高速公路软基技术分析论文

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摘要：本文以上海建成的几条高速公路软基处理及沉降观测资料为基础，分析指出地基处理不可能消除工后沉降，选择地基处理方法应与地基条件、路堤高度相结合，不同处理方法均需足够的预压，地基沉降规律较符合双曲线关系，工后沉降引起横坡改变，加筋土桥台是消除“三孔”跳车现象的有效方法。

关键词：高速公路软土地箕处理技术

1上海高速公路软基处理发展过程概述

上海地区高路堤软基处理的主要目的是减少高路堤工后沉降量，路堤稳定性是地基处理的重点。

1984年上海第一条高速公路——沪嘉高速公路开始修建，至今已有莘松、沪嘉东延伸段、沪宁及沪杭等高速公路相继建成或处于工程建设之中。表1列出了各条高速公路的最大路堤高度与局部路段曾使用的地基处理方法。

上海高速公路建设情况一览表表1

工程名称

长度

(km)

最大高度

(m)

平均高度

(m)

建设期

地基处理

备注

沪嘉

15.6

4.5

2.7

1984.4～

1988.10

粉煤灰填筑砂井堆载预压

多数欠载，部分试验路超载

莘松

20.59

7.5

3

1985.10～

1990.12

粉煤灰路堤砂井塑料排水板

等载为主

沪嘉东

延伸段

5

8.9

3

1992.2～

1993.12

粉煤灰路堤不处理超载，粉喷桩

粉喷桩为欠载预压

沪宁

(上海段)

26

7.5

4.3

1993.8～

1996.10

粉煤灰路堤粉喷桩，钢渣桩

粉喷桩主要是欠载

沪杭

(上海段)

26

7.5

4

1996.8～

1998.10

粉煤灰路堤塑料排水板，粉喷桩，钢渣桩

1984年沪嘉高速公路主要采用袋装砂井，最大路堤高度控制在4.5m以下，在部分试验段进行了超载预压，多数路段为欠载预压，且预压时间不足。试验路还进行不同砂井间距的对比，在不同间距砂井处理段之间设过渡段。有些路堤采用粉煤灰，约减少了路堤自重1/4。1985年莘松高速公路仍采用袋装砂井处理，同时进行了塑料排水板试验，在堆载方面强调等载预压的技术措施。新桥立交采用全粉煤灰路堤试验，地基采用砂井处理，最大路堤高度达7.5m。1992年沪嘉高速公路东延伸段大规模采用粉煤灰路堤，地基用粉喷桩处理，最大路堤高度达8.9m；此外还进行了不处理地基条件下的超载预压试验；为解决“三孔”跳车，首次试用加筋土桥台，以期保证桥台与路基的同步沉降，减少差异沉降。1993年沪嘉高速公路上海段地基主要采用粉喷桩处理，并对钢渣桩进行了试验。1996年沪杭高速公路动工修建，在地基处理方面总结以往经验。根据软土层厚度分别采用塑料排水板、粉喷桩、钢渣桩等处理技术，并进一步使用超载预压，采取综合处理，因地制宜的技术方案。

2上海软土地基特性

上海的地基主要为沿海软土层。从高路堤的工程特性来看，影响沉降量及工后沉降的主要土层为：褐黄色粉质粘土②(俗称“硬壳层”)，淤泥质土③④，暗绿色粉质粘土⑥等。根据该三类土层的分布及厚度，上海的地基土主要分两大类：一类地基“硬壳层”厚度一般在2～3m左右，淤泥质土厚度达10m以上，暗绿色土层埋藏较深或缺失，该类地基采用砂井等竖向排水固结法或粉喷桩法无法打穿淤泥质土层，地基土的压缩变形量大；另一类地基“硬壳层”一般或较厚，淤泥质土层不厚，暗绿色土层埋深浅，该类地基可采用打穿软土层的处理工艺，地基土的变形量较小。根据上海几条高速公路的地质资料绘制而成，可以看出上海地基土的厚度存在较大的差异。表2为三类土的主,要物理力学指标。

上海地基土主要土层物理力学指标表2

符



号

土名

孔隙比

e

天然含

水量%

塑性

指数

lp

液性

指数

lL

压缩

系数

压缩

模量

KPa

天然

密度

抗剪强度

(固快)

容许

承载力

kPa

ф

CkPa

②

褐黄

色硬

壳层

0.9～

1.06

26.5

～38

7～

16

0.6～

1.1

0.14～

0.33

4～6

18.5

20～

27

11～

22

100～

110

③

灰色

淤泥

质粉

粘土

0.96

～1.3

40.6

～49

14～

15

1.5～

1.67

0.62～

0.88

2.5～

3.1

17～

17.6

15～

17

13

60～

80

④

灰色

淤泥

质粘

土

1.2～

1.45

40～

60

11

1.89

0.68

2.5～

2.9

17.5

15～

17

13

60～

80

⑥

暗绿

色粉

粘土

2～

3.5

24.1

12.7

0.44

0.22

6.5～

7.4

19.7

～2.0

16

53

185

3高路堤软基处理总体评述

3.1软基处理不能完全消除工后沉降

在目前有限的施工期内，堆载时间不可能很长，要通过地基处理来完全消除工后沉降是不现实的，工后修补不可避免。

高路堤软基处理不能完全消除工后沉降包括两层含义：一是工后沉降不可能为零；一是工后沉降不能满足地基处理设计的控制标准。上海地区高速公路工后沉降控制指标为：路桥连接段高路堤控制工后沉降为10cm，结构物之间的高路堤段控制工后沉降为30cm。根据上海沪嘉、莘松及沪嘉东延伸段几条高速公路建成通车后3.5～8年内高路堤的沉降观测资料，工后沉降量基本都超过10cm，最大的工后沉降超过50cm，砂井打穿软土层，工后沉降满足10cm。表3列出部分路段的工后沉降观测结果。

上海高速公路段工后沉降量表3

沪嘉

莘松

沪嘉东延伸段

位置

1+

030

1+486

1+541

4+465

新桥

立交

通波

塘桥

六磊

塘桥

庙塘

桥

0+400

0+550

0+938

1+190

时

间

范

围

88.10

96.12

88.10

96.12

88.10

96.12

88.10

96.12

90.12

93.6

90.12

93.6

90.12

93.6

90.12

93.6

93.12

94.10

93.12

94.10

93.12

94.10

93.12

94.10

路

堤

高

m

3.37

3.22

3.22

3.67

7.56

4.3

4.2

3

8.6

6.2

4.1

4.5

沉

降

cm

4

8.6

16.6

28

＞24

＞14

＞19

＞16

22

17

3

5

地

基

处

理

砂井

超载

打穿

天然

粉煤灰

等载

天然

粉煤灰

等载

砂井

填浜

未打穿

粉煤

灰

砂井

未打穿

粉煤灰

粉喷桩

未打穿

粉煤灰

粉喷桩

未打穿

粉煤灰

超载

粉煤灰

超载

从上海高速公路建成以来历年不断修补的事实来看，沪嘉自通车第一年就进行桥头沉降处理，连续4年以上，每年进行修补；莘松自通车后第二年也开始桥头沉降处理，到1993年，部分桥头已进行过二次处理，1993年6月以后，开始对几座沉降较大的桥接坡进行罩面处理；沪嘉东延伸段工程通车不到一年的时间内就对祁连山高架路堤接坡进行了修补，通车三年内先后对其它两座桥接坡进行了罩面处理。通车5年后，路堤沉降基本稳定。

这说明，采用地基处理后不可能消除工后沉降，工后修补不可避免。

3.2选择软基处理方法应与路堤高度、地基条件相结合

十多年来，上海先后进行过袋装砂井、塑料排水板、粉喷桩、钢渣桩及超载预压等地基处理方法的实际工程应用，从减少工后沉降的实践来看，各种软基处理方法在不同的路堤高度，不同的地基条件下，减少工后沉降的实际作用差异较大，具体表现为：

(1)同一种方法在某一路堤高度范围内效果较佳；

(2)路堤高度不同，处理方法的效果相比较存在差异；

(3)地基条件不同，不同处理方法的效果也存在差异。

莘松、沪嘉及沪嘉东延伸段路堤工后沉降高度的散点关系。莘松高速公路自松江立交至新桥立交范围内路堤高度多大于3m，最大路堤高度达7.65m，多数桥接坡采用砂井处理，工后沉降基本与路堤高度成比例：沪嘉高速公路自祁连山路至南翔段路堤高度在2～4m之间，部分路段桥接坡采用砂井处理，从总体上看，工后沉降与路堤高度成比例增加，个别情况路堤接近4m而工后沉降小于10cm，路堤高度只有2m而工后沉降大于10cm；沪嘉东延伸段为粉喷桩加固地基，在路堤高度大于4m的情况下，工后沉降与高度成比例，且都大于10cm。这说明不同地基处理方法的技术效果与路堤高度有关，还可以看出，当路堤高度达到4～5m以上时，选用砂井与选用粉喷桩的处理效果相差不多。

沪嘉与莘松的地质条件也有较大差别。沪嘉在近祁连山及桃浦路段，软土层厚度在10m左右，14m深可见暗绿色土层，该路段砂井打穿软土层，因而工后沉降较小，3.3m高度土路堤在工后2年内沉降小于5cm；莘松高速公路近松江段软土层厚度达15～20m，采用砂井处理的路段一般经过一年半的等载预压，不少3m以下路段工后一年半的沉降达10cm；沪嘉东延伸段软土层厚度10～15m，暗绿色土层缺失，粉喷桩处理工后沉降超过10cm。这表明，在地基条件较好时，可选用砂井或粉喷桩等打穿软土层的处理方法，而软土层厚度大时，可采用较经济的砂井、预压处理方法。

3.3软基处理需要足够的预压荷载和预压期

众所周知，天然地基与砂井需要一定的预压荷载和预压期。对粉喷桩、钢渣桩这一类柔性桩是否也需要预压荷载与预压期尚需论证。根据沪嘉东延伸段与沪宁高速公路的应用结果，粉喷桩处理地基仍需要一定的预压期。

预压荷载分超载、等载与欠载三种类型。超载预压是减少工后沉降的有效方法，对于天然地基及砂井处理地基，应尽可能采用超载或等载预压形式。在沪嘉高速公路修建时，不少路段因工期紧，预压荷载达不到等载要求，因而工后沉降较大，即使某些2.5m以下高度路堤也不例外；莘松高速公路普遍采用等载预压，预压期保持1年以上，因而工后的沉降量相对沪嘉而言要小，个别路段因预压期不够，工后沉降较大；沪嘉东延伸段工程对4～4.5m高度粉煤灰路堤采用超载预压，预压时间为9个月，工后一年半的沉降量小于5cm，张泾河桥与桃浦河桥两侧桥接坡路堤由于预压时间短，工后沉降达10cm。对于粉喷桩处理软基，较普遍的观点是沉降能很快稳定，预压荷载不强调等载或超载。然而在沪嘉东延伸段工程中，粉喷桩段路堤荷载采用欠载预压，预压时间仅4个月，4.2m高粉煤灰路堤工后一年半沉降达15cm。可见，无论是砂井处理或者粉喷桩处理，保持等载是必要的。

预压期的确定比较复杂，一方面要考虑工后沉降技术标准，另一方面又要现实地考虑工期太长，确定施工期沉降稳定的标准非常必要。从高速公路建设的实际情况看，沪嘉高速公路建设期3.5～4年，路堤预压期3个月到2.5年；莘松高速公路建设期5年多，路堤预压期为一般在14个月；沪嘉东延伸段工程建设期2年，路堤预压期4～9个月；沪宁高速公路工程建设期3.5年，路堤预压期6～9个月，究竟预压多少时间较为合理呢?下面就等载预压作一简要分析。

当地基处理方式选定之后，地基的沉降规律就基本确定。比如，当砂井的间距、长度、直径、地基土类型选定后，地基固结规律就已确定，固结度仅与时间有关。表4中列出沪嘉、莘松等部分路段不同预压时间的固结度、沉降速率及工后沉降，可以看出，当预压时间达6个月时，沉降速率为0.35～1.61mm/d，工后沉降为17.8～62cm；当预压时间达12个月时，沉降速率为0.2～0.53mm/d，工后沉降为13～29.3cm；当预压时间达18个月时，沉降速率为0.11～0.32mm/d，工后沉降为8.5～22cm。要使工后沉降达到10cm的控制标准，预压期需要2年以上，在路堤大于6m或地质条件差的路段预压时间需2.5～3年。从沉降过程看，当路堤超过临界高度时，沉降速率逐渐增大，满载预压一段时间后，沉降速率逐渐减小，沉降曲线上一般存在一个拐点，拐点之前，增加单位预压时间减少的工后沉降量很大，拐点之后沉降速率逐渐变小，增加单位预压时间减少的工后沉降量逐渐减小，因此预压时间至少应超过拐点。拐点实际上是沉降速率变化最大的位置，部分路段拐点时间见表4。达到拐点的时间一般要4～13个月，地质条件好，达到拐点时间短，反之则长。

不同预压时间的沉降速率及工后沉降量表4

沪嘉

莘松

沪宁

位

置

1+030

1+541

1+330

1+360

19+735

20+520

19+600

路

堤

高

m

3.37

3.22

4

4

4.2

7.4

6.7

沉降

速率

工后

沉降

沉降

速率

工后

沉降

沉降

速率

工后

沉降

沉降

速率

工后

沉降

沉降

速率

工后

沉降

沉降

速率

工后

沉降

沉降

速率

工后

沉降

6

个

月

0.61

18.4

0.44

17.8

1.8

51

1.61

62

0.35

19.3

0.81

55.4

0.5

33

12

个

月

0.29

13.3

0.20

13

0.5

25

0.53

29.3

0.2

15.3

0.35

29

0.35

24

18

个

月

0.14

8.3

0.11

8.5

0.3

18.6

0.3

22.2

0.18

13.2

0.20

19.4

0.32

19

拐

点

6

9

13

13

5

4

5

地

基

处

理

砂井超

载打穿

天然

粉煤灰

等载砂

井未打穿

等载砂井

未打穿

欠载粉煤

灰粉喷桩

5m未穿表

层11m硬土

欠载粉煤

灰粉喷桩

0m未穿表

层10m硬土

天然地基

注：①沉降速率单位，mm/d。②工后沉降单位，cm。③拐点为满载后月份。

由此来看，要使工后沉降量满足或接近10cm的标准，等载预压1.5年是完全必要的，在地基条件较差或路堤高度较低(小于3m)时，预压时间可减少为1年，而地基条件较差或路堤高度较高(大于6m)时，预压时间应增加到2年以上。按沉降速率达到0.1～0.2mm/d作为路堤稳定和施工面层的依据是符合地基沉降规律的。在等载预压条件下，工后沉降达到10cm的控制标准也是可能的。争取合理的工期，予以合理的施工组织，确保必要的预压期，是降低工后沉降最经济的措施，

3.4桥头接坡软基处理长度应与路堤高度、地基条件及工后沉降相结合

桥接坡软基处理长度取多少，没有一个明确的选择标准，多数路段以处理50m作为标准。从理论上讲，软基的纵向处理长度首先应保证减少工后沉降的需要，其次要确保道路纵向线形的流畅。从实际情况来看，桥接坡路堤预压期普遍较短，工后纵向沉降造成桥接坡段路面产生一个凹槽段，其纵向长度一般在30～50m，在路堤高度大于5m时，影响长度可达80m，尽管产生这一现象的原因较多，但凹槽段的长度与形状变化不大，产生最大沉降处一般距离桥台10～15m，在搭板的端部存在较大的折点。从工后加罩改善路面线形的实践来看，工后沉降较小的桥接坡罩面长度在20～30m左右，工后沉降在10～20cm范围内的桥接坡罩面长度50～60cm左右，工后沉降超过20cm的桥接坡罩面长度在80～100m不等。由此看来，桥头接坡段软基处理的长度也应按路堤高度、地基条件及工后沉降等因素综合考虑，一般路段路堤高度在5m以下时取50m还是较为合理的。

桥头接坡段软基处理是否有必要设置长度渐变或间距渐变的过渡形式，应根据地质条件来定。对于软土较厚的地基，工后沉降较大，有无过渡段不会反应在路面线形的变化，而对于处理深度能打穿软土层，工后沉降较小的情况，有必要设过渡段。事实上当路堤达到一定高度后整体刚度较大，地基条件变化反应到路面上也是平滑过渡的。

3.5路面横坡应增大0.5～1%作为预留坡度

不处理地基及砂井处理地基，路堤断面沉降呈现锅底状，而粉喷桩处理后，断面沉降变得较为平缓。根据沪嘉、莘松等高速公路观测成果，路面横坡改变随着时间与沉降的增大而增大。横坡与沉降成曲线关系，沉降小于100cm时，曲线斜率较大，超过100cm时，曲线斜率变小。当路堤高度大于6m或当地基条件较差，路堤总沉降为120～160cm，若工后沉降为30cm时，通车后横坡变化约0.5%，而路堤高度在4～5m左右时，总沉降量一般为70～100cm，若工后沉降为30cm，通车后横坡变化约0.7%，而路堤高度在4～5m时，总沉降量一般为70～100cm，若工后沉降为30cm，通车后横坡变化约0.7%，沪嘉高速公路工后8年的路面横坡变化一般在0.3%，少数路段达0.5%。可见，在施工时对路面横坡增大0.5～1%，工后沉降引起横坡变化后，仍能满足设计要求。

3.6关于地基沉降规律及最终沉降推算

地基总沉降的推算方法有双曲线法、指数曲线法、对数曲线法等，曾有不少文章探讨过上海地区最终沉降量采用何种方法较为合理，从推算的结果看，对数曲线法最大，双曲线法次之，指数曲线法最小。从沪嘉高速公路工后沉降观测资料来看，沉降与时间不完全呈单对数关系，在单对数图中曲线尾部略微逐渐变平，说明用单对数曲线预测工后沉降略微偏大，可用双曲线推算；日本的观测资料表明沉降与时间呈单对数关系，杭甬高速公路沉降曲线不完全呈单对数关系，但与对数曲线较为接近。从地质条件来看，日本的条件最差，杭甬的条件次之，沪嘉的条件相对较好，这说明地质条件越差，曲线越接近对数曲线。实际上，对数关系反映了地基的流变特性，这是软粘土固有的工程特性。

3.7关于砂井与粉喷桩布桩间距的设计

间距设计是砂井与粉喷桩地基处理设计内容之一。砂井间距受地基固结度控制，根据沪嘉和莘松的试验结果，砂井间距大于4.5m后排水固结的作用已不明显，沪嘉的经验是，间距为3m与1.5m的布置方式能达到大致相等的固结效果，并且布桩间距越密，总沉降量也越大，同不处理地基相比较，砂井处理后可增加10%左右的沉降量，从沉降过程看，增加的该部分沉降是在施工预压期内产生的，并不对工后沉降产生影响。因此上海地区可视具体地质条件，选用1.5～3.m布桩间距。粉喷桩布桩间距受面积置换率控制，从桩长范围内复合体的模量来看，桩间距越小，模量越高，该范围内压缩量越小，但从路堤总沉降量来看，桩间距从1.4～1.6m之间变化，相应的面积置换率从0.1～0.05m之间，总体沉降变化不大，只是桩长范围内与桩端以下压缩量的相对比例发生了改变，桩距为1.4m时，桩长范围内压缩量占总沉降量的10%，而桩距为1.6m时，桩长范围内压缩量占总沉降量的40%，从粉喷桩处理后总沉降量减少方面来看，基本能减少20～30%，桩间距变化并不产生总沉降较大的改变，粉喷桩间距通常采用1.5m尚有潜力可挖。

3.8关于路堤临界高度

上海天然地基在低路堤(小于2.5m)作用下总沉降量不大，且沉降可很快稳定。根据莘松的经验，当填土在1.8m高时，经15个月预压，沉降稳定在10cm以内，填土高度在2～2.3m时，在两年时间内沉降稳定在15～20cm，曲线较平缓，因此莘松提出2.3m作为最佳填土高度，在此高度范围内无需地基处理。沪嘉的沉降资料表明，路堤高度在1.5m以下时，工后沉降仅3～4cm，路堤高度在1.9～2.7m时。工后沉降为8～11cm，大都满足或者接近工后10cm的控制标准，对路堤高度达到3m的桥接坡(如马陆圹桥)工后沉降为14.1cm，略超过10cm。从地质条件来看，沪嘉比莘松好，不处理地基的临界高度也略有变化，一般2.5m作为一个平均的临界路堤高度还是比较恰当的。

粉喷桩处理后地基也存在“临界路堤高度”。对存在这一高度的原因不少学者作过分析研究，笔者认为地基的超固结特性应是主要原因。地表以下5～10m范围内的土处于超固结状态，并且天然地基临界高度荷载与地基土先期固结压力相吻合。粉喷桩处理地基存在这一现象与天然地基有较大区别。桩土作为实体基础，当路堤高度达到临界时，实体与地基侧向摩阻力达到极限，桩尖产生刺入变形，桩尖以下淤泥质软土变形量较大，从而开始出现沉降量增大的趋势。根据沪嘉东延伸段实测沉降资料，当路堤高度达3.5～3.8m时沉降量较大幅度增加，这说明粉喷桩处理后对3.8m以下高路堤可较大幅度减少总沉降量，从而也较大地减少工后沉降，但实际上对这样高的路堤采用粉喷桩处理并不经济。

3.9加筋桥台技术可消除“三孔”跳车现象

高速公路汽孔、机孔和人孔(三孔)这三类横穿通道是引起跳车的主要构筑物，其数量在高速公路桥涵通道中占有相当高的比例。虽然这些通道接坡路堤高度较大中型桥涵低，从沪嘉运营期的养护情况看，不少“三孔”跳车现象严重，需进行多次罩面处理。鉴于这种情况，在沪嘉高速公路东延伸段首次对古宗路汽孔和孟古路拖孔采用加筋土桥台技术，彻底解决了因差异沉降而引起的跳车问题，通车3.5年，两座通道无行车颠簸感觉，两座通道工后沉降曲线，可以看出，古宗路汽孔两侧路堤与桥台同步沉降，孟古路拖孔加筋桥台下沉较大，两侧路堤下沉较小，这是由于两侧进行过超载预压，而加筋土桥台未预压过的缘故。尽管如此，行车无任何跳车感觉。事实证明，加筋土桥台技术是解决“三孔”跳车的一种可行方法。重要的是确保“三孔”的净空。

4结束语

纵观上海高路堤软基处理10多年来的研究过程，围绕解决路桥连接处跳车现象，已先后尝试运用了砂井(包括塑料排水板)、粉喷桩、钢渣桩、超载预压、超载砂井联合预压等多种方法，从采用单一地基处理技术走向因地而易，各种方法综合使用。地基处理不可能完全消除工后沉降，路堤高度是影响工后沉降的重要因素，地基条件是影响地基处理效果的主要因素，在软土层厚度能打穿的情况下，应坚决打穿以充分发挥砂井或粉喷桩的作用，在软土层较厚的情况下，应采用超载预压加砂井联合处理方法，在路堤高度不大的地段可采用超载预压不处理地基办法，加筋土桥台技术是解决“三孔”跳车现象的有效方法，应该推广。