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1、高速公路与县乡公路的软基处理朱智君（辰溪县公路管理站）提要 软土的特性给高速公路建设带来了不少弊病，为了满足要求必须进行地基处理。软基处理主要课题是地基的稳定和变形。本文介绍目前高速公路软基处理主要方法排水固结法和复合地基法。关键词 高速公路，软基处理，排水固结法，复合地基法1、前言 随着国民经济的迅速发展，普通等级公路已经不能适应社会的需要，高速公路的兴起和发展已势在必行。特别在我国沿海地区，经济比较发达，高速公路的兴起尤为迫切。然而在这些地区广泛分布着软土。软土具有强度低，变形量大且持续时间长，含水量高且渗透性差等特点。这些特性给高速公路的建设带来不少弊病，有的甚至成为工程成败的关键。因此
2、，必须对软土地基进行处理，使其能满足工程要求。软基处理的实质是提高地基土的抗剪强度和提高地基土的压缩模量，在上部荷载作用下保持路堤的足够稳定和减少地基的变形，满足沉降的要求。根据笔者十多年来参加沪嘉、沪宁、杭甬、广州环城等几条高速公路软基处理的实践体会以及进行的几项软土路堤试验资料的研究分析，就高速公路软基处理的重要课题和主要处理方法提出一些看法。2软土地基的稳定和变形2.1软土地基的稳定（1）软土路堤的稳定分析是路堤设计中最重要的工作之一。满足路堤的稳定并具有一定的安全储备这是必须的。只有满足了路堤的稳定条件才能进行路基的变形计算。随着交通事业的高速化，路堤设计只满足稳定条件远远不够，在很多
3、情况下往往以变形为控制条件。若变形不满足，视为设计没有达到要求，稳定是必要条件。稳定分析的方法很多，选用固结有效应力法是比较合理的方法。事实上填土不可能是瞬间加荷的，也不可能在加填第一层土之后给予地基以足够的时间固结，然后再加第二层土，因此在计算路堤稳定时采用快剪强度指标，或者采用固结快剪指标，都不能正确地反映路堤稳定的真实情况。为了使计算结果最大限度接近于实际情况，在计算软土路堤填筑和适应期间的稳定性时应该把地基土在填土加荷过程中的固结作用考虑在内，根据固结理论公式和试验数据来进行估算。（2）双向滑弧的提出铁道部第四勘测设计院与铁道科字研究院、铁道部第二工程局在连云港进行的大型软土路堤填筑试
4、验表明：在软土层较厚，土质均匀，受荷对称的条件下，路堤发生破坏时将产生对称的双向滑弧形态。在两个对称的滑弧之间存在着一个未被剪切的核部，纵向表现为一条“鱼脊梁”。珠海南屏大桥台后路堤发生滑动时也呈现对称的破坏状态。杭甬高速公路在有的地段也出现路堤中心开裂，两侧发生几乎相同的位移，虽然没有出现像上述两个工点那样破坏性的滑动，但实际也是这种性质的滑动，只是程度轻了一点。这种现象的存在也为弹塑理论及离心模型试验所证实。因此有必要在此基础上作进一步的研究，建立新的设计方法，这样不仅在学术上有进展，而且也具有现实意义。（3）软土路堤的纵向稳定我们一般所作的稳定分析是对横向路堤进行的。然而在某种情况下，路
5、堤的纵向稳定起着主导的作用。如在软土地基上的桥台，若不注意路堤的纵向稳定并设法加以解决，有可能由于台后填土的纵向推力，致使桥台基础发生较大的位移甚至破坏桥台基础。南屏大桥北台基础的位移就是典型例子。有资料报导，深圳机场某公路桥，座落在软土地基上，先施工桥台桩基，后施工台后填土，土的纵向推力竟把桩基破坏。铁道部门在软土地区高桥也有此原因引起桥台位移，使梁部无法架设，同样有着深刻教训。因此软土路堤必须检算桥台的纵向稳定。如果稳定性不满足要求，也要进行加固处理。在这种情况下往往先加固好地基然后再打桩，以避免路堤基底土对桩基的过大侧向推力。2.2 软土地基的变形在过去的工作中，对软土路堤的设计偏重于稳
6、定性分析。认为只要满足稳定性要求其他是次要的。因为不论在铁路或公路上行驶的车辆，大多以中低速运行，对路基沉降无须严格控制。如今高速的出现，对路基变形的要求非常突出。于是便得到一个共识：由稳定控制转为变形控制。人们对自然界规律的认识逐渐提高。（1） 地基变形的开式地基变形通常包括地基土在垂直方向的压缩和水平方向的位移。把垂直方向的压缩称为主固结沉降。它是由上部荷载和土性质决定的，是造成沉降称瞬时沉降。它持续的时间短，变化大，并随路堤的填高而增大。由于土内部结构的变化而引起的沉降称为次固结沉降，主要决定于土类，持续时间很长，可达数十年，一般不予考虑。只有当次固结份量占得多时才列入总沉降。（2） 地
7、基变形的一般规律1、 在路堤填筑过程中，地基的沉降存在着一个明显变化点，即一个临界的填土高度。当填土低于此高度时，沉降速率很低；当超过此高度时，沉降速率明显增加。2、 计算地基沉降，必须确定压缩层的厚度，常用的有两种方法：以地基的附加应力与自重应力之比小于0.1或小于0.2以及建筑地基基础设计规范的沉降量为标准S0.025Si，实际工作中以第二种方法更接近于实际。3、 沉九速率与加荷速率有关。当加荷速率提高时，地基的沉降速率也随之增加。因为除了主固结沉降增加外，由于侧向变形引起的瞬时沉降也大大增加。宜黄高速公路试验堤表明，当填土高5m进，路基44.8m，地基侧向位移引起的沉降是总沉降的16%。
8、4、 软土层的厚度以及排水条件对沉降有明显的影响。一般情况下软土层越薄侧向变形越小，排水条件好，固结度高，沉降快，则剩余沉降少。（3） 沉降速率地基沉降速率不同就会出现不均匀沉降。不均匀沉降超过一定值时会使建筑物受到损害。在路堤横断面上过大的不均匀沉降会导致路拱变形和结构层的开裂。同样路堤纵向上过大的不均匀沉降也会导致上述现象发生而影响正常使用。目前对于控制和消除不均匀沉降，除了正确认识地基土的性质以外，主要还是采取合理的方法，尽量消除由于差异引起的不均匀沉降，如软土层的厚薄，处理与不处理，不同方法之间的差异，刚性与柔性之间的差异等。目前已造成的几条高速公路有一个共同的问题，就是桥台与路堤连接
9、处的“跳车”。其原因是不均匀沉降。桥台处往往填土较高，施工时不能严格控制填土密实度，路堤本身压缩量大，所以造成总沉降量大。相反桥台基础往往是刚性体，沉降很小，形成明显的不均匀沉降。在实际工作中，人们关心的是竣工后在一定的使用年限内是否会因地基沉降而损坏道路结构，影响行车的平顺性。因此，应该确定在一定使用年限内允许发生的沉降量，即所谓工后沉降量。对高速公路一般定为15年内工后沉降不超过30cm。桥台背后填土工后沉降不超过10cm。世界各国视不同实际情况标准有所差异。3、软土地基主要处理方法软土地基的处理方法很多，可以从不同角度来进行分类，但其中最本质的是根据地基处理的原理来进行分类。在这里介绍的
10、软基处理方法是指在高速公路软基处理中几种主要的方法，以及在实施中出现的一些情况。3.1排水固结法排水固结法的原理是软土地基在荷载作用下，土中的水慢慢排出，孔隙比减小，地基发生固结变形。随着超静水压力的消散，土中有效应力增大，地基土的强度逐渐提高。所以它常用于解决软土地基的稳定和沉降。根据排水系统和加压系统不同又可分为多种具体的方法。这里介绍的是目前最常用的袋装砂井和塑料排水板法以及有发展前途的真空予压法。（1） 袋装砂井与塑料排水板用透水性能良好的土工织物，如聚丙烯纺织物制成直径为70mm或100mm的长袋，在袋中灌入透水性良好的砂料，用特制设备插入地下，作为竖向排水体，称为袋装砂井。若袋装砂
11、井改为用土工聚合物制成的竖向排水体，这就称为塑料排水板。塑料排水板通常由带沟糟的塑料芯板和一个无纺布滤套所组成的。在上部填土荷载作用下，软土中的水通过这些排水通道板慢慢排出，地基发生固结，强度逐渐提高。在排水固结法中作为排水通道的袋装砂井和塑料排水板以其理论上的合理与使用上的经济有效，克服了普通大直径（2030cm）砂井的缺点而广泛被采用。如在沪嘉、沪宁、杭甬、广州环城、沪杭等高速公路软基处理中都采用了这种方法。现就有关问题提出来商讨。1、 两种排水通道的实施比较我们曾在连云港地区铁路和杭甬高速公路的软基处理试验中把袋装砂井与塑料排水板作了全面比较；其排水固结效果基本一致。在相同条件下有时袋装
12、砂井稍好些，有时排水板稍好一些，这是适用性的问题，还有排水通道本身的原因所造成的。选用哪一种应从经济和实用来考虑。在砂源缺乏、劳力缺少、施工期短的情况下用塑料排水板为好，插塑板施工速度快，反之以用袋装砂井为宜。有资料表明，用袋装砂进不仅有排水作用而且有补强作用，广东有一工点成功地用其增加地基的抗剪强度。这方面袋装砂井优于塑料排水板，这部分抗剪强度虽然在设计中不考虑，但却是存在的。2、井间距与设计深度我们在设计普通砂井或贷装砂井间距时同样用排水固结理论。我们曾详细做过70mm的袋砂井与100mm6mm排水板的效果测试。其结果袋砂井略好些，所以从袋装砂井改成塑料排水板时考虑一个系数便成为相当。在上
13、海沪嘉高速公路曾做不同井间距的填筑试验，P-S曲线表明：三米井间距的沉降曲线几乎与不打砂井的沉降曲线相同。所以袋装砂井也同样存在井径与影响范围在一定范围有作用的概念，目前常用的井间距为1.22.5m，深度在15m以内。最深的袋装砂井打到25m。在厚层软土中，在固定荷载作用一定深度范围内排水效果与井深成正比，超过一定深度排水作用不因深度增加而增长，反而扰动了土结构，影响了沉降。当砂井不能穿过下部软土层时，通常要考虑下卧层的后期沉降。所以，有时为了打穿软层，实现砂井的双面排水使固结更好而增加砂井长度，是有必要的。3、排水固结与沉降位移众多的试验资料表明，采用袋装砂井加速软土地基的沉降，从效果上来说
14、是有阶段性的。如杭甬高速公路试验段以开始一年左右的时间为最佳，以后逐渐减缓。随着填土高度的增加，地基沉降随之加大，尤其是填至极限高度时，沉降速率明显加快。根据杭甬高速公路三个断面的实测资料，施工期在60天左右，固结已达50%，经8个月的堆载予压砂井区的固结度达90%左右，比未加固的地段固结度要高得多。堆载予压8个月，平均沉降速率为0.30mm/d。土的压缩变形影响深度为00.25m，较理论值小。侧向最大位移的位置在边坡中心，深度在地面下57m。证明堆载过程中侧向位移主要发生在砂井加固区。实测资料表明，侧向位移引起的地面沉降在总沉降中所占比例约为16%，这自然与填土速率有关。目前我们认为高速公路
15、的地基沉降速率连续三个月控制在10mm/month以内，可进行结构路面的修筑。但是在具体执行中有困难，因延误工期太长，实际做法往往沉降到一定值时先发挥经济效益，到一定程度再弥补。4、砂垫层与排水通道排水固结法必须要用砂垫层将砂井引上来的水排出，但砂垫层的厚度并不一样，日本常用1m，国内常用0.30.5m。0.5m居多数。只要满足地基地横向不均匀沉降条件下能连通排水即可。因此有单位通过路基横向沉降的测试，为了减低造价建议用0.3m的砂垫层。过去有的高速公路已经采用了这个指标，效果也是可以的，所以砂垫层的厚度可否减薄尚可探讨。高速公路路基比较宽，排水途径长，为了顺利把基底水排出，砂垫层中应再加设盲
16、沟之类的引水通道使水顺利引出。如一家外资企业在南京设厂生产的塑料排水管，管内是高强度塑料弹簧做骨架，外包透水良好的塑料网，排水效果很好。有时也可把垫层分为两部分；下部为碎石层，上部为砂层。如宜黄高速公路，先铺碎石层，当便道使用，砂井施工完成再上砂垫层，总厚度为0.50.6m。即有利于排水也有利于施工。5、土工织物的作用在砂垫层中铺设一层或数层有一定强度的土工织物，是目前常用的补强法。由于土工织物与砂垫层组成的复合体能承受较大拉力，增加了地基土的抗剪强度。提高了路堤的稳定性。同时复合体具有一定的刚度，使上部荷载传递能得到有效的调整，致使差异沉降减少，均匀度好。由于复合体能承受较大拉力，地基受力变
17、小，路堤中心沉降明显减少。几处试验证明，在砂垫层中铺设土工织物不仅减少了不均匀沉降，而且有效地减少地基的总沉降。适应适应路堤的快速填筑。荷载的迅速增加，加快了软土的固结作用，从而使沉降加快，减少后期沉降，形成一种良性循环。这是目前在软基处理和与砂井、排水板联合全用中最常用和最有效的地基处理方法之一，是高速公路软基处理中大量推广使用的方法。真空予压排水固结法除了在地基中具有排水通道外还必须要有上部荷截的作用，真空予压是设法在地基土中造成局部真空，通过大气压力施加的荷载使土中的水份慢慢排出，达到加固地基的效果。具体做法是通过特制的泵连续抽气，在薄膜覆盖的加固区内形成一个减压区。不断地抽气使砂垫层和
18、砂井的压力（P0）减至比大气压力（Pa）小，在压差Pa- P0的作用下，土体中的水流向砂井被排出，从而使土的孔隙比减少，土体固结，强度增加。但是，这种荷截只能保持在一定值，因为最多也只能是一个大气压，而且在抽气过程中不可能达到百分之百的真空，一般只能达到相当于7892kPa的等效荷截。所以有时为了增加荷截就必须与堆载预压联合使用。90年代初，我们在宣杭线长兴地区用真空预压法加固一涵洞的软土地基获得成功，这是铁路部门使用真空预压的首例。这里要说明的使用真空予压法要具备一定的条件，若地基土为多空隙地层与外界空气沟通，出膜装置不严，抽空气的泵不称，很可能会导致失败或效果不佳。32复合地基法复合地基是
19、指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，即加固区由天然地基土堆栈 和增强体两部分组成的人工地基。根据地基中增强体的方向可分为竖向增强体复合地基和水平向增强体复合地基。以下主要论述目前高速公路软基处理中用得较多的粉体喷射搅拌法和浆液注入搅拌法。现就这两种竖向的复合地基加以论述。（1）粉体喷射搅拌法粉体喷射搅拌法是利用水泥、石灰等粉体材料作固化剂，通过特殊的搅拌钻机，定时定量地从钻头的喷嘴喷出，就地将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥柱体而组成复合地基。它的设计和计算是按照复合地
20、基的理论进行的。目前用粉喷法加固高速公路的软基的工程很多，如沪嘉、沪宁、沪杭、广州环城等高速公路，对提高地基的强度，减少地基的沉降收到了非常好的效果。特别在沪宁线用此法解决桥头跳车现象效果明显。现根据实际工程中的测试资料提出有关论点。1用粉喷桩加固软基能有效地减少总沉降量。沪宁高速公路昆山试验段粉喷桩间距为1.31.7m，水泥掺入量为10%，桩体的无侧限抗压强度达400kPa，周围土体强度只有其1/101/20，由桩和桩间土组成的复合地基，在上部荷载作用下，大部分荷载作用下，大部分荷载由桩体承担，少部分的荷载由土体承担，桩土应力比为3.54.0。桩体的荷 载由柱的侧摩阻和端摩阻承担。当桩与软土
21、侧摩阻很小时，大部分荷载传至桩尖以下。通过填筑和长期观测，得到以下认识：若与排水板相比，采用粉喷桩加固后沉降量减少25%40%，桩尖以下软土层越薄，则沉降量减少得越多。2由于桩体的形成较大地改变了软土性质，因此在桩身范围内的沉降明显减少，而桩尖以下的沉降有较大的增加。填土高5.6m，桩间距1.3m，桩长11m，在桩长范围的沉降与桩尖下沉降量比值为1:1.5。说明这种桩在使用时最好穿透软土层，打到持力层上，否则下卧软土层的沉降是不能低估的。在这方面，我们有深刻的体会和教训，某地的一个涵洞由于没有穿透软土层，后期的沉降过大使涵洞报废。某桥两侧的框架涵也是由于没有穿过软土层到达持力层，过大的工后沉降
22、不得不采取措施进行加固，所以在使用时最好打穿软土层。3对解决桥台的接头处的“跳车”非常有效。沪宁线实测资料证明，用粉喷桩加固的路基侧向位移很少。实测的最大侧向位移仅67cm，而且在12个月内即趋稳定。这比砂井加固侧向位移明显要小，所以在桥涵与路段处采用粉喷桩加固对保护桥台的桩基免受过大的侧向推力，是很有好处的。解决桥台的接头处的“跳车”非常有效。4能适应快速加荷的施工条件而不致引起急剧沉降。根据粉喷的受力机理，只要在桩的摩阻和端阻的允许范围内，能适应快加荷而不产生过大沉降。一般来说，路堤荷载对粉喷桩的承受能力是没有问题的，比其他加固方案能快速填筑而不破坏。5由于大部分荷载由桩体承受，所以土中的
23、孔隙水压力很低，但是桩尖以下土体中的孔隙水压力很大，而且很难消散，造成了固结底低、固结度增加缓慢，预压5个月后固结度也只有80%左右，致使剩余沉降占的比例较大。这种情况说明，在桩体没有打穿软土层的条件下留下几米软土层，由于没有排水通道，桩尖以下的土体变形很难稳定。6粉体喷桩搅拌法的主要缺点在于：a喷入的粉体计量控制不严，这涉及到测量气体与固体二相流量的仪器，目前所用的“电子秤”在表态下测量精度较高，但在动太条件下测量精度不够，这是目前影响粉喷桩度量的主要问题之一。铁四院软土地基研究所去年已开始研制一种新仪器，目前已完成整机的设计、安装，正在调试，估计今年年底前即可完成并投入使用。b在地表12m
24、以下粉喷桩的成桩质量差，从钻孔取心检查来看这种情况比较普遍，除去人为的原因如搅拌不到位以外，另一原因是由于有些粘性很大的软土含量太高，钻头在搅拌过程中被这些粘土紧密地包围着没有空隙可让喷出来的气体形成一个回路，气不能从喷咀喷出灰就不能进入下部软土，即使钻头旋转但形成不了水泥土体。解决这个问题的办法一是加大空压机的能量，二是进行复搅，甚至进行多次，在逐渐改造土质过程中克服这种现象。在现场静载试验中粉喷桩往往都能满足要求，这是由于桩受力主要部位在地表下5m范围内，正好与桩深度的实际情况上好下差相适应。（2）浆液搅拌法及其与粉喷搅拌法的比较。浆液搅拌法是把水泥和外掺剂按一定比例倒入搅拌池中，水灰比一
25、般为1:0.431:0.45，加入水，经充分搅拌，用灰浆挤压泵将浆液从搅拌头喷咀中挤入软土中进行搅拌。它的作有机理、设计计算方法均与粉体喷搅法相同，设备比粉体喷搅法简单，它省去了灰罐和粉体发送设备，多了一个挤压泵。所以常有人把它们称为“干喷”和“湿喷”。这两种工法的主要特点是：粉喷法在软土中能吸收较多的水份有利于地基土密度的提高，对含水量较高的粘土特别适用。浆喷法则要从浆液中带进较多的水份对地基加固不利。粉喷法初期强度高对要求加固进行快速填筑的路基较有利，而浆喷法初其强度较低。粉喷法因为以粉体直接在土中进行搅拌不易搅拌均匀，而浆喷以浆液注入土中容易搅拌均匀。粉喷法目前的计量粉值不够精确，因为它
26、涉及气固两相流量，难度较大，但浆喷剂的液态计量容易控制。试验证明水泥中加入一定量的石膏及其他物质对粉喷桩的强度大有好处。但是在大量施工中要加另一种粉体比较困难，而浆喷法只要把这些添加剂定量倒入搅拌池混合成浆液很容易掺入土中，不仅是加粉体，就是加液体如水玻璃也可以，而且方便。作深基坑支护中，两种工法都可以，但在浆喷法中由于初期强度低，可以直接在桩中间插入型钢，大大增加桩的抗剪强度，而粉喷桩中要插入型钢则是比较困难的。因为浆喷搅拌比较均匀，打到深部时挤压泵能自动调整压力，在一般情况下都能注浆夜于软土中，所以下部桩的质量能保持与上部基本一致。粉喷法适宜于含水量较高的粘土层，而浆喷法知用于砂性的土壤中
27、。两种方法各有优缺点，也各有适用的条件，对于粉喷法的不足之处，我们研究所正在进行改进，使之更完善。4 各种处理方法的适用性最后，想谈谈各种地基处理方法的适用性及综合利用。各种软基处理方法有其各自特点，选择方法时要讲实用性，民族资本中能要达到既经济又合理，不是所有的软基都要处理，首先要考虑不处理的可能性。若不处理不能满足需要，则先要选择简单的浅层处理，如单用土工织物等。浅层不行应选用深层处理。在这些方法中我认为首先应考虑排水固结法。因为它是目前处理软土地基中最经济最合理的方法，简单易行，效果明显。尤其应用于铁路、公路路基。在选择高速公路软基处理方法时，应先掌握路堤填土高度，工期要求，根据剩余沉降
28、的要求来选择处理方法。有时为了需要将某一因素空出考虑，如限期通车，施工期很短预压很少，要满足要求，就选用深层搅拌法，但投资要大一些。有时为了充分利用各种方法的优点，采用综合处理方法，这也是很好的举措。4、Shen Longbao look in the eyes, for a chance to kill him. Shen Longbao behind smart to keep gendarmes, picked up a brick reservoir in cotton vest, walked into a small alley corner, seeing four weeks nobody will step up and pulled out bricks Asahi on military police knocked down. Unsuspecting Japanese military police was flaccid paralysis. Shen Longbao picked the Japanese military police gun in cotton vest, leave