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1、高速公路软土地基处理方案设计分析摘 要苏州绕城高速公路全部处在不同程度的软弱地基上，为在软基处理上达到效果、投资、工期、技术等方面的最优组合，并为以后的大规模施工积累经验，本试验段工程采用了众多不同的软基处理方式。为确保处理取得预期的效果、达到预期目的，本文从处理方案和施工工艺两方面出发，结合本工程的实际情况作一定的分析与总结，希望能对以后的施工有一定的参考作用。关键词：高速公路；软土地基；处理方案；分析目 录1 引言12 软土地基处理方式及机理分析22.1粉喷桩加固机理22.2 碎石桩加固机理22.3排水固结法加固机理33 软土地基处理方案设计43.1 工程概况及要求43.1.1 工程地质概
2、况43.1.2 软土地基处理要求43.2 软土地基处理方案布置43.3软土地基处理效果评价54 总结与结论9参考文献10致 谢111 引言随着高等级公路建设的飞速发展，设计速度的提高，对线形指标的选用也随之提高，从而不可避免地带来公路路基穿过软土地区的情况。因此，在软土地基上修筑路基已非常普通。对公路软土地基的成功处理，往往也成为提高建设速度、确保工程质量、降低工程造价的十分重要的措施之一。软土路基的特点是强度低、固结慢、变形大,在软土地基未能很好处理就修筑路基,由地基沉降或差异沉降过大将产生如下问题: 地基抗剪强度不够引起路堤侧向整体滑动,边坡外侧土体隆起。人工构造物与路堤衔接处产生差异沉降
3、,引起跳车。路堤的变形以及地下水位过高,将导致路面的破坏。因此，在软土地基上建造建筑物或是进行路基施工，都要求对软土地基进行处理。其处理的目的主要是改善地基土的工程性质，达到满足建筑物对地基稳定和变形的要求，包括改善地基土的变形特性和渗透性，提高其抗剪强度和抗液化能力，消除其他不利的影响。2 软土地基处理方式及机理分析2.1 粉喷桩加固机理粉喷桩属水泥系深层搅拌桩，它的成桩基础是水泥土的物理化学反应，即水泥在土中水解和水化反应使土的强度增加。具体的反应有：（1）水泥的水化和水解反应。水泥在软土中与水迅速发生水化水解反应，从而使土中的水溶液达到饱和并形成胶体，同时生成“水泥杆菌”化合物，结果把大
4、量的自由水以结晶水的形式固定下来，并具有膨胀作用；（2）离子交换和团粒化作用。软土中胶体颗粒表面的离子易发生吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的粒团，另一方面，水泥水化生成的凝胶粒子比原水泥颗粒大上百倍，因而产生很大的表面能，具有强烈的吸附活性，能使较大的土粒团进一步结合起来，形成水泥土的团粒结构、并封闭各土团之间的空隙，形成坚固的联结，使水泥土的强度大大提高；（3）硬凝反应。随着反应的深入，溶液中析出的钙离子进一步化学反应逐渐生成不溶于水的结晶化合物，这些新生成的化合物在水中和空气中逐渐硬化，增大了水泥土的强度，而且由于结构比较致密，水分不易侵入，从而使水泥土具有足够的水稳定性；（4）碳酸化作
5、用。水泥中的Ca（OH）2与水及空气中的CO2发生反应，生成不溶于水的CaCO3从而使强度增加。由于粉喷桩的物理力学性能稳定，因此在水稳定性、防冻胀等方面有良好表现。而水泥土重度增加很少，对下部未加固部分不会发生较大附加沉降。另一方面，桩体膨胀以及渗透的离子作用使得桩体之间的软土致密，提高承载能力。该种处理方法最适宜于处理淤泥、淤泥质土以及地基承载力不大于120KPa的粘性土和粉性土。2.2 碎石桩加固机理碎石桩是指通过向地层中夯填入碎石料后在地基中形成的由碎石料组成的桩（柱）体。碎石桩的加固原理因加固土体的性质和状况的不同而不同，一般为挤密和置换两种作用。对于饱和粘性土，碎石桩加固的主要机理
6、是置换；对于砂性土，加固的主要机理是挤密；而对于粉性土和非饱和的粘性土，则同时兼有挤密和置换两种作用。对于砂土、粉土以及非饱和粘性土的加固机理有：（1）挤密作用。对高含水量用振冲法施工，低含水量土中用沉管挤密，非饱和粘性土用干振法施工，在施工过程中通过强大的振压功使土中的水相与气相减少，使土颗粒重新排布，从而达到使土更加密实的目的。土体的挤密效果不但可增大土体的密实度和抗剪强度，提高地基承载力，降低压缩性，还可大大提高地基土的抗液化能力；（2）排水作用。反滤性和渗透性良好的碎石桩，能使孔隙水迅速排出，有效防止孔隙水压的增高和土体的液化。此外，碎石桩的存在也大大缩短了桩间土的固结排水路径，有利于
7、土体的固结和抗剪强度的提高；（3）预振作用。对于具有液化势的土体 ，由于碎石桩施工中的强烈振动，使土体产生较大的动应变，土体得到挤密，密度得到增加，同时土体所产生的这种预振大大改善了地基的抗液化性能，（4）减振作用。对于可液化地基，经加固后，地震烈度会因为剪应力在碎石桩上发生集中而得到降低。对于饱和性土的加固机理：（1）置换作用。饱和粘性土粒料含量大，粒间结构力强，渗透性差，孔隙水很难排出土体，在外力作用下挤向四周的土体造成周围土体产生侧移和地表隆起，因此，饱和粘性土地基上的碎石桩加固不是通过挤密桩间土，而是通过刚度较大的桩体置换桩体部位的软土来分担上部荷载；（2）排水作用。对于不同的地质、土
8、质环境碎石桩处理可选用振冲法、沉管法、干振法、射水成孔、强夯等不同的施工方法。2.3 排水固结法加固机理排水固结法是利用天然地基土层本身的透水性或设置在地基中的竖向排水体，通过预先在地表进行加载预压或利用结构物自身重量使土中孔隙水逐渐排出，土体逐渐固结压密，强度逐渐提高的方法。排水固结法由排水系统和加压系统两部分组成。根据排水系统和加压系统的不同，排水固结法有等载预压、堆载预压、排水板（砂井）等载预压以及真空预压等。等载预压、堆载预压与排水板预压的区别在于等载预压和堆载预压是利用天然地基作为排水系统、其排水过程是一维固结排水过程；而排水板预压法则在地基中设置了竖向排水体、使其固结排水过程变为三
9、维固结排水。在本试验段工程中，广泛采用了等载预压、塑料排水板等载预压等处理方法，对于普通路段，其地基软土层较高、较薄的情况均采用砂垫层与等载预压相结合的方法。3 软土地基处理方案设计3.1 工程概况及要求3.1.1 工程地质概况苏州绕城高速是苏州市道路规划网的重要组成部分，该高速公路处于平原水网地区及低洼河荡地区，项目区为第四系地质覆盖，厚度大，经调查项目范围内软土地基广泛分布，软土地基的处理将是本项目投资、进度、质量的重要控制方面，为指导工程大规模的施工，根据“工可”建议、建设单位要求，先修建先导试验路段。全试验段位于平坦水网及低洼湖荡平原区，起点k8+400至K9+900段为低洼鱼塘路段，
10、地面高程在-0.40.8m，K9+900到终点K13+400段为平坦水网路段，地势开阔，地面高程在1.82.4m。受地质构造控制，本区第四纪地层覆盖厚度达200m左右，其间河、湖、海频繁交替，层序清晰，勘探深度范围内有第四纪全新统，上、中、下更新统地层。其中更新统相对稳定，主要以硬粘土、亚砂土为主；全新统稳定性相对较差，发育较多软土，是区内的主要不良地质现象。本试验段的主要不良地质问题是21m以浅部分广泛分布两层软土，第一层1.55.0m厚度的流塑状淤泥质亚粘土，层底标高在-1.6-5.8m，在K9+900K11+400段局部厚度达15.0m层底标高在-13.97m，该层特点是厚度大、强度低、
11、压缩性高、抗剪强度低、渗透性小、具有触变性，易导致路基沉陷和失稳；第二层为3.37.2m厚的软塑状亚粘土层，层底标高在-14.618.5m，其特点是强度低，中高压缩性，易导致工后沉降。3.1.2 软土地基处理要求针对各区软土层的厚度、埋深及其性质，软土地基处理结合工期、经济、工程效果、施工工艺技术水平等分别采用了预压固结、塑料排水板、土工织物、粉喷桩、碎石桩、砂垫层以及综合处理等方法，以寻求有效提高承载力、减少沉降量、稳定地基的效果。为取得工程的最佳效果，在优化了软基处理的各种方案后，针对不同的地质地理环境，采用了恰当的处理方法；另一方面，工程项目采用了全面质量管理体系，强调施工的重要性，在软
12、基处理过程中主抓施工工艺水平，控制技术要点，这为后面的大面积施工积累了经验，提供了充分的指导意见。3.2 软土地基处理方案布置由于本路段地质环境复杂，针对不同的软弱地基环境，工程上采用了不同的软基处理方法，例如：在构造物（通道、桥梁的两端）附近采用了粉喷桩+砂垫层+等载预压，在流塑状淤泥质亚粘土较厚的区域采用塑料排水板+砂垫层+等载预压，在硬塑状亚粘土较浅、流塑状淤泥质较薄的地方则采用砂垫层+等载预压，同时 在一座桥的两端还试用了碎石桩处理寻求缩短工期情况下的效果。工程进行至现阶段，软基处理工作基本完成，为了总结经验，分析各种处理方式的处理效果以及与工程相关的各方面的情况，以指导后面的规模施工
13、.在本试验段中，在进行了粉喷桩、排水板、碎石桩处理后的路段，我们都采用了预压处理，在本试验段较短路段，因为软土层较薄，不需其他处理的情况我们也采用预压处理，因此总的来说等载预压处理是全路段都采用的处理方法。3.3 软土地基处理效果评价工程质量是第一位的，软基处理的效果如何是考察各种处理方案的关键因素，可以从工后沉降（现阶段沉降）、水稳定性等方面来分析研究。1）粉喷桩的沉降观测结果粉喷桩到现在的总沉降相对较少，一般在10cm左右，K79+933处粉喷桩的沉降观察结果如表1所示。表1 K79+933处粉喷桩的沉降观测结果K9+933处粉喷桩处理 设计总沉降：450mm日期观测沉降值 单位（mm）左
14、幅中线右幅11.12.01000 12.4000 12.08002 12.17181517 12.232928292012.1.5516051 01.10536354 01.17576859 01.23597062 01.31627264 02.16637365 02.21677466 03.07637667 03.16737870 03.24738070 04.14758073 04.22788476 05.08959283从表1的观测结果可以看出，粉喷桩有处理达到了预期效果，在稳定性、侧向位移上，同样可以从上面沉降值看出，都满足相关要求。2）碎石桩的沉降观察结果碎石桩到现阶段的沉降量相对很
15、少，一般在10cm左右，K11+043处的碎石桩的沉降观察结果见表2。表2 K11+043处的碎石桩的沉降观察结果K11+043处碎石桩处理 设计总沉降：450mm日期观测沉降值 单位（mm）左幅中线右幅11.12.0100012.0400012.0800012.1717151312.233131292012.1.541393501.1042424001.1743475001.2350555101.3157575502.1665676202.2170676303.0770726903.1673757203.2479818004.1480838004.2291858705.08978992由上表
16、的沉降值我们可以看到，沉降均匀稳定，并且总量很小，达到预期效果。3）塑料排水板处理的沉降观测结果排水板到现阶段的沉降量相对较大，一般在20cm左右，K8+900处的沉降观察结果如表3所示。表3 K8+900处塑料排水板处理的沉降观察K8+900处塑料排水板处理 设计总沉降：770mm日期观测沉降值 单位（mm）左幅中线右幅11.10.22000 10.2412115 11.03192015 11.23242721 12.03303125 12.04263626 12.10313626 12.16353437 12.19365039 12.27365011012.01.065453110 01.
17、196466119 01.266970126 02.257979128 03.028085134 03.088685134 03.2413596155 03.3014097157 04.0614098157 04.16147104161 04.24149110166 05.01167129188 05.11181152202由表3的沉降值，我们可以看出塑料排水板处理路段沉降值较大，排水固结加快。4）工程经济情况对于本试验段，从机械、人员、组织、材料等方面综合考虑，我们在成桩（处理完成后），进行了统计计算，其大概经济情况如表4所示。表4 不同处理方案的工程经济情况处理方法处理环境处理效果施工与技
18、术要求工期情况工程经济情况粉喷桩较多地用在桥梁的两端，以及涵洞、通道的下部及两端，以防止桥头跳车和构造物的不均匀沉降从沉降值来看，粉喷桩处理使软基的强度迅速提高，承载力与稳定性很快能达到预期效果， 为后继施工打下了坚实基础粉喷桩的工艺流程比较复杂，技术要求相对较高，技术控制点很多，要求操作人员的技术水平较高，施工组织严密粉喷桩在施工时速度比较慢，但成桩快，从总的工期看需要的时间比较短，可以很快进行后继工程的施工综合计量价格为62.0元/延米碎石桩在本试验段仅在一座桥的一侧采用，以替代原设计中的粉喷桩处理，其处理深度更深且比粉喷桩容易施工碎石桩处理后的桥头沉降稳定，取得了用粉喷桩处理的同样效果，
19、同时弥补了粉喷桩处理深度不够的缺陷碎石桩的施工工艺相对粉喷桩要简单，但技术要求还是比较高的，要求在施工中严格控制好电、水、料三要素碎石桩在施工时速度最慢，但它与粉喷桩一样，总工期很短，很快达到处理效果综合计量价格为157.0元/延米塑料排水板在本试验段普通路段，软弱地基较厚的地段都采用了塑料排水板处理塑料排水板处理明显使软基排水固结加快，沉降迅速，提高了软基的承载力与稳定性塑料排水板的施工工艺简洁明了，对施工人员来讲比较容易掌握，而且质量容易控制塑料排水板在施工时最快，打一桩仅需要几分钟，但后面的排水固结速度较慢，因此总工期较长综合计量价格为13.0元/延米等载预压在本试验段全程几乎都采用了等
20、载预压，使其与其他各种处理方法相结合，或单独处理等载预压与其他各种处理方法的结合使用，使处理效果更好，可靠性更强等载预压处理是比较简单而实用方法的处理，在操作上没有太多的困难等载预压处理，在本路段采用了160天与360天两种预压期计入工程土方量从表4可以看出：1）粉喷桩：62元/延米。2）碎石桩：157元/延米。3）排水板：13.0元/延米。等载预压，是全程采用并且直接从取土坑取土，计入工程土方量。4 总结与结论软基处理是本试验段路基工程的重要组成部分，也是工程能否保质、保期完成的关键所在，软基处理在工期、经费上占据了路基工程的很大部分，做好软基处理工作，同时也是整个工程质量的保证，因此，我们
21、在设计、方案选择、软基施工上都做了充分准备与认真细致的实地操作，为了保证软基处理工作取得预期的效果，保证质量与工期要求，我们从以下两方面从发，重点控制，严格把关：1）从宏观上讲，我们针对工程不同断面的地质地理环境，综合考虑工期、技术，经济等要求，选择最优化处理方式，以做到客观实际，对症下药。2）从微观上讲，我们在确定了适当的处理方法后，在施工工艺流程上，严把技术关，层层控制，环环抓紧，确保了工程质量。通过本试验段对软基处理的施工与观测，我们在软基处理的方案比较，施工工艺、质量控制等方面取得了广泛的认识，积累了大量的经验，验证了设计与施工参数，这为后期大规模施工提供了详尽的参考资料与指导意见，同
22、时也为后续工程打下了坚实的基础。参考文献1 梁中天. 软土地基处理方法探讨J. 科技情报开发与经济, 2008(12).2 郭双田,李庆跃,卢伟. 塑料排水板&强夯法在软土地基处理中应用研究J. 中国勘察设计,2011(1). 3 张晓青. 浅谈几种软土地基处理的方法J. 山西建筑,2009(2).4 张轶君. 某工程软土地基处理方案技术经济比选J. 城市道桥与防洪,2010(8).5 谢建平. 浅谈公路软土地基处理J. 机电产品开发与创新, 2009(7).6 沈烨. 软土地基处理方法综述J. 山西建筑, 2011(5).7 李明娟. 软土地基处理在上海郊区高速公路中的运用J. 城市道桥与防
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