沪宁高速公路江苏段软土地基综合处理技术研究和实践

沪宁高速公路江苏段软土地基综合处理技术研究和实践蔡家范柯弘生徐泽中张诚厚【江苏省高速公路建设指挥部南京210001】摘要：本文着重介绍了依据试验路段和评估的成果，运用更切实际的沉降计算方法，优化软基处理，优化路基施工，用动态控制法确定铺筑路面的时间，科学安排施工，有效的减少工后沉降，使全线软基路段满足设计稳定要求，达到了缩短工期、提高工程质量之目的，为全线一次建成和提前通车提供了保证，并取得节省工程费5000万元的经济效益。关键词：沉降压缩超固结1概述沪宁高速公路横贯经济发达的长江三角洲地区，连接南京、镇江、常州、无锡、苏州和上海六个大中城市，全长274.08km，江苏段248.21km，属国家重点工程，江苏省列为“第一位工程”。沿线大部分地区为河相、海相冲积平原，分布有大量的淤泥质粘土，地质情况复杂，有软土的地段长约92.29km，主要分布在苏州至丹阳地区内(A至E五个大标段)。沿线软土层厚薄不均，最厚大于30m，一般在6～15m，占A至E标段长度的48%，占江苏段全长的37.2%。是目前全国建成的高速公路中，软土地基线路最长的一条。全线平均填土高度3.7m，最高达10m以上，设计估算最大沉降量达150cm，一般在35～60cm。高速公路对地基要求甚高，在使用年限内国内外一般规定路面的工后沉降量应控制小于30cm，桥头路堤应小于10cm。80年代，中日合作对沪宁高速公路进行可行性研究，所提出的报告针对全线软基分布广、路堤高给工程带来的问题将是沉降及固结速度问题。建议对路面实施分期铺筑，以实现最后铺筑正式路面时，能满足允许工后沉降量的要求。为此，江苏省高速公路建设指挥部特拟订了《沪宁高速公路软基综合处理技术研究》项目分别与河海大学、南京水利科学研究院土工所合作，以便达到验证、完善设计、指导施工、提高工程质量之目的。2全线软土的工程特性2.1基本情况全线土层主要为亚粘土层，淤泥质粘性土层，亚砂土层，粘土层和粉砂层等层组成。表1列出A至E五个大标段代表性土层分层钻孔资料，可见各标段软土位置及厚度变化规律：其中A标的最大含水量超过50%，淤泥质土层出现在深度30m左右范围内；B标的含水量大多小于35%，几乎没有淤泥质土；C标最大含水量达60%～70%，淤泥质土大多在表层2m以下20m范围内；D标含水量大多小于45%，淤泥质土在表层5～12m深度内；E标土层中含多层粉土间夹薄淤泥质土层，其中薄层淤泥质土含水量一般在30%～40%。根据沪宁高速公路软土段1400多个稠度资料分析，以孔隙比大于1.0的淤泥质粘土层为多，孔隙比大于1.3的软土极少。按塑性图分类定性判别，则大多数属中压缩性土。若采用蝶式仪测定液限时，有一些淤泥质土则属一般粘土。若按压缩系数分类，大部分是中等压缩性，av1—2小于5×10—4kPa—1。A、C标有少数土样为高压缩性土，av1—2大于5×10—4kPa—1。D标有少量土样为高压缩性土。A—E标软土位置及厚度变化类型表12.2地基上部土层的超固结特性在评估工作中，通过对设计单位钻探试验成果的再分析，并在A、B、C、D四大标段又选择8个断面补充钻探孔和室内试验，发现沿线地基土上部土层中的先期固结压力Pc′值大于覆盖压力，处于超固结状态，其程度由东向西逐渐增强，深度从7m至15～20m。超固结比的总趋势是由上向下逐渐减小。A、B、C、D四个标段的OCR＞1的深度见表2所列。表2标段ABCD1—6Pc＞P0的深度(m)202010—2015根据原位十字板剪力试验和室内触探试验所测不排水强度Cu与有效上覆土重应力Po的比值，即Cu/Po＞0.2的深度判别，再次证明，上部土层都具有超固结特性，深度与室内高压固结试验确定的相近。2.3软土固结特性沪宁高速公路沿线的土层，呈成层地基，且大部分存在粉质土层，厚度从数厘米至十几米。特别是B、E、D三段粉质土层分布广且厚，计算分析表明，透水性强的砂性土不但自身压缩量小，压缩稳定快，即使是薄砂层也是较好的排水层，具体设计中，对Ip＜7，颗粒级配中粘粒含量又小于10%的土层视为相对排水层。3路基的沉降估算3.1最终沉降量估算通过全线软土地基的特征段，用av1-2、e-lgp’及非线性有限元引入比奥固结理论三种不同方法对比发现，单纯从理论上用沉降估算方法，难以满足工程精度要求。为此，我们在不同标段，选择了不同软土特征断面，不同填筑高度，用等载土模拟填筑荷载，实测其沉降过程线和推算最终总沉降量与估算对比得到合适的经验修正系数Ms见表3。S总=Ms×S总(av1-2)式中：S总(av1-2)—应用av1-2参数估得最终沉降量；Ms—修正系数，堤高2.9～4.0m取0.8～1.0；堤高4.0m以上取0.75～1.40。表3标段位置堤高(m)处理方法超固结深度(m)(1)aV1-2(mm)(2)推算最终沉降值(mm)Ms=(1)/(2)AK4+4502.86沙垫层74503620.8K2+9004.37沙垫层55106891.33BK48+4003.66预压法15284284.51.0K67+3104.59预压法15321379.21.18CK110+3006.5沙垫层207109141.29K104+4604.8预压法202902951.02DK119+8004.2沙垫层224053050.75K150+2007.3沙垫层223184361.40EK177+6806.32沙垫层204202840.68至于压缩层厚度Zn，考虑到沪宁高速公路沿线土层属成层地基，软弱土层又分布在不同深度，且大都夹有砂质土层，为安全计，建议按地基附加应力△P小于0.2倍自重应力Po确定压缩层Zn的深度。若计算深度Zn以下还存在软土时，应继续计算直至地基附加应力△P小于0.1倍的自重应力Po为止。3.2固结计算软土层承受荷载后，随时间逐渐固结，而固结计算的目的，是为确定任一时刻土体的固结度和该时刻的沉降量，对不作处理的地基，其固结度的计算根据太沙基的单向固结理论假定土为均质的。实践证明计算值与实测值误差较大，目前还只能靠现场观测来修正确定。4软基处理的试验与改进4.1软基处理的判断方法的改进4.1.1在复核软基沉降时采用了以钻孔为单位，孔隙比为基本参数的统计计算指标方法取代以土层为单位，沿公路纵向分段统计计算指标的方法，缩小了计算误差及软基处理的规模。4.1.2在复核沉降量时采用了能考虑超固结土压缩特性和估计软土中侧向变形对垂直沉降影响的分层总和法取代100～200kPa压力范围的压缩系数法。使沉降量估算更符合实际。4.1.3原设计是根据总沉降量大小作为何种地基处理的依据，这样做的结果，忽略了沪宁高速公路沿线土层属成层地基，尤其粉质土层对加速软土固结的影响，因此，改为以工后沉降量为标准，来确定和判定软基是否需要进行处理，或采用何种处理措施的依据。4.2软基处理的优化4.2.1以30cm厚砂性垫层材料和一层有纺土工布取代50cm厚砂垫层。4.2.2只要施工条件许可，排水板间距的减小对固结度的增长影响甚微。因之，若有半年以上的预压期，由1.0m适当加大排水板间距至2.0m，不会明显影响施工后沉降量，也可减少施工扰动。4.2.3对桥头遇到桥台施工与台后填土的安排发生矛盾时，为保证工期，在一些软土路基的高填土部分改用粉体搅拌桩处理，以减小软土侧向变形对桥台的影响。优化变更后的软基处理方案，已简化为以堆载预压法为主(约占软基段总长72%)，砂垫层和等、超方案，的载配以少量塑排水板预压及极少数桥头部位的粉喷桩处理方案。通过施工实施证明，变更优化的软基处理方案，更加符合沪宁高速公路软基沉降与稳定的实际变化规律，技术上更趋可行，经济上更趋合理，同时也考虑到工期、工艺配合与衔接。5铺筑路面时间的动态控制确定路面施工后的工后沉降必须准确掌握“最终沉降量”和已发生的沉降量，由于最终沉降量估算值的误差很大，而且包括路面全荷载在内的实测沉降过程线，是在铺筑完成路面以后才能测出，难以在路面全荷载发生前准确预估，如不能正确预估路面施工后的工后沉降，不是把路基预压时间拖得过长，延误工期，就是在路基未及稳定时铺设路面，路面下沉后，要用昂贵的路面材料，加大面层厚度，弥补过大的沉降，为确保工后沉降的标准，确定填筑路面的时间，制定施工控制条件，我们选择了不同软土特征断面，不同填筑高度的路段，用等载土模拟路面荷载，实测其沉降过程线，与一般堆载路线规律对比，在分析了大量的现场实测沉降曲线基础上，推算满足工后沉降时对应的沉降速率值作为施工控制条件，它考虑到荷载、地质和处理方法的不同，所带来的复杂影响，选定95区顶面按0.5cm/月；路面结构各特征层按0.3cm/月实施动态控制。上述沉降稳定动态控制法，其实质是用已发生并实测到的沉降速率来判断路堤沉降的稳定状况，控制路面铺筑时间，使路面完工后，其工后沉降达到高速公路质量标准见表4。表4标段观测点总数(个)0～3mm/月3～5mm/月5～7mm/月7～10mm/月10～14mm/月14～18mm/月点%点%点%点%点%点%ABCDEΣ22515911412775700216156109120726739698.1095.6094.509696.1443373201.771.882.605.542.85001001000.8001010020.400.8003000031.200001000010.400006结束语概括起来有下述几点认识和结论：(1)深入分析了沪宁高速公路软土基本特征。地基主要是一般粘性土和粉土组成，天然含水量大多在20%～40%之间，少数高于40%，为淤泥质土，按国家标准分类为低液粘土或低液限粉土。压缩性中等，只有少数属高压缩性。(2)沪宁高速公路东段软粘土层处于超固结状态。其程度由东向西逐渐增强。并经高压固结试验测得的先期固结压力和原位十字板剪力试验、室内触探试验测得的不排水强度与有效覆土重应力的比值判别所证实。超固结比由上向下减小，深度达10～20m。(3)截止1996年8月底路面施工完成后，全线软基实测沉降速率在0～3mm/月，平均已达96%以上。图1为典型沉降过程线。图1BK60+472测点地基沉降实测曲线(4)在不同的地质条件、外荷条件下因地制宜采用经优化的软基处理方法取得良好成效：利用路堤堆载或等载预压是最经济处理方案。结合沪宁高速公路软土性质，又普遍存在粉砂夹层，对中、低路堤的加固效果实在、消除工后沉降作用明显。排水固结辅以等载或超载预压法对高含水量、高压缩性、低强度软土是经济合理的有效加固措施。可取得良好效果。在有薄砂层的条件下塑料排水板可适当加大间距至2m。粉体搅拌桩加固法具有能减少桩身范围的沉降量、抗侧向变形能力强和加快工期等优点，但价格较高。在未能穿透软土层的条件下，其优点受到一定限制。结合土工织物的砂垫层不仅能起到排水固结界面作用，还能有助于减少总沉降量、防止泥污染，使沉降较均匀。采用土工布的砂垫层厚度可由50cm减薄至30cm；砂料可用渗透系数大于地基土2个数量级的透水性材料替代。(5)施工沉降观测实测资料和非线性有限元计算成果都表明，以太沙基一维固结理论为基础的固结计算时间所确定的预压期偏保守，应通过施工现场观测加以修正后，再决定路面铺设时间。(6)沪宁高速公路实施中，采用了各种有效减小总沉降量，并使总沉降量消除在施工期内，取得了明显效果。特别是通过施工沉降观测，以0.3～0.5cm/月沉降速率，作为判别稳定标准的动态控制来确定各层路面铺设时间，是合适的、安全的。(7)在沪宁高速公路软基研究与实施中，探索出一套从典型路段试验路、软基设计评估开始，优化与改进软基处理方法，到施工沉降观测，采用动态控制法确定铺筑路面时间的沉降控制方法，是科学试验与工程实施密切结合的结果，达到了解决工程重大技术难关的目的。(8)通过三年多来的实施和现场观测判断，全线的软基路段和桥头部位均能满足设计规定的允许工后沉降量的要求，达到了加快、简化施工、节省投资和提高工程质量，实现路面铺筑一次获得成功之目的，为缩短施工周期和确保提前竣工提供保证。按初步分析计算，节省5187余万元工程费用的直