软土地基上路基拓宽处理技术研究

近年来，道路拓宽工程较多，在道路拓宽改造工程完成后，软土地基上路面常出现纵、横向裂缝等病害，裂缝宽度视路堤高度、软土厚度及其性质等而不同。本课题主要研究新老路基结合部位处理方法、新老路基不均匀沉降及其所产生的危害以及新老路基的稳定等，以寻求比较合理、科学的解决方法，为今后软土地基道路拓宽改造工程的设计、施工提供科学依据，以确保道路拓宽改造工程的质量。

 

１.１　试验路段确定

根据２０４国道改建工程的设计资料和沿线的地质情况，选择填土高度≥２.５ｍ处的ｋ２７＋７００～ｋ２７＋８００高路堤段和填土高度＜２.５ｍ处的ｋ１０＋０００～ｋ１０＋１００低路堤段两个典型试验路段作为研究项目。通过这两段试验路来分析和研究新老路基拓宽处理及新老路基结合部位处理情况，以此验证设计，指导施工，为今后的设计、施工积累经验。

 

１.２　新老路基拓宽处理后病害原因分析

（１）新老路基拓宽处理后结合部位路基材质和路面结构层厚度、强度不一，特别是一边为新做路基，一边为原有老路基，质量也存在差异，在结合部位产生一个临界面，为道路开裂留下隐患。

 

（２）新老路基拓宽处理后，在结合部位沉降量不一，产生一定的沉降差值，特别是新拓宽路基工后沉降较大，而老路基已经完成了相当的工后沉降量，这样不可避免地在结合部位产生一个沉降差值突变点，成为道路产生裂缝的主要原因。

 

（３）新老路基结合部位工艺较复杂，施工难度较大，往往在此产生人为的质量因素，如密实度达不到设计标准等，也是产生裂缝的原因之一。

 

１.３　新老路基拓宽处理技术的目的与要求

(１)减少新拓宽路基的沉降量和新老路基的沉降差。

 

(２)处理好新老路基结合部位的地基，必要时采取特殊的处理方法，以解决新老路基的沉降差所产生的反射裂缝。

 

(３)采取特殊措施，加强新老路基的结合强度，以此减轻新老路基因材质、质量及路面结构层的差异等所产生的危害。

 

２.１　试验路段情况

２.１.１　试验路段原况

低路堤试验段原有老路路基宽７.０ｍ，路面宽５.０ｍ，为泥结碎石上罩１ｃｍ沥青表处简易路面，左侧为较大的取土坑连通的排水沟，右侧为道路排水沟渠，为道路拓宽改造的典型地段。高路堤试验段原有老路路基宽９.０ｍ，路面宽７.０ｍ，为沥青表处路面，泥结碎石、石灰土结构层。道路两侧均为新沂河大堤的老取土坑塘。

 

２.１.２　试验路段地质情况

根据地质钻探资料，试验路段地质构造自上而下为：表层为人工回填土，其中低路堤厚１～２ｍ。高路堤厚２～４ｍ，其下为高液限粘土硬壳层，厚约２.０ｍ，含水量ω在３３％～４２％之间。再下为淤泥质粘土，也称淤泥层，其中低路堤厚约５.５ｍ，高路堤厚约９.６ｍ，含水量ω约在５４.４％～７０.３％之间，其孔隙比ｅ在１.２～２.０之间，压缩系数α１－２在１.２～２.６ＭＰａ－１之间，地质条件极差。再下为粘土、亚粘土层等，地质条件较好。

 

２.２　试验段路基拓宽处理内容

２.２.１　软土地基处理

根据计算结果决定，低路堤试验段新拓宽路基部分软土地基不作特殊处理，可按正常路基施工；高路堤试验段新拓宽路基部分软土地基采用粉体搅拌桩处理，粉喷桩桩径为０.５ｍ，间距为１.４ｍ，正三角形布置，桩长为１２ｍ；每延米水泥喷入量为５０ｋｇ。选用粉体搅拌桩处理软土地基，其主要目的是确保高路堤路基稳定，最大限度地降低施工沉降和工后沉降，以减少新老路基的不均匀沉降；同时缩短工期，确保工程按质按时完成。

 

２.２.２　新老路基与路面结合部位处理

对原有老路一侧或双侧拓宽改造路基与路面时，在结合部位主要采取以下措施进行处理：

 

(１)清除原路肩边坡上草皮、树根及腐植土等杂物，并挖台阶处理。台阶尺寸为高≤３０ｃｍ，宽≥４５ｃｍ，台阶挖好后与新路基一同进行分层回填碾压施工。

 

(２)原有路肩质量较差，达不到设计要求时，将土路肩翻晒或掺灰重新碾压，以达到质量要求。

 

(３)在低路堤试验段新老路基结合部位采用三层防土工布处理(沿线其它地段采用三至五层土工布处理)，土工布宽一般为４ｍ以上，水平铺在新老路基结合部位上，每层相隔２０ｃｍ。

 

(４)由于高路堤不均匀沉降差大，影响范围大，破坏力大，故在新老路基与路面结合部位采用高强度的土工格栅处理，以加强新老路基的结合强度，从而解决新老路基的不均匀沉降。土工格栅共布置六层，自下而上第一层布置在老路面上，第二层布置在路床向下４０ｃｍ处，第三层布置在路床向下２０ｃｍ处，第四层布置在路床上，第五层布置在二灰土底基层上，第六层布置在二灰碎石基层中间。

 

２.３　沉降标设置与观测

低路堤试验段地表平整后或沟塘清淤晾晒后，路基材料回填前埋置沉降标，即在Ｋ１０＋０２５和ｋ１０＋０７５两断面左、中、右共埋置六处沉降标；高路堤试验段在沟塘内用石屑回填至水面以上再碾压密实，其上再分层回填土。待粉喷桩施工完成后，在路基土分层回填前进行反压护道施工，同时在Ｋ２７＋７２５和Ｋ２７＋７７５两断面共埋置８处沉降标。通过沉降观测，可以及时掌握地基沉降变化，为路面施工提供科学依据。

 

３.１　新老路基沉降计算

３.１.１　主固结沉降与总沉降计算

用ｅ－ｐ曲线和分层总和法计算主固结沉降：每层沉降为Ｓｉ＝(ｅ１ｉ－ｅ２ｉ)×ｈｉ／(１＋ｅ１ｉ)，主固结沉降为Ｓｃ＝∑Ｓｉ。根据《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》(ＪＴＪ０１７－９６)（以下简称《软规》）第４.３.４.１条经验公式Ｓ＝ｍ×Ｓｃ(ｍ为经验系数，范围１.１～１.７)，低路堤Ｋ１０＋０２５处取１.２，Ｋ２７＋７７５高路堤处取１.６（其地基未处理），其路基断面各点沉降值分别见图３－１、图３－２。

 

３.１.２　新老路基工后沉降差计算

（１）根据分层总和法计算出的新路基最终沉降量，再由固结系数推测出低路堤施工期沉降固结度ｕｔ＝４１.９％，同样由竖向固结系数推测出高路堤Ｋ２７＋７７５路基施工期沉降固结度ｕｔ＝２６.３％。

 

（２）根据分层总和法计算出的老路基最终沉降量，再由Ｃｖ推测到本次施工前沉降固结度ｕｔ为９５％。

 

（３）拓宽路基后的工后沉降值为：

　　Ｓ工后＝（Ｓ新总－９５％Ｓ老总）×（１－ｕｔ）。

 

　　低路堤Ｋ１０＋０２５及高路堤Ｋ２７＋７７５路基断面工后各点沉降值分别见图３－３、图３－４。

 

３.２　路基工后沉降差处理

３.２.１　低路基工后不均匀沉降处理

从路基工后沉降值横断面图看，低路堤新老路基工后不均匀沉降值是明显的，其不均匀沉降差是均匀的。为减轻新老路基不均匀沉降差所造成的破坏，在低路堤试验阶段新老路基结合部采用挖台阶和土工布处理，以加强结合部位强度，解决不均匀沉降所带来的危害。

 

３.２.２　高路堤路基工后不均匀沉降处理

（１）高路堤用粉喷桩处理工后总沉降

高路堤新老路基工后沉降较大，尤其新拓宽一侧，不均匀沉降差值大，左右特别明显，对路基破坏力太大，为此，软土地基采用粉喷桩进行处理，为此应计算出路基用粉喷桩处理后Ｋ２７＋７７５断面各点的总沉降值Ｓ粉。

 

（２）路基粉喷桩处理后工后沉降

根据《软规》第５.９.１１条“加固土桩固结度不考虑加固土桩体的排水固结作用”。故粉喷桩处理范围内路基沉降固结度不变ｕｔ＝２６.３％。则Ｋ２７＋７７５整个路基工后沉降计算公式：

 

　　粉喷桩处理范围以外Ｓ工后＝（Ｓ新总－９５％Ｓ老总）×（１－ｕｔ）。

 

　　粉喷桩处理范围内Ｓ工后＝（１－ｕｔ）Ｓ粉。桩号Ｋ２７＋７７５路基断面各点工后沉降值见图３－５。

 

（３）路基粉喷桩处理后不均匀沉降处理

从路基工后沉降图可看出，路基粉喷桩处理后新老路基不均匀沉降减少很多，特别是新老路基左右工后沉降差显著减少，但路基工后不均匀沉降差仍较大，特别在新老路基结合部位，最大理论突变差值为２０.２ｃｍ，工后不均匀沉降破坏力是相当大的，为减轻不均匀沉降差造成的破坏。高路堤新老路基与路面结合部位采用挖台阶的方法，并铺设６层土工格栅处理，以加强新老路基与路面结合部位强度，增强路基路面的整体抗变形能力，解决不均匀沉降所带来的路面开裂、路基滑动等危害。

 

３.３　实测与计算比较

为了更好地反映软基沉降规律，把沉降标处的填土曲线、计算沉降曲线、实测沉降曲线作为时间的相关变量绘制于同一张图中，以利比较与参考。

 

３.３.１　低路堤沉降曲线比较

低路堤Ｋ１０＋０２５和Ｋ１０＋１００断面计算与实测沉降曲线，分别见图３－６、图３－７。根据计算与实际观测曲线，实测值结果小于计算值，且实测沉降曲线未端斜率小于计算值，工后沉降也比计算小，这仍需进一步观测验证。

 

３．３．２　高路堤沉降曲线比较

高路堤Ｋ２７＋７２５和Ｋ２７＋７７５两断面计算与实测沉降曲线，分别见图３－８、图３－９。根据计算与实际观测结果可知，高路堤用粉喷桩处理后，沉降值大大减少，但实际观测总沉降及每月沉降均大于计算值，工后沉降仍然较大。

 

３.４　新老路基拓宽处理技术分析

３.４.１　低路堤处理技术分析

（１）低路堤实测沉降小于理论计算沉降，主要原因为地表硬壳层使路基荷载应力扩散，即路基下土层实际附加应力小于理论计算。从本研究看，《软规》中经验公式Ｓ＝ｍ×Ｓｃ对于低路堤所取的经验系数ｍ应小于１，取０.６～０.９较符合实际情况。

 

（２）低路堤新拓宽路基部分软土地基可以不处理，主要由于软土地基沉降固结很慢，若采用预压措施，效果也是不明显的，若采用软土地基处理，则造价太高。因此设计及施工中可尽量利用原状土结构强度，不扰动下卧软土层，进一步维持硬壳层的整体作用，同时在路基中铺设土工布或土工格栅，以加强路基的整体强度及板体作用，防止路基因不均匀沉降而产生反射裂缝。

 

３.４.２　高路堤处理技术分析

（１）软土地基未经处理的高路堤老路基实际沉降大于理论计算沉降，原因可能是《软规》经验公式Ｓ＝ｍ×Ｓｃ的经验系数ｍ取值范围偏小，从观测结果及老路基沉降情况来看，高路堤沉降系数ｍ大于规范上限１.７，软土蠕变侧移引起的沉降值较大。因软土固结很慢，使得高路堤路基工后会持续不断地下沉。为减少工后沉降量，对高路堤路基必须综合处理。

 

（２）高路堤路基经过粉喷桩特殊处理后，其沉降量无论是实际沉降值还是理论计算值均明显降低，从观测结果来看，新拓宽的高路堤采用粉喷桩处理软基效果是非常显著的。

 

（３）当高路堤路基拓宽后，新老路基不均匀沉降仍然比较明显，特别在拓宽一侧，老路基边坡范围沉降差明显，产生突变点，易在此产生不均匀沉降裂缝及滑动剪切面。若不采取特殊措施，结合处工后不均匀沉降破坏力仍然较大，此处仍需重点控制，本试验段在新老路基与路面结合部位采用挖台阶、铺设６层土工格栅处理等，目前从工后实测看，效果是显著的。可以加强新老路基结合部位强度，增强路基路面的整体抗变形能力，防止路面开裂。

 

（４）高路堤新拓宽部分软土地基必须进行特殊处理，主要由于软土沉降固结很慢，路基工后沉降量大，经常使新老路面产生明显破坏，甚至影响工程使用。因此设计及施工中为了确保路基稳定，减少路基工后沉降，对高路堤拓宽可采取打粉喷、砂桩、塑料排水体、碎石桩等软基处理措施，并配合填筑轻型材料。同时在新老路基与路面结合部位采用挖台阶及铺设土工布或土工格栅等。

 

软土地基上道路拓宽处理是比较复杂的，且影响因素很多，通过高、低路堤道路拓宽处理的研究，得出以下结论。

 

(１)对低路堤道路拓宽结合部位采取挖台阶和加铺土工布的处理方法是可行的。对高路堤道路拓宽结合部位主要采取粉体搅拌桩处理软土地基，再采取用挖台阶和加铺土工格栅来加强路基与路面结合部位质量，效果明显，不仅能节省工程造价，而且方便施工，缩短工期，具有较好的推广价值。

 

(２)根据计算和观测结果，软土路基低路堤是稳定的，一般不需采取其它特殊措施处理；软土地基高路堤路基稳定系数不足，通常应采用软土地基特殊处理和增加路基反压护道等方法进行综合处理，同时还要控制路基填土速率，加强沉降观测和分析。

 

〔１〕《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》ＪＴＪ(０１７－９６)

〔２〕《粉体喷搅法加固软土层技术规范》（ＴＢ－１０１１３－９６）

〔３〕《软土地基沉降计算》，折学森编著，１９９８年出版

〔４〕《土质学与土力学》，洪毓康主编，１９８７年出版