筑：施工作业面小，不需施工便道，几乎不需额外征地，减少了新旧路基之间的差异沉降，并可取消深层路基处理，节省造价。

（3）桥梁减跨：因为轻质土具有自立性和轻质性，可用高路基替代桥跨，大幅节省造价。

（4）大跨度结构工程覆土减荷：因轻质性，在增加厚度的同时可以减轻施加到结构上的荷载，在地铁等工程中应用广泛。

（5）狭小空间的回填：岩溶区、采空区、管道回填等部位，因轻质土重量轻、不需压实、作业面小、施工快速，可替代传统材料填充狭小隐藏空间。

（6）山区陡峭路段路基填筑：降低荷重，减少路基自身的滑动力距，提高路基的抗滑稳定性；可垂直填筑，支护简便，可优化半填半挖路基选线，避免高填带来的稳定性问题及大量占用土地资源的弊端，以及高挖带来的高边坡支护代价及对环境的破坏问题。

5.4.3现浇泡沫轻质土的应用

现浇泡沫轻质土在工程中有着广阔的应用前景，在本高速项目中，选取一处桥头点位尝试运用该工艺。

本工程中，规划主干路一分离式立体交叉桥跨越大片水塘，桥台离水塘最近处只有10 m，且离赵温庄很近，最近处只有30多米，桥头下存在较厚的软弱粘性土，针对该桥头点位，我们分别采用两种路基方案进行详细技术经济比较：

方案一：桥头高压旋喷桩进行软基处理，石灰土或素土填筑路基桥头处理范围控制在50 m。根据工后沉降差变化设置渐变段，渐变段分3个处理区过渡，通过桩长与桩间距的调整，确保桥头与一般路基间沉降值的均匀过渡。靠近桥头20 m范围内为路基过渡段，填料采用8%石灰土，其余段采用素土或戗灰处理。因临近大型水塘，桥台前锥坡下增设三排桩，见图5。