高速公路工程建设中软土路基施工工艺

高速公路工程建设中软土路基施工工艺

摘要:高速公路建设比较复杂,其中的软土路基施工更是重中之重。唯有确保软土路基的处理成效,后续工序才能顺利开展。文章以某高速公路工程为背景,着重围绕其中的软土路基施工技术展开探讨,具体包含软基特点、软土路基施工技术要求、处理方案设计与选择以及工技术要点,以供相关人员参考。

关键词:高速公路;软土路基;施工技术

一、工程概况

某工程起讫桩号K3+800至K7+800全长4km,沿线以软基为主,缺乏足够的承载性能,需进行有效的处理,提升其承载力,保证稳定性。处理长度3.056km,占全线长度的76.4%,路线纵向淤泥3—12m不等,持力层横坡较大。现场施工条件欠佳,若直接于该处组织路基填筑作业,容易诱发失稳问题。路基地层概况,如图1所示。沿线勘察结果显示,软土路基基底下卧层以淤泥为主,其含水量较高、缺乏足够的承载能力,不具备直接于该处施工的条件,因此需采取针对性的软基处理方法,以达到加固软基的效果。

二、高速公路软土路基的主要特点

(一)抗剪强度较低

与其他土壤的抗剪强度比,软土的抗剪强度不高。国内软土主要参数:内摩擦角20°—35°,不排水抗剪强度最高<20MPa。受到排水固结的影响,软土路基的抗剪强度会有所变动。

(二)土壤强度低

在软土结构内部,如果原状软土受到振动或挤压作用的影响,软土内部的絮状体系很大程度上会受到破坏,土壤强度也因此逐渐下降,严重地,土壤会不断流动。在经受扰动作用后,软土强度会不断提升。在渗透性与压缩性方面,前者较差,后者较高。压缩模量通常<4MPa,软土的压缩性与液性指数呈正比例关系,压缩性越高,液性指数越高;压缩性越低,液性指数越低。从垂直角度讲,软土的渗透系数在10-8—10-6cm/s。

(三)含水量较高

不论是设计还是在建设高速公路时,软土均是一个不容忽视的问题。软土一般由淤泥和黏土颗粒组成。因此,软土路基内部富含水分较多。在某些地质状况下,有机物内部会形成絮状体系,这种体系的孔隙一般不大。软土的含水量在36%—80%,在剪力作用下软土会出现变形。如果出现固结的情况,软土不可避免会形成次固结沉降现象,这对道路安全造成了负面影响[1]。

(四)平整性不足

目前,我国高速公路路面普遍存在平整度不足问题。道路不平对行驶车辆的损害是严重的,尤其是汽车轮胎。高速公路平整性不足的主要原因在于施工人员素质欠缺,在对高速公路进行施工时,没有依据相关规章制度展开施工,直接造成某些路段与施工标准不符。

三、软土路基处理方案设计及具体选择

(1)设计的基本原则。在处理路堤软土路基方案时,一般路堤的沉降会<25cm,桥头路堤沉降会<10cm,涵洞沉降会<15cm。如果施工后沉降的计算数值无法达到上述指标,那么需要利用其他处理途径。

(2)软土路基地段路基的沉降估算。估算时有必要参照有关成果。路基沉降的估算主要从2个部分展开,即计算路基的总沉降量和计算路基的固结沉降量。沉降包含三类,即瞬时沉降Sd、固结沉降S0和次固结沉降Ss,产生的总沉降则指的是三者的总和,即总沉降量S=Sd+S0+Ss。因为路基软土主要由淤泥质黏土组成,次固结沉降可以忽略。路基沉降中,固结沉降是最基本的构成部分。由于计算沉降时会涉及多个因素,计算比较复杂。在具体实践中,一般利用“分层总和法”对固结沉降进行推算,推算出结果后,乘以综合性修正系数,此时总沉降量S=Ms•S0。式中,Ms为修正系数,取1.1—1.2。

(一)软土路基处理方案的选择

以承载力、沉降控制为基本出发点,综合考虑工期、造价多重条件,初步制定几项软土路基处理方案,再进行多维度的分析,选择最具可行性的方案。为全面增强处理效果,也可联合应用多种方法,发挥出各类方案的应用优势,但需注重施工工序的协调。在软土路基方案的选择中,可以在不影响处理效果的前提下优先采用浅层处理方案,若应用效果欠佳,则调整为深层处理,即尽可能以较少的资源投入来达到预期效果。在各类方法中,排水固结是典型的方法,其中又以塑料板排水法较为合适,其排水固结效果好,施工效率较高。

(二)软土路基处理的控制

软基处理效果与设计方案是否合理、施工质量是否有所保障、预压时间是否充足息息相关。所以,在施工计划制定、施工质量控制、沉降观察等各个方面,可以采取3个举措:(1)真正确保软基处理施工质量的过关,确保软基处理达到设定标准;(2)在施工进度方面下大功夫,确保沉降预压期有足够的时间;(3)在全部软土地段,布置沉降标志,对路基施工阶段的沉降量进行及时观测,同时还要制作清晰准确的沉降曲线,不仅要分析路基的沉降情况,还要分析路基的稳定情况。

四、高速公路软土路基施工工艺的具体应用

在本工程中,先针对现场的软土路基做有效的处理,再以分层的方式填筑。软基施工的工艺要点较多,具体做如下分析。

(一)施工准备

本工程路基土方量较大,同时与路基排水、加固等存在密切的关联,因此在质量标准、施工技术方面均有特殊性。为切实提高质量需落实准备工作,给正式施工创设良好的条件。1.以施工要求为导向,建立管理机构,组建高素质的施工队伍,同时制定相应的规章制度,由专员严格依据规范开展相应的工作。2.注重现场勘查,同时将实测结果与设计文件做对比分析,充分遵循因地制宜的原则。3.加强现场车辆组织管理,以免对软土路基施工造成干扰,并全面清理施工范围内的障碍物[2-3]。4.有效完善各类临时工程,包含水、电等基础设施的供应,以便机械设备的正常运行以及人员的高效作业。

(二)路基排水

根据水源的不同,路基排水主要包含两种形式,即路面排水和地下排水,其中,水具有冲刷、渗透作用,随着时间的延长,路基的完整性受到影响,承载性能降低。对于渗入路基的水,其会促进土体湿度的增加,削弱路基的强度。地下水对路基的危害程度不尽相同,轻则导致路基湿软,重则破坏路基的稳定性,产生边坡滑塌等问题。路基排水的关键在于有效降低土基的湿度,将其稳定在合理的范围内,由此来保证路基、路面的强度。路基施工前,需全面检查排水系统,判断其是否存在异常状况,若有则及时处理。针对会削弱路基稳定性的地下水,以拦截、排除的方法加以处理,以免出现地面漫流或下渗等问题,具体可以修筑边沟、截水沟等相关设施。对于影响到路基稳定性的地下水,在对其的处理中,可以采取隔断、疏干等相关方法,尽可能将其引至路基范围外,具体可借助盲沟、渗井等相关设施而实现。此外,需从实际情况出发,合理设置临时性排水设施,给路基土石方及附属结构的施工创设良好的条件,更为有效地保证工程质量。

(三)设置填石隔水层

为同时满足质量和效益的双重要求,在本路段的软基处理中,采取的是砂垫层为主,联合应用土工布、塑料排水板的综合型方案,之所以应用该方案,原因在于其具备施工高效、成本低等多重优势,但也存在局限性,即软土的排水固结周期较长,并在路基填筑工作落实到位后,还需安排预压作业,即路基达到稳定状态需耗费较长的时间。在软基处理中,砂垫层的设置具有必要性,其可以起到扩散应力的作用,同时也能够给水的外排提供通道,为此需合理设置砂垫层。为尽可能减小路基填土对砂垫层的污染,建议在既有砂垫层的基础上增设厚度约为1m的隔水层(全宽度设置)。隔水层材料选择方面,秉承着资源效益最大化的原则,采用石方爆破区(设置在K1475+850处)的石料,既能够提高材料利用率,又可以减少爆破废料外排工作量。通过隔水层的设置可防止路基填土污染砂垫层,从而保证砂垫层的水可以高效排出;在有效控制隔水层的厚度后,可隔绝地下水的流动,以免其在毛细孔作用下浸泡软土路基,而在增设隔水层后,还可适当增加填土路基的底高程,确保在软基沉降稳定时可有效抵御地下水造成的不良影响。受荷载的作用,软基逐步排水固结,且通常呈现出路基两侧坡脚沉降较小而路中心沉降最大的特点,此时地基表面形成抛物面,将在该结构的底部大量聚积地下水,威胁到路基的稳定性。路基沉降相对稳定后的断面,如图2所示。

(四)加强路基沉降监测

路基变形监测是掌握路基实际情况的重要依据。在路基填筑前,沿路线纵向取多个具有代表性的断面,视为变形观测断面,合理开展观测工作,及时采集数据,以便根据实测数据对路基的稳定状态做出相应的判断。在观测断面设变形观测桩,此时分为两种,即沉降观测桩、侧向位移观测桩,前者布设在路中心及左右路肩距边缘0.5m的位置,后者设在距路基坡脚5m的位置。其中,对于布设的侧向位移观测桩而言,可在其顶面设观测点。沉降观测桩的组成材料为钢板和钢管,以分节段的方法制作成型,单节长度控制在300—500mm,将两端加工成螺纹丝口,用套管稳定连接。填筑前,先将首节沉降观测桩布设到位,而后以路基施工情况为准,根据分层填筑进度做适当的加高处理。施工有扰动性影响,因此全程均加强对观测桩的有效防护,以免因此类结构受损而影响到正常的观测。在桩位处设显眼的警示标志,用于告知外界,禁止破坏观测桩。填筑过程中,每完成一层的填筑作业后,随即安排一次变形观测,全面采集信息,做完整的记录。若相邻两层填筑间隔时间较长,可按照每3d一次的频率安排观测;预压环节,按照每14d一次的频率组织变形观测。针对所得的观测数据做对比分析,若日沉降量≤10mm、日侧向位移量≤5mm,则路基相对稳定,达到要求,若超出许可范围,则随即暂停填筑,深入现场查明具体原因,妥善处理,待路基恢复稳定后,方可继续完成后续的施工。

(五)超载预压

软土路基上共布设9座箱涵、通道等构造物,以反槽开挖的方法施工。具体而言,以软土路基的施工状态为准,待该部分填筑完成且沉降达到相对稳定的状态后,方可组织沟槽的开挖作业。涵址所处部位恰好是软土路基区域时,在对其进行处理时可采取砂垫层和塑料排水板相综合的方案。软土地基固结持续时间较长,可能会延长工期,因此在不影响路基填筑质量的前提下,在箱涵等构造物中心桩号前后40—50m内加快填筑速度,该部分采取超载预压的方法,由此来达到缩短软土稳定时间的效果。在采取超载预压的方法后,可提高地基土层的附加应力,促进地基的沉降固结。土层的最终变形量S,如下:式中:a为土的压缩系数;e1为施压前土的孔隙比;σz为地基土层附加应力;H为淤泥层的厚度。对上式展开分析,可知得知,随着σz的增加,S值呈同步增加的变化,由此进一步分析,即达到设计荷载下土层变形量S1的耗时,具体有:式中:t为达到设计荷载下地基变形所需要的时间;C为反映地基固结性能的待定常数,S1为设计荷载下地基的变形。分析发现,在增加土层的最终变形量S后,有助于缩短地基变形持续的时间t,从而达到提高施工效率的效果。在超载预压的方式下,能够给地基固结提供推动作用,缩短在此方面所持续的时间,同时有效减小构筑物的工后沉降,更有助于保证工程结构的稳定性。实践表明,在合理调整施工进度,使箱涵等构造物所在区域的软土提前填筑结束后,能够超前于设计时间进入预压期,且受到超载的影响,固结速度加快,软土由失稳达到固结稳定状态所持续的时间较短,给箱涵等构造物的提前施工创设了良好的条件,并且还有助于减小构造物的工后沉降量。

(六)反压护道

在本文所分析的高速公路工程中,软土地基的下卧持力层横坡较大,在此形态特征下,迫使软土在路基与下卧层间产生“软土楔体”,而施工具有一定的扰动作用,可能有失稳现象。例如,出现不同程度的“滑坡”(其中最为普遍的是发生在危险的一侧,即左侧),针对该问题,决定对路基左侧坡脚做有效的处理,即增设反压护道,在采取此方法来提高软土路基的稳定性。

五、结语

在高速公路施工中,软土路基施工工艺的作用不容小觑,对提高公路质量有强大的助力作用。同时,软土路基质量如何,与其后期使用期限息息相关。在具体施工中,工作人员必须利用更加优秀的施工工艺,以确保高速公路质量过硬。

参考文献:

[1]崔晓鹏.高速公路建设中的软土路基施工工艺[J].工程建设与设计,2021(21):174-176.

[2]王帅,魏斌斌.高速公路路基拓宽中的软土地基处理技术[J].工程建设与设计,2021(06):37-39.

[3]张树全.试述高速公路软路基的施工处理关键措施[J].工程建设与设计,2020(07):231-232+235.

作者:柳艳军 单位:中交一公局厦门工程有限公司