杭嘉湖平原軟土地區某高速公路軟基處理評價

管紅輝， 古海東， 任超， 謝家沖， 周高云

（1.浙江大學建筑工程學院，杭州 310058；2.浙江省交通規劃設計研究院，杭州 310011；3.浙江公路水運工程咨詢公司，杭州 310006）

0 引言

軟土具有承載力弱，含水量高、壓縮性大等特點，在這類地區上修建的公路往往由于工后沉降造成行車舒適性下降。如杭甬高速公路一期工程，采用塑板-堆載預壓法處理軟基，投入運營10年后，地基沉降仍以1～5mm/月的速率發展［1］；滬嘉高速公路通車4～5個月后橋頭錯臺達7～8cm［2］。因此，有必要對已通車運營的高速公路進行軟基處理效果評價，為類似工程減少工后沉降和橋頭跳車現象提供理論指導和經驗積累。

目前對高速公路軟基處理評價大多數為基于行車舒適性與現場路面調研情況的定性評價，或者基于少數斷面的短期工后沉降進行定量評價，而利用長期沉降進行軟基處理效果評價的研究較少。如吳昌勝等［3］通過實地調研高速路面車轍、裂縫、跳車等情況來對滬蘇浙高速進行軟基處理評價；雍金兵等［4］利用某高速公路4個斷面的近半年沉降數據分析了橋頭路段不同軟基處理的加固效果。

文中對依托項目主線路段的軟土層分布情況、物理力學指標、厚度等進行了調研，并對主線路段軟基處理情況進行了分析；最后通過預壓期和工后沉降數據進行雙曲線擬合并預測工后15年沉降，再結合現有規范中工后15年沉降允許值，對依托項目軟基處理開展定量評價。

1 工程及地質概況

工程位于杭嘉湖平原軟土地區，采用8車道高速公路標準，路基寬42m，工程于2013年7月建成通車，監測單位對整個項目施工期和通車后2年的缺陷責任期進行了沉降觀測。

工程項目地處沖湖積平原，地形平坦，河渠密布，地層表部主要為②1’層軟塑～可塑狀粉質粘土（地表硬殼層），厚1.1～6.2m。其下臥軟土層：②2層流塑狀淤泥質粉質粘土、②2’層軟塑狀粉質粘土。依據地勘資料，調研整理了全線9個合同的軟土層分布情況及物理力學指標，如表1所示。發現第6合同只有②2軟土層，其余合同均存在②2和②2’軟土層；且②2和②2’軟土層沿深度分布不均勻，②2軟土層厚1.0～26.3m，②2’軟土層厚0.5～20.5m。主線路段沿線軟土層具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高等特點，工程地質性質較差，易造成地基過量沉降、不均勻沉降、地基失穩等問題出現。

表1 各合同主要軟土層物理力學指標統計（平均值）

對工程主線路段軟土厚度進行整理統計，如圖1所示，全線分布淺-中厚層軟土，軟土厚度范圍為0～30m，其中軟土厚度0～10m占了47.5%，軟土厚度10～20m占了43.9%；全線只有8.6%路線軟土層厚度為20～30m。

圖1 主線路段軟土厚度占比

2 軟基處理分析

2.1 軟基處理原則

工程軟基處理對于不同路段及地質情況采取不同的軟基處理方法，主要有塑料排水板、預應力管樁、水泥攪拌樁、塑料套管樁、等超載預壓等方法，具體原則：①一般路段普遍采用塑料排水板+等載預壓進行軟基處理；②箱涵路段一般采用塑料排水板+超載預壓、水泥攪拌樁或塑料套管樁處理，具體根據沉降及穩定情況確定；對于填土高、軟土深厚的路段采用預應力管樁處理；③填土高度較小的橋頭路段采用塑料排水板+超載預壓處理，填土高度較大時采用水泥攪拌樁、塑料套管樁或預應力管樁處理。

其中，塑料排水板處理的路段預壓期為12個月，水泥攪拌樁預壓期為6個月，預應力管樁和塑料套管樁預壓期為3個月。預壓期為路堤填筑到預壓施工高度后，預壓至施工路面的時間。

2.2 軟基處理方式占比

塑料排水板主要被用于一般路段和箱涵路段，橋頭路段主要使用預應力管樁、水泥攪拌樁和塑料套管樁處理。其中，塑料排水板處理約13.40km軟土，占全線軟土處理長度的73.3%；預應力管樁處理約1.65km軟土，占全線軟土處理長度的9.1%；水泥攪拌樁處理約1.35km軟土，占全線軟土處理長度的7.4%；塑料套管樁處理約1.17km軟土，占全線軟土處理長度的6.4%；等超載預壓處理長度約為0.70km，占軟基處理總長度的3.8%，如圖2所示。

圖2 主線路段軟土處理工程量比例

3 沉降預測方法介紹

沉降量與時間的關系預測主要有理論計算、數值計算和沉降推算三類。其中，理論計算和數值計算常因計算條件與工程實際差別較大或參數選取不夠準確，且計算量太繁瑣［5，6］，導致沉降預測結果與路基土層的實際變形規律常常不相符合。

沉降推算選取合適的數學預測模型，結合現場實測沉降數據來預測沉降量與時間的關系，常用方法有雙曲線法、指數曲線法、泊松曲線法等。雙曲線法是目前最常用的沉降變形預測計算方法，最早由尼齊波·羅維齊（1955）提出，相對其他沉降推算方法，具有方法簡單、對監測數據適應能力強、推算結果比其他方法更接近實測沉降等優點［7，8］。以及對于大部分軟基路堤，軟粘土壓縮曲線符合雙曲線模型［9，10］。單浩等學者在論文中采用雙曲線對各路段的工后沉降監測數據進行擬合，預測了通車15年的工后沉降［11］。

于是，文中采用雙曲線法進行沉降預測，用雙曲線擬合施工期和缺陷責任期的沉降數據，再通過外延來對后期沉降量進行預測。雙曲線基本方程式（1）所示：

式中，St為t時刻的沉降量；S0為預壓期任意t0時刻的沉降量；α、β為待定系數。為了確定計算參數α、β將式（1）改為：

如圖3所示，可得（t-t0）/（St-S0）和（t-t0）的直線關系圖，由直線的截距和斜率可得到待定參數α和β。再將α、β代入式（1），即可預測工后15年沉降值。

圖3 雙曲線沉降預測

4 軟基處理效果評價

工程只對施工期和2年缺陷責任期進行了沉降觀測，無法直接評判實際沉降是否滿足規范給出的工后15年沉降容許值。因此利用目前的施工期和缺陷責任期沉降數據，進行工后15年沉降預測，與規范工后沉降允許值比對，從而進行軟基處理效果的定量評價，如表2所示。我國《公路路基設計規范》［12］中對高速公路路基工后沉降允許值作出了規定，一般路段：300mm；箱涵路段：200mm；橋頭路段：100mm。

表2 不同路段工后沉降合格率統計

4.1 一般路段評價

在一般路段共有256個監測斷面，工后15年沉降超出規范允許值的只有1個斷面，總合格率為99.6%，該高速公路一般路段的軟基處理效果整體上達到預期目標。應用最普遍的軟基處理方式是塑料排水板，其他3種軟基處理方式使用較少，主要被應用在軟土深厚且填高較大區域，且均未超出規范允許值。研究結果表明，即使在軟土深厚和填高較大的一般路段，預應力管樁、水泥攪拌樁和塑料套管樁也能滿足軟基處理效果要求。

對塑料排水板處理斷面的工后15年沉降進行分析，以15mm為組距，共18組，繪制直方圖，如圖4所示；近90%的斷面工后15年沉降小于200mm，僅有一個斷面超過規范允許值，合格率達到99.6%，表明一般路段的塑料排水板處理效果整體上較優。綜合考慮施工成本及處理效果，除部分軟土深厚且填高較大路段，建議優先采用塑料排水板進行處理。

圖4 工后沉降直方分布圖-塑料排水板

4.2 箱涵路段

在箱涵路段，相較于一般路段，工后沉降規范允許值下降了100mm，合格率也隨之下降。共有80個監測斷面，其中有6個斷面工后沉降超出規范允許值，總合格率為92.5%。塑料排水板仍然是應用最普遍的軟基處理方式，處理效果較好，合格率接近90%，相比于一般路段下降了10%；其他3種處理方式相較于一般路段，應用頻率有所上升，依然沒有出現超過規范允許值的斷面，合格率為100%。綜上所述，箱涵路段軟基處理情況與一般路段相近，在無特殊情況下仍建議優先采用塑料排水板進行軟基處理。

4.3 橋頭路段

在橋頭路段，塑料排水板應用最少，只有5個橋頭斷面，且合格率最低，僅為40.0%；同時從圖4可以看出，塑料排水板處理的近80%斷面工后15年沉降大于100mm，很難控制工后沉降滿足橋頭路段的規范要求，因此應避免使用塑料排水板。預應力管樁在橋頭路段應用的最多，共有34個斷面，且在橋頭段處理效果較好，合格率達到85.3%；其次是水泥攪拌樁，共有22個斷面，但在橋頭路段處理效果較差，合格率僅為50.0%，可能是水泥攪拌樁施工質量較難控制造成的；塑料套管樁在橋頭段處理效果較差，合格率僅為42.9%，與塑料套管樁施工質量較難控制，垂直度要求高，容易偏壓有很大關系。

塑料排水板、塑料套管樁、水泥攪拌樁和預應力管樁4種軟基處理方式在橋頭路段的合格率呈依次遞增趨勢。在進行橋頭路段的軟基處理方式的選擇時，軟土比較深厚的路段或者比較重要的橋頭路段，應優先考慮預應力管樁；而在軟土厚度較小、土質較好的橋頭路段可以考慮水泥攪拌樁和塑料套管樁的使用，但要重視施工質量的控制。

同時，針對使用水泥攪拌樁和預應力管樁進行處理的橋頭路段的部分斷面進行整理統計，如表3所示。可以發現填土高度較大，即使水泥攪拌樁打穿軟土的情況下，水泥攪拌樁的處理效果并不理想。橋頭路段的K16+722和K23+570斷面都存在臨空面和軟土層無硬殼層情況，且這兩個斷面的工后15年沉降均超出了規范允許值；說明出現臨空面和無硬殼層的情況，預應力管樁的沉降往往難以控制，需要考慮對樁頂增加約束。

表3 橋頭路段軟基處理概況

5 結語

文中得出的結論主要針對杭嘉湖平原軟土地區地質情況，具體結論如下：

（1） 在一般路段，預壓期充足時，采用塑料排水板結合堆載預壓的方案整體效果較優。在橋頭路段，深厚軟土路段應優先考慮預應力管樁或鉆孔樁等剛性樁復合地基；中、淺軟土路段且填土高度較小時可考慮水泥攪拌樁方案，但需對施工質量進行嚴格控制。

（2） 塑料套管樁在橋頭路段的處理效果并不理想，合格率遠低于預應力管樁，與施工質量較難控制有很大關系。

（3） 預應力管樁在3種不同路段上都取得了較好的處理效果，但對有臨空面路段、無硬殼層及傍山等特殊路段應慎用，上述路段若采用管樁方案，應加強樁頂約束，如增加系梁連接，提高管樁整體剛度。