豫南平原區高速公路軟弱土地基處理及沉降規律監測研究

邵良帥

摘要：軟弱土地基處理方法與效果評價在豫南平原地區高速公路路堤中的技術適用性與可靠性及經濟性對比，選擇合理的處理方法可以提高高速公路路堤軟弱土地基承載力，減小施工期地基沉降及工后沉降具有重要的意義，沉降監測可以指導路堤填筑速度，減小工后沉降，增加路堤的穩定性，具有一定的實用價值，可為更多的高速公路路堤軟弱土地基處理及沉降監測提供借鑒。

關鍵詞：軟弱土地基；沉降規律；監測

隨著國家經濟的發展和高速公路網的完善，公路建設也在不斷地向縣區及鄉鎮延伸，在豫南平原區修筑高速公路，為了滿足當地經濟的發展和路線線型的要求，線路不得不穿越稻田、池塘、坑道、低洼積水地帶或寬闊渠溝地帶，如果在這些軟弱土地段修筑公路路堤，勢必會引起原有地基的沉降，填方越高，沉降越大，若軟弱土地基處理不當，在施工填筑期間將會引起路堤沉降速率過大，引起路堤失穩或變形過大，同時路基工后固結沉降過大也會引起路面結構層開裂，也導致路面反射裂縫或不均勻沉降，對后期的公路運營造成一定的隱患，或給工后維修加固帶來困難，另外，路基沉降也是引起橋頭跳車或涵頂跳車的重要原因，所以，在設計與施工階段很有必要對軟弱土地基進行加固處理，以減小施工期的沉降和工后運營期間的沉降，保證工程建設質量，為了評價地基處理效果或未處理低填方段路堤的沉降規律，很有必要對路堤地基進行沉降監測和水平位移監測，對施工作業進行指導，為工后沉降作出預測，并為類似路段的公路路堤工程建設提供借鑒與參考。

一、軟弱土地基處理方法

目前軟弱土地基處理的方法，根據工程應用要求及荷載條件，也呈現出多種多樣，主要分為四大類十六小類的處理方法，1.地面上處理方法：墊層，堆載預壓，粉煤灰路堤，土工泡沫路堤，現澆泡沫輕質路堤，吹填砂路堤，加筋路堤，反壓護道路堤；2.地下淺層處理方法：碎石墊層，灰土墊層，拋石擠淤；3.地下深層處理方法：動力擠密與置換（強夯或爆破），固結排水（砂井排水、塑料排水、真空預壓或堆載真空預壓），復合地基（碎石樁，水泥攪拌樁或水泥粉煤灰攪拌樁），剛性樁（鋼筋混凝土樁，預應力混凝土樁或管樁）；4.軟土隔離墻。每一類處理方法根據施工機械、材料性質、處理范圍、地基承載力和沉降要求等都有其適用范圍，一般地軟弱土地基處理，根據路堤荷載大小，需要滿足以下處理原則：

第一，滿足地基承載力與變形要求，能夠承受地基上部結構的自重及重型車輛荷載不致于產生局部或整體剪切破壞或過大的變形；

第二，要滿足受到動荷載作用時不致于發生液化、失穩或塌陷等災害；

第三，要滿足透水性要求不致于在施工期間或工后出現涌土、流沙或邊坡滑動等事故；

第四，特殊土地基穩定性要求，不致于在濕陷性黃土、膨脹土、鹽漬土等特殊土上的結構變形過大或破壞。

軟弱土地基處理穩定控制指標應滿足《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）對公路軟土地基處理的工后沉降要求，對于高速公路要求橋臺后路堤處沉降小于10cm，涵洞或通道處小于20cm，一般路堤段要求小于30cm。

目前對于軟弱土地基的沉降計算及工后預測方法根據土體的物理特性及強度性質，有兩類處理方法：1.理論公式方法，在確定荷載作用下依據土體的應力增量作用下的壓縮變形特點，采用土的應力應變關系估算地基沉降量；2.數值模擬方法，通過計算機建模和合理化參數輸入，得到相應的沉降量，現階段這兩種方法各有優勢，工程中應用可以互為補充。同時為滿足工程建設要求，公路行業在對軟弱土路堤地基處理與研究的基礎上，制定了相應的規范，以指導施工，例如《公路路基設計規范》，《公路軟土地基路堤設計與施工技術規范》，對我國的高速公路軟弱土地基處理與監測具有一定的指導意義。

二、工程概況

項目位于河南省淮濱至信陽高速公路（s62）息縣至邢集段，地段內路堤填筑工程穿越大量稻田、池塘、河渠深溝地帶，設計根據土性指標進行地基處理，主要包括：換填土壓實、拋石擠淤、石灰土壓實換填、碎石樁或素混凝土樁等處理方法，主要采用土體強度增強的特點進行理論計算，輔助計算機建模計算，評價軟弱土地基處理效果。

三、軟弱土地基處理及沉降規律監測及關鍵技術的應用

隨著我國公路建設密度的增加與路網的完善，路堤填筑還會遇到較多的軟弱土地基，研究成果不僅指導本條高速公路路堤的施工與建設，合理選擇地基處理方案，減小路堤施工期間的沉降量和工后沉降，提高工程建設質量，也將為其他類似的軟弱土地基處理與沉降觀測提供借鑒與指導意義，其社會與經濟效益良好，應用前景廣闊。

（一）設備及儀器

觀測儀器采用S、S型水準儀。S型水準儀作二等水準測量用，主要用于工作基樁校樁標高檢測，配銦鋼水準尺，觀測精度應小于1mm；S型水準儀在路堤填筑期和路堤恒載期內作三等水準測量用，配備銦鋼尺，按二級中等精度要求進行觀測，觀測精度應小于1～2mm，沉降觀測儀器設備見表1所示。

（二）技術應用

為控制好軟弱土路基的穩定和沉降，指導軟弱土路基的施工，根據交通部《公路軟土地基路堤設計和施工技術規范》（JTG D30-2015）規定軟土地基路堤的施工過程中必須進行沉降和穩定監測。針對淮濱至信陽高速公路現場軟弱土路基的特點，制定相應的監測方案，按監測實施方案進行軟基監測監控。監測措施主要采用沉降板觀測地基表層沉降。

（1）沉降板埋設及觀測

根據地質資料，選取軟弱土層厚較大和填方較高的路堤段，斷面埋設沉降板。沉降板埋置于路堤中線和左路肩、右路肩的基底，每一剖面埋設3塊沉降板，當設有砂墊層時，沉降板埋置于砂墊層下、軟弱土地基之上。觀測時按設計的樁號斷面將沉降板埋入土層中，實際操作時，當鋪第一層填料壓實后，按設計的樁號斷面在壓實面上挖去填料至原地面，坑底整平，將帶有第一節沉降桿、護管、護蓋的底板放入坑內，使其緊貼原地面，用水平尺校正使板面水平，隨即測量沉降管的高程（初讀數），然后回填夯實；當第二層填料施工完畢后，在所埋沉降板位置挖去填料，至露出護蓋，取下護蓋，測定原桿頂標高，其標高與上次桿頭標高之差，即為兩次觀測期間的沉降量；然后連接下一節沉降桿、護管，觀測桿頂標高，蓋好護蓋，回填夯實，接著填筑下一層填料依次類推，每接高一節測桿要觀測測桿原桿頂標高和接上下一節測桿后的桿頂標高，直至施工結束。

（2）沉降板制作

沉降板是由廠家統一制作，沉降板是由鋼底板、金屬測桿、管箍、保護套管和套管帽（堵頭）等組成。底板尺寸采用50cmX50cmX5mm，金屬測桿根據需要將其做成由直徑為3.3cm、長度為25cm和30cm兩種不同規格的鋼管，采用5cm長、直徑為3.1cm的接頭管箍與金屬測桿進行連接，保護套管采用直徑為10cm的PVC管，分節長40cm。

（3）基準點設置

水準基準點要根據施工導線點和水準點的分布和數量，以及現場監測斷面的布置來確定，在沿線設置沉降觀測的工作基準點和校核基準點，并與施工單位提供的控制點進行了聯測，建立起滿足沉降監測的平面、高程三維控制網。當橋梁構造物的修建完成，將原地面的高程基準點均引測至橋臺耳墻上，按實施方案，每兩個月對高程基準點進行了聯測、校核。

用于水平位移和沉降觀測的基點樁埋設在變形區以外的原狀土層上，基點樁距路堤坡趾的距離為2倍路堤基底寬。

基點樁采用樁徑為φ108mm的小型鉆孔灌注樁，采用鉆機成孔，樁中心放φ48mm×2mm鋼管，遇丘陵或有巖體露頭處，基點樁可采用邊長為20cm的鋼筋混凝土預制方樁，埋置時保證打入硬土層不小于2.0m。樁周頂部50cm采用現澆混凝土加以固定，并在地面上澆筑1.0m×1.0m×0.2m的觀測平臺，樁頂露出平臺15cm，在頂部預埋小段鋼筋作為固定好的基點測頭。

（三）技術難點

研發難重點，需要克服的技術難題：

（1）軟弱土地基處理方法比較及處理深度和范圍的選擇問題；

（2）原狀軟弱土室內試驗參數的獲取較為困難；

（3）隨著填土高度的增加，須要設置新的固定轉點樁，對于轉點樁的保護，測量精度與誤差的校核；

（4）施工對沉降儀器的影響較大，每層測量中對沉降桿的定位與開挖，以及測量過程中儀器的填埋與保護；

（5）沉降計算方法的選擇與工后沉降預測的準確性對比。通過對豫南平原區高速公路路堤軟弱土地基處理及沉降規律的研究，能夠合理地選擇地基處理方案，指導路堤填筑速度，預測工后沉降，保證工程質量。

四、結束語

綜上所述，通過本項目的研究，可評價軟弱土地基處理效果，沉降監測可指導路堤填筑速度，高預測路堤工后沉降，保證工程建設質量，減小路面結構層開裂或不均勻沉降，降低運營加固費用，預期研成果與價值具有廣闊的應用前景。