江淮軟土地基高速公路改擴建施工處治

摘要 既有軟基道路擴建工程必然產生差異沉降，導致道路連接部位發生不同程度的損害，不僅對行車舒適性產生影響，甚至危害行車安全。道路擴建的核心問題是如何減小新老路基的差異沉降，關鍵技術在于控制新路基的側向變形。因此，采取有效措施使道路擴建工程協同變形，消除沉降差異，并通過監測指導施工至關重要。該文針對不同軟土厚度采用動態設計方法，分別采取預制混凝土管樁、水泥攪拌樁、淺層換填的加固方案，實現對軟土地基高速公路拼寬擴建的沉降控制，研究成果對減少道路擴建工程投資、提高工程運行質量、促進工程技術進步具有重要意義。

關鍵詞 軟土地基；高速公路；改擴建；沉降控制

中圖分類號 U418 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）15-0074-03

0 引言

軟土是在含水豐富地區由海相、湖相沉積形成的一種強度極低的土體，如濱海、湖泊、沼澤、河灘等地區軟土分布極廣。軟土通常是由黏土顆粒、顆粒間膠凝有機物、膠凝氧化物、孔隙液體和少量孔隙氣組成。在長江中下游地區分布有大量以河灘相和沖洪相沉積為主的軟土，特別在安徽省江淮地區，軟土分布十分廣泛。軟土具有天然含水量高、孔隙比大、滲透性差、壓縮性大、抗剪強度低、固結時間長、靈敏度高、擾動性大且流變性顯著等多種不良工程特性，對工程有著嚴重危害。在高速公路建設中，工程承載要求和變形控制要求比一般工程更高，如果穿越軟土地區，由于土體承載力低，易于變形，必須進行地基處理[1-3]。

為滿足經濟社會發展的需求，改變當前運力不足、交通堵塞難題，對現有路網改造，提升道路運載能力成為當前社會迫切需要解決的問題。現階段既提高道路運輸能力，又減少占地用量、同時控制經濟成本，最有效的途徑就是對既有道路進行改擴建。道路改擴建工程無須重新規劃路線，僅通過增加行車車道即可實現路網改造，提高國家土地使用率。

在安徽省江淮軟土地區對既有道路進行擴建，新老道路連接必然會因沉降不均而相互影響，老路基固結時長久，而新路基的沉降固結才剛開始，相較于新路基，老路基的固結沉降已基本完成，如果工程區域軟土地基深厚，工程區域水系豐富，新老路基沉降差異更為顯著。近幾十年來，諸多學者專家開展理論研究、數值模擬和工程實踐，在擴建路基受力沉降特點、新老路拼方面積累了豐富的工程經驗[4-9]，該文擬以長江沿岸軟土地基高速公路改擴建為研究對象，通過開展高速公路軟土加固處置研究，實現道路擴建工程新老道路協同變形，優化差異沉降控制技術，形成軟土地基協同處置成套技術體系，從施工角度出發解決改擴建差異沉降問題。

1 工程概況

G4211寧蕪高速皖蘇界至蕪湖樞紐段改擴建工程（寧蕪高速）位于長三角沿江經濟帶，沿江經濟帶的資源環境條件優越，涵蓋礦產資源、水資源、環境容量資源和岸線資源等組合優勢，發展空間、潛力巨大，沿江經濟帶作為重要的產業轉移承接區域，也是全面推行新型城鎮化的重要區域。寧蕪高速的修建是國家高速公路網的重要組成部分，是落實長三角一體化發展規劃綱要和長江經濟帶發展規劃綱要的重點項目，該高速也是連接安徽省皖江地區與蘇南、上海等東部沿海發達地區的重要通道。全線通車后，蕪湖到馬鞍山、南京、上海等地將更加通暢，對完善區域交通路網、促進沿線經濟社會發展具有重要意義。

近年來寧蕪高速公路交通量發展迅猛，隨著區域社會經濟發展和交流的不斷增強，原有四車道高速公路標準已不滿足現狀交通發展需求，此次擴建為雙向八車道。寧蕪高速已運營達26年，老路采用淺層處理、換填、排水固結、粉噴樁等方案進行地基處理，根據軟基段現狀調查，路基路面整體質量較好，邊坡穩定，未出現填方邊坡潰坡等現象。

2 高速公路軟基處置方案

根據地質勘查資料，工程區屬沿江丘陵平原，跨河漫灘、階地、坡積裙和丘陵，軟（弱）土分布長度26.4 km，占路線總長度53.6%，軟土連續分布，總體厚度較大，厚度一般較均勻，局部變化較大，出露于地表，局部上覆填土、粉質黏土，上部夾粉質黏土薄層，局部夾粉砂薄層。軟土靈敏度高，滲透系數小，固結速率慢，總沉降大。地下水對混凝土結構和鋼筋混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性，在施工中需考慮加固措施耐久性。

沿線大多以路基方式通過，老路已通車運營多年，原有路基已基本穩定，改擴建必然導致新老路基之間產生差異沉降，差異沉降主要為加寬路基荷載引起的新的地基沉降，以及新增荷載對已穩定老路的地基產生的附加沉降。路基填土越高，差異沉降越大，根據填土高度，地基土層的物理指標，計算差異沉降量，當大于規范指標時，新老路基差異沉降控制影響行車舒適性及道路運營安全，采用工程措施對地基進行處理。考慮該項目的工程特點及軟土地質條件，根據近年來高速公路拓寬采用的軟基處理方案，選定預混凝土管樁、水泥攪拌樁、淺層換填結合預壓的設計方案。

其中管樁為剛性樁，單樁承載力高，加固效果好，工后沉降小，特別適宜深厚層軟土，軟土地基設計中管樁直徑一般為300～400 mm，采用靜壓法打穿軟土地基。樁頂澆筑樁帽，增加承受路堤荷載的面積，將路堤填土的大部分荷載通過路堤填料中的土拱效應傳遞到樁體，再傳遞到下臥層中。管樁施工標準化，質量易于控制。水泥攪拌樁采用雙向攪拌工藝，同軸正反向同時旋轉攪拌，使水泥漿與土體充分攪拌，改善軟土性質，減少軟土路基沉降。水泥攪拌樁工藝成熟，施工簡單，但受軟土性質影響較大，考慮水泥土齡期，工期相對較長，適用于十字板抗剪強度不小于10 kPa，有機質含量不大于10%的軟土地基。淺層換填結合預壓方案施工簡單、處理深度淺，施工工期緊，為盡可能減少運營期工后差異沉降，老地基處理后，對軟基段全面預壓，充分保證預壓時間，達到新老路基后期的均勻沉降。

3 高速公路軟基處置設計

寧蕪高速公路采用“兩側加寬為主、部分路段單側加寬”的擴建方式，將高速公路路基寬度擴建為雙向八車道，在清除老路邊坡后，對老路邊坡進行1∶1挖臺階削坡處理，臺階寬度不小于1 m，在臺階與拼接路基坡腳外1 m范圍內均進行地基處理，以有效消除路面不均勻沉降，拼寬部分路基工后沉降應滿足一般路段不大于15 cm。

根據軟基厚度、填土高度等要求，分別對軟土段落進行處理，裸露或埋藏淺的軟土段落，采用全部或部分清除軟土（軟弱土）再換填的處理方法。其中，軟土厚度不大于2 m段落，對軟土（軟弱土）全部換填。

軟基厚度在2～8 m的一般路堤段優先采用雙向攪拌樁方案：攪拌樁按等邊三角形梅花形布設，根據地勘資料計算，該項目樁徑采用0.9 m，一般路段樁間距為2.2 m；攪拌樁頂面鋪設30 cm級配碎石和一層土工格室，兩側采用土工布包邊，壓入底部包邊距離不小于50 cm。

對大于8 m的深厚層軟土路段地基處理采用管樁，管樁樁徑400 mm，壁厚60 mm，混凝土強度等級C80，樁間距為3 m，樁頂設置C30樁帽以及30 cm厚碎石墊層和一層土工格室，兩側采用土工布包邊，壓入底部包邊距離不小于50 cm。

采用Midas等有限元分析軟件對兩側加寬和單側加寬路基進行沉降計算及穩定性分析，如圖1和圖2所示。為使其計算結果更加精確，考慮軟土處理數值模擬的重點分析區域，對軟土的疏密程度進行加密劃分，而對于模型底部和邊界處的節點劃分較為稀疏，使其網格形成疏密有致的網格。模型的底邊及左右兩側設置約束，分步驟施工軟土樁基及道路填方。土體和攪拌樁采用Mohr-Coulomb本構模型進行模擬計算，管樁采用彈性模型計算，路堤邊坡的穩定性計算采用強度折減法（SRM）以得到邊坡的安全系數。

該項目沉降計算中，假定路基是連續、均勻、各向同性的半無限彈性體，基于行車荷載的特性，將路基分為兩個部分：地面以上受路堤填高和交通荷載的共同作用，采用分層總和法將路堤填高和行車荷載分開考慮，對沉降量進行修正。由交通動荷載產生的沉降稱為S1（mm）；地面以下受堆載的影響，此部分產生的沉降稱為S2（mm），總沉降S=S1+S2。

經計算兩側加寬路基沉降總和小于50 mm，單側加寬路基沉降總和小于30 mm，拼寬后采用復合地基處理后，工后沉降及新老路基協調均滿足要求。

4 施工要點與動態觀測

管樁樁徑400 mm，壁厚60 mm，混凝土強度等級C80，樁身軸心受壓承載力設計值不小于1 611 kN，單節樁長5～14 m。管樁需合理確定配樁方案，同時根據現場的實際情況確定沉樁順序，準確無誤地測量放樣出各個樁位，開始壓樁時應認真檢查，若有偏差應及時糾正，必要時要拔出重新校準。在整個打樁施工過程中，盡量保持樁身整體結構在同一軸線上，特別在接樁時，要將兩側施焊面上的泥土、油污、鐵銹等預先清刷干凈，保持新接樁節與原樁節在同一直線上。

水泥攪拌樁在進行地基處理后其承載力不小于150 kPa。在施工前需確認水泥強度，以養護90 d的水泥試件無側限抗壓強度為標準強度進行衡量，要求測試試件同時滿足：養護7 d無側限抗壓強度大于0.8 MPa，養護28 d試件強度大于1.6 MPa，養護90 d試件強度大于2.4 MPa。根據軟土的地質條件，如果水量豐富，有機雜質含量高，土體酸性較強，應適當增加石膏、粉煤灰等中和土體酸性，確保水泥水化反應，提高樁的強度。施工需采用專用機械設備，打設深度能力不小于15 m，對應的功率應不小于70 kW。在采用雙向水泥土攪拌樁施工時，必須清除地上和地下的障礙物，事先將現場平整。施工路段遇有池塘及洼地時，應及時抽水、清淤，并回填黏性土壓實，禁止將雜填土或生活垃圾用于回填。為了確保加固深度范圍內土體均經過20次以上的攪拌，攪拌頭翼片的幾何尺寸與攪拌軸的設計夾角相協調，攪拌頭的回轉數、提升速度應相互匹配。

地基施工完成后，進行路堤填筑，一般控制每層填土攤鋪厚度不超過30 cm，路基上填土施工的動態觀測同樣非常重要，用于沉降與穩定管理，主要通過埋設沉降板進行地表沉降觀測，采用地表水平位移樁觀測水平位移。如遇到溝塘段等不方便埋設地表水平位移樁的特殊地段，則設置測斜管進行土體水平位移測量。地表沉降觀測斷面應每100 m設置一處；在軟土地基深厚位置，宜每50 m布設一處沉降觀測。收集并統計動態觀測結果，用以預測未來的沉降量，出現不均勻沉降及快速沉降征兆時，提前采取防治措施，同時應用動態觀測結果，判斷道路填土潛在的危害，隨時調整填土施工速度和施工工序等。需要注意的是，在施工填土時，每填完一層及時對所有觀測儀結果記錄一次；如果兩次填筑間隔時間較長，第一個月每3 d至少觀測一次，第2～3月每7 d一次，此后每半個月一次。如遇變形量接近或超過控制速率標準則需加大觀測頻率，調整施工進度。

特別注意的是，在道路填土完成后，防止雨水對路基的侵蝕，需保證邊溝水的排泄通暢，根據該地區降雨強度進行了水文計算，確定全線填方路段設置預制梯形排水溝，采用10 cm厚C20混凝土預制塊拼裝鋪砌，邊、排溝縱坡應大于0.3%，出水口間距不宜大于300 m，使路基邊溝排水自成系統。

5 結語

該文以寧蕪高速改擴建工程為背景，查明既有道路土體的固結特性，針對不同軟土厚度，最大限度減少高速公路改擴建道路與既有道路沉降差，構建完善的高速公路改擴建沉降控制方案，形成軟基高速改擴建工程加固軟土地基成套技術體系。

參考文獻

[1]汪浩.新老高速公路結合部處治技術研究[D].南京：東南大學，2003.

[2]宋金華，于鳳河，張永明.道路改擴建工程設計與施工技術[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3]高翔，劉松玉，石名磊.軟土地基上高速公路路基擴建加寬中的關鍵問題[J].公路交通科技，2004（2）：29-33.

[4]黃琴龍，凌建明，唐伯明，等.舊路拓寬工程的病害特征和機理[J].同濟大學學報（自然科學版），2004（2）：197-201.

[5]章定文.軟土地基上高速公路擴建工程變形特性研究[D].南京：東南大學，2004.

[6]唐朝生，劉義懷，施斌，等.新老路基拼接中差異沉降的數值模擬[J].中國公路學報，2007（2）：13-17.

[7]傅珍.高速公路拓寬工程路基差異沉降及控制技術研究[D].西安：長安大學，2007.

[8]劉觀仕，孔令偉，丁鋒，等.高速公路擴建工程軟基拓寬的沉降監測與分析[J].巖土力學，2007（2）：331-335.

[9]劉洋.軟土地基上城市道路拓寬工程差異沉降控制技術研究[D].廣州：廣州大學，2015.

收稿日期：2024-04-30

作者簡介：任良和（1973—），男，本科，高級工程師，研究方向：路基、邊坡施工。