高速公路软基处理的沉降分析

2018-01-24梁建全

山西建筑 2018年2期

梁建全

1 工程概况

广东某高速公路13合同段为软基处理路段，软基处理长度约5 000 m。该路段地处榕江冲积平原，广泛分布有淤泥，淤泥层厚3 m～18 m。淤泥的物理力学性质很差，平均天然含水量91%，孔隙比2.51，属高压缩性、低强度和低渗透性超软弱粘土。在填土和道路荷载作用下，淤泥层会发生很大的沉降变形并将延续很长时间，对道路的正常使用产生不良影响。因此，必须对道路范围的软土层进行处理。

本路段的软基处理设计主要采用袋装砂井排水固结堆载预压方法，砂井间距0.9 m～1.5 m，正三角形布置，要求打穿软土层进入下卧砂层或亚粘土层。堆填方式一般为等载预压，局部软土层厚的路段为超载预压。本路段于三月份基本完成袋装砂井施工，目前路基填土已填筑了2 m～3 m，部分路段已接近设计标高。

工后沉降是控制软土地区高速公路质量的重要指标。本路段淤泥层较厚，性质极差，路基的沉降和工后沉降都会较大，因此有必要提出，根据最新补勘的地质资料和现场实测结果，对本路段的软基工况条件进行细致的研究分析。

2 分析理论

2.1 工后沉降

永久荷载下，软基的总沉降为瞬时沉降Sd、固结沉降Sc和次固结沉降Sa之和：

S=Sd+Sc+Sα

(1)

在填筑及预压期间完成的沉降为：

S=Sd+St

(2)

其中，St为卸除预压填土荷载时，软基已完成的固结沉降(下称完成沉降)。由此，路基的工后沉降Sh为：

Sh=(Sc-St)+Sα

(3)

根据粘土的变形特性，当完成沉降St大于固结沉降Sc时，路基的工后沉降等于次固结沉降：Sh=Sa。

2.2 次固结沉降

软土的次固结沉降为：

(4)

其中，C为次固结系数；H0为软土层厚；e0为初始孔隙比；t0为主固结基本完成所需时间，约1年；t为道路设计使用寿命，取30年。

参照深圳软土的研究成果和其他研究成果，软土的次固结系数可根据压缩指数估算：

Cα=0.02Cc

(5)

2.3 几点说明

1)为简化起见，本报告的固结与沉降计算采用相关的一维理论。路基是平面应变课题，用一维理论分析二维的平面问题会有一定误差。这些误差主要表现在瞬时沉降和固结速率上。瞬时沉降是在填土加载的初期主要因剪切变形而产生，路堤的瞬时沉降要比一维的瞬时沉降大。因瞬时沉降不影响工后沉降，其误差不会影响工后沉降的分析结果。用一维固结理论计算得到的固结速率比路堤的慢些，得到的结果是偏于保守的。

2)进行沉降计算时，没有考虑地面荷载在软土层中的扩散作用。这样做的原因有：

a.路堤较宽，顶部有26 m、底部40 m～50 m，而淤泥层并不厚，大多在7 m～8 m，故在道路中心带范围内淤泥层的荷载扩散是不大的。

b.不考虑荷载扩散计算得到的沉降量偏大，即结果是偏于保守的。

3)已考虑因地面下沉增加填土所产生的荷载。

4)仅考虑淤泥和淤泥质土的沉降和固结计算，其他土层的固结沉降对路基的工后沉降影响不大，未做考虑。

5)参照汕芬高速软基实测结果，软土的固结沉降为理论计算值乘上系数1.1。

3 容许工后沉降与等载预压

根据规范要求，桥头路段的容许工后沉降为100 mm、箱涵路段为200 mm、一般路段为300 mm。等载对应的填土高度除了考虑路堤设计高度，还要考虑路面结构层与填土的容重之差。路面结构层和堆载填土的容重分别按24 kN/m3和18 kN/m3计，60 cm路面结构层对应的填土高度为80 cm。

4 工况条件与计算参数

4.1 计算参数

淤泥：e=2.37,r=15.0 kN/m3,Cc=0.89,基本处于正常固结状态，Cv=Ch=4×10-4cm2/s。

淤泥质土：e=1.32,r=17.0 kN/m3,Cc=0.50,Cv=Ch=7.5×10-4cm2/s。

亚粘土：e=1.254,r=16.6 kN/m3,av=0.819。

填土：r=18.0 kN/m3。

路面结构层：H=0.6 m，r=24.0 kN/m3。

地下水位：原地面标高下0 m～0.5 m。

淤泥层和淤泥质土层厚根据相应的钻孔资料确定。

淤泥次固结系数：参照深圳淤泥研究结果，取C=0.017。

4.2 工况条件

本合同段下卧软基可分为两种情况：

1)亚粘土层(0.5 m～2.5 m)+淤泥层(3 m～10 m)+亚粘土或砾砂层；2)亚粘土层(0.5 m～2.5 m)+淤泥层(3 m～10 m)+亚粘土或砾砂层+淤泥质粘土(2 m～7 m)。

采用袋装砂井处理上述软基，砂井成正三角形布置，砂井间距0.9 m～1.4 m。砂井均要求打穿淤泥层或淤泥质土层。工作砂垫层0.5 m，打设砂井后再铺填0.8 m渗透性良好的砂性土。路基土设计填筑高度3.7 m～7.4 m。根据填土厚度和软土厚度，设置有1层～3层土工格栅。

路基土填筑时间3个月～5个月，当量时间以45 d计。满载预压时间8个月～12个月。

5 分析结果

典型路段的工后沉降分析结果汇总于表1，榕江北河大桥南桥台路段的工后沉降达21.2 cm，超出规范10 cm的要求，其他桥头路段基本满足规范要求。其他路段则有K3+750～K4+100和K7+120～K7+446两段的工后沉降较大，分别为26.5 cm和38.4 cm，超出20 cm的规范要求。

表1 典型路段软基工后沉降分析结果汇总表

对照不同砂井间距的分析结果可知，砂井间距对软基的固结沉降速率影响很大。对于1.4 m的砂井间距，经200多天预压后的固结度也只有82.7%，而0.9 m间距的路段在填筑结束时的固结度已有60%，预压结束时则达98%以上。采用0.9 m～1.0 m间距的路段，工后沉降可满足相关的设计要求。

对工后沉降不满足规范要求的三个路段K3+750～K4+100,K7+060～K7+120和K7+120～K7+446，若增加适当预压土，其工后沉降也可满足相关要求，见表2。对路段K7+120～K7+446，如果满载预压时间可延长至11个月，则只需超填1 m预压土即可。

表2 超载分析结果表

6 建议预压方案

6.1 控制工后沉降的方法

在相关工况条件下，固结沉降Sc和次固结沉降Sa为常数。式(3)表明，要减少路基的工后沉降，需要设法提高在施工预压期间发生的沉降St。提高St可通过调整袋装砂井间距、增加预压土高度和延长预压土作用时间来实现。对于本路段，砂井已施工，工期也已确定，唯一可以改变的是预压土高度。因此，只能通过增加预压荷载来减少工后沉降。