淺談高達(dá)614m級(jí)路基的沉降

淺談高達(dá)614m級(jí)路基的沉降

位于上海西郊的大型汽車公司考場(chǎng)是該公司多功能汽車公司的總部。業(yè)主委托德國(guó)obermeier公司進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在四個(gè)辦公室中建造了該公司。試車場(chǎng)地處長(zhǎng)江三角洲沖積平原前沿，軟土深厚，地表平坦，海拔3.6m左右，以稻田為主，河流、水溝、魚塘、村落散布其間。試車場(chǎng)占地廣袤，東西長(zhǎng)約2200m，南北寬約800m，分區(qū)布設(shè)了各種測(cè)試用地坪和特殊道路，其中部分路基如高速環(huán)道東、西曲線段，坡道丘等填高6～14m，對(duì)工后沉降的要求特別高，在上海地區(qū)尚屬首次。設(shè)計(jì)采用的軟基加固方法以歐洲習(xí)用的砂井或砂井加打入樁為主。為使工程能順利進(jìn)行，業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工各方相互配合，在設(shè)計(jì)和施工方面進(jìn)行了一些試驗(yàn)和探索。1地基土物理力學(xué)指標(biāo)場(chǎng)地范圍內(nèi)，受古河道切割影響，土層和土性變化較大，覆蓋層大于80m，在地面下40m深度內(nèi)，主要由飽和粘性土、粉粘土、砂土組成，可分為八層，分別為：(1)填土，層厚0.4～3.0m，黃色～灰黑色，濕，松散，一般為耕土或地基土，多含植物根莖、碎磚、石塊等，下部為填土，呈灰黑色、流塑。(2)粉質(zhì)粘土，層厚0.2～2.9m，褐黃～灰黃色，濕～很濕，可塑～軟塑，下部土質(zhì)逐漸變軟，可作為路基持力層。(3)-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，層厚4.7～17.3m，灰色，飽和，軟塑～流塑，含云母、有機(jī)質(zhì)，夾薄層粉砂。土質(zhì)較差。(3)-2砂質(zhì)粉土塊粘質(zhì)粉土，厚2.0～16.0m，灰色，飽和，松散～稍密，含云母、腐植質(zhì)，夾粘質(zhì)粉土。(3)-3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，厚2.5～12.0m，灰色，飽和，軟塑-流塑，含云母、有機(jī)質(zhì)，夾薄層粉砂，局部夾多量粉質(zhì)粘土，土質(zhì)較差。(5)-1粉質(zhì)粘土厚，1.5～12.0m，褐灰色，飽和，軟塑，含云母、鈣質(zhì)結(jié)核及黑色半腐植質(zhì)。局部地區(qū)下部含0.3～0.5m泥炭層。(5)-2砂質(zhì)粉土厚，1.7～6.5m，褐灰色，飽和，稍密，含云母、貝殼碎屑，夾薄層粉質(zhì)粘土，可選擇為小樁持力層。(6)粉質(zhì)粘土。厚1.7～8.0m，暗綠～草黃色，濕，硬塑～可塑，含云母、氧化鐵斑點(diǎn)，下部土質(zhì)砂性較重。土質(zhì)較佳，可作為樁基持力層。(7)粉質(zhì)粘土-砂質(zhì)粉土，離地面深度超過40m，厚2.0～8.5m，草黃～褐黃色，飽和，稍密-中密，含云母、氧化鐵斑點(diǎn)，土性變化大。(8)-1粉質(zhì)粘土，厚8.0～18.5m，灰色，飽和-很濕，軟塑-可塑，含云母，夾薄層粉砂。(8)-2粉質(zhì)粘土、粉砂互層，灰-青灰色，濕，可塑，系薄層粉質(zhì)粘土與粉砂互層。地基土的主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。根據(jù)軟土層厚度及各地層物理力學(xué)指標(biāo)的差異，地質(zhì)勘察單位將場(chǎng)地劃分為A、B、C三種地質(zhì)單元類型，其中A、B兩區(qū)地基土分布差異性較大，C區(qū)地基土較為均勻，但試車場(chǎng)一期工程的主要測(cè)試用場(chǎng)地及道路卻大都設(shè)置在A區(qū)和B區(qū)。地質(zhì)勘察單位同時(shí)提供了各單元(2)、(3)-1層不同的地基承載力、各地層預(yù)制打入樁單樁極限摩阻力以及(5)、(4)-1層的樁端極限端承力等參考數(shù)據(jù)。事后驗(yàn)證，這些數(shù)據(jù)均存在較大的離散性。2邊坡、護(hù)坡、高速環(huán)道、方向高速環(huán)道填方大眾試車場(chǎng)雖然設(shè)置了許多汽車功能測(cè)試場(chǎng)地及道路，其中只有坡道丘、坡道小丘和高速環(huán)道的東西曲線等三個(gè)部分是高填方。為了進(jìn)一步改善高填方軟基加固設(shè)計(jì)方案，業(yè)主和設(shè)計(jì)公司商定，提前修建一個(gè)試驗(yàn)性的模擬路基高填方，稱之為“試堆土”。2.1充填地基沉降與整地試堆土位置選定在軟土層較為均勻、地基土層次變化少的C區(qū)，填方底部長(zhǎng)82m，寬37m，填高6m，地質(zhì)剖面見圖2。試堆土采用了兩種不同的地基加固方法。第〈Ⅰ〉段為砂井加打入預(yù)制鋼筋混凝土方樁。砂井深度10m、11m、13m不等，樁距3m×3m，砂井完成后加載預(yù)壓后再在砂井之間打入預(yù)制方樁（0.25m×0.25m或0.3m×0.3m），間距亦為3m×3m；第〈Ⅱ〉段只打設(shè)10m砂井，間距同上，兩種加固形式及填土基本同步施作。第〈Ⅰ〉段的工藝流程為：(1)地基外圍挖溝排水、地表平整壓實(shí)→(2)打設(shè)砂井→(3)鋪設(shè)0.3m厚砂墊層和土工布→(4)堆填2m厚石灰土預(yù)壓→(5)一個(gè)月后沉降趨于穩(wěn)定隨即卸載1.8m→(6)在砂井之間打入方樁→(7)樁頂鋪設(shè)碎礫石承重層0.8m及土工格柵二層→(8)填筑二灰土路基至設(shè)計(jì)高度→(9)進(jìn)入工后沉降觀測(cè)期。工序(1)～(6)在3個(gè)月內(nèi)完成，(7)～(8)在2個(gè)月內(nèi)完成。理論計(jì)算結(jié)果，路基沉降可在21～25個(gè)月后趨于穩(wěn)定?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：(1)填土后18個(gè)月后路基即趨于穩(wěn)定，在2000年11月至2001年11月一年中〈Ⅰ〉區(qū)沉降量為20mm，〈Ⅱ〉區(qū)沉降量為24mm。在以后的4個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)了反彈現(xiàn)象，各抬高1mm，說明已完全穩(wěn)定。(2)路基最終沉降量，〈Ⅰ〉區(qū)331mm，〈Ⅱ〉區(qū)403mm。(3)路基坡腳穩(wěn)定，〈Ⅰ〉區(qū)位移約8mm，〈Ⅱ〉區(qū)約12mm，垂直位移是1m。(4)兩種地基加固方法的變形量相差不大。2.2路面結(jié)構(gòu)層沉降觀測(cè)坡道丘是一個(gè)模擬山區(qū)道路的扁圓形人造丘陵，丘陵上設(shè)各種坡道，周圍還設(shè)有迂回曲折的各種模擬山區(qū)道路，坡道丘頂部高程18.1m，填高14m多，底部直徑約200m，為試車場(chǎng)中最高的填方，位于B區(qū)。坡道區(qū)地基加固設(shè)計(jì)為10m、14m、18m三種深度的砂井共3990根，間距3m×3m。坡道丘的工藝流程為：(1)挖溝排水，做粘土坪基使之形成3%輻射開橫坡→(2)鋪設(shè)25cm厚固結(jié)層→(3)打設(shè)砂井→(4)鋪設(shè)0.3m厚砂墊層及土工布→(5)堆填1.2m石灰土并加鋪土工格柵→(6)填二灰土到15.1m高程→(7)沉降觀測(cè)至穩(wěn)定→(8)卸載到10.1m高程→(9)換填輕型填料至頂面標(biāo)高18.1m→(10)施作路面結(jié)構(gòu)層。工序(1)～(5)于4個(gè)月內(nèi)完成，以后3個(gè)半月內(nèi)即2000年5月底，當(dāng)預(yù)壓土填到7m（約10.5m高程）時(shí)，出現(xiàn)了意想不到的大沉降量，此時(shí)坡頂沉降量達(dá)1615mm，坡腰800～1200mm，于是停止填土，繼續(xù)觀測(cè)至2002年2月底，坡頂累計(jì)沉降量已達(dá)2240mm坡腰亦達(dá)1100～1600mm，沉降速率仍達(dá)3.3mm/月。各測(cè)點(diǎn)的沉降值離散性甚大。但是，坡道丘坡腳的各個(gè)測(cè)點(diǎn)卻沒有出現(xiàn)大的變形量，只有一個(gè)方向出現(xiàn)了最大為194mm的水平位移和很小的垂直位移，當(dāng)與坡道丘扁平的形狀有關(guān)。沉降曲線見圖5、6。由于工期的制約，預(yù)壓期不能再延長(zhǎng)了，業(yè)主和設(shè)計(jì)公司商量后決定卸載，改用新型輕質(zhì)合成材料EPS（膨脹聚苯乙烯）塊堆填，因EPS塊的質(zhì)量?jī)H25kg/m3，堆填成型后基底沉降自然趨于穩(wěn)定，防止了基底的破壞性滑移，解決了工后沉降問題，但造價(jià)增加甚多。對(duì)于坡道丘而言，單純采用砂井加固的設(shè)計(jì)方案是不成功的。2.3路面結(jié)構(gòu)層基層制作坡道小丘長(zhǎng)約200m，為一拱形小坡，丘頂填高6.5m，兩端通向各種類型的路面及線形，位于B類區(qū)，軟土(3)-1層厚11～15m。坡道小丘基底以砂井排水固結(jié)，砂井深10m，間距3m×3m，其工藝流程為：(1)清理表土，排地表水→(2)地基填土0.25m壓實(shí)固結(jié)→(3)打設(shè)砂井→(4)鋪砂墊層0.3m及土工布→(5)填筑二灰土路基及超載土預(yù)壓→(6)觀測(cè)沉降→(7)卸去超載土，施作路面結(jié)構(gòu)層。工序(1)～(4)于2個(gè)月內(nèi)完成，工序(5)于2個(gè)月內(nèi)完成，工序(6)經(jīng)過了9個(gè)月時(shí)間，卸去超載預(yù)壓土后，路基沉降速率仍達(dá)29mm/月。甚至路面做完后的7個(gè)月內(nèi)又沉降了225mm，沉降速率在第7個(gè)月仍達(dá)13.5mm/月之多。2.4路面層鋪設(shè)與苗木基高環(huán)東、西曲線段均跨越A、B、C三個(gè)區(qū)域，某些地段軟土層次不整齊，厚度差異大，曲線段路基的典型橫斷面是多心圓弧曲面斜路面，最高處填高6m，見圖7、圖8。東、西曲線段基底加固設(shè)計(jì)均采用砂井+打入方樁方案，經(jīng)過兩次預(yù)壓，使路基趨于穩(wěn)定后方鋪設(shè)路面層。曲線段砂井深度為12m至16m，鋼筋混凝土預(yù)制方樁為25cm×25cm、30cm×30cm兩種，樁長(zhǎng)12m～16m。工藝流程與試堆土〈Ⅰ〉區(qū)類似，即：⑴排水、平整壓實(shí)地基面→⑵打設(shè)砂井→⑶砂墊層、土工布⑷→預(yù)壓二灰土→⑸觀測(cè)沉降→⑹挖除預(yù)壓土→⑺打入預(yù)制方樁→⑻鋪砂礫石層及土工格柵→⑼填筑二灰土路基本體及超載預(yù)壓土→⑽觀測(cè)沉降→⑾趨于穩(wěn)定后挖除超載預(yù)壓土→⑿鋪設(shè)路面層。東曲線工序⑴～⑹于5個(gè)月內(nèi)完成，⑺～⑻于8個(gè)月內(nèi)完成。觀測(cè)4個(gè)月后挖去超載土，施作路面結(jié)構(gòu)層，此時(shí)路基累計(jì)沉降量551～230mm，沉降速率仍達(dá)9mm/月。西曲線工序⑴～⑹于9個(gè)月內(nèi)完成，⑺～⑻于5個(gè)月內(nèi)完成。觀測(cè)2個(gè)月后挖去超載土，施作路面結(jié)構(gòu)層，此時(shí)路基累計(jì)沉降量449～235mm，沉降速率仍達(dá)6mm/月。3工后沉降的標(biāo)準(zhǔn)3.1關(guān)于高填路基穩(wěn)定問題大眾試車場(chǎng)的設(shè)計(jì)公司始終沒有正式提出過衡量路基達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)。間或透露過一些設(shè)想，即在6周內(nèi)沉降速率小于1mm，亦即8.6mm/年。這一標(biāo)準(zhǔn)顯然遠(yuǎn)高于國(guó)外一般時(shí)速300km高速鐵路路基允許工后沉降小于10cm、年沉降速率20～30mm的規(guī)定。根據(jù)試車場(chǎng)的工程實(shí)踐，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：(1)通過試堆土和高環(huán)曲線段的實(shí)踐，6～7m高的填方，采用砂井打入樁+兩次超載預(yù)壓的加固方法，經(jīng)過18個(gè)月以上的固結(jié)期，有可能滿足6周內(nèi)沉降速率小于1mm的高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)想。(2)由于上海地區(qū)軟土層的不均勻性，在比較長(zhǎng)大的范圍內(nèi)，沉降量可能出現(xiàn)相當(dāng)大的差異。(3)試堆土試驗(yàn)結(jié)果證明，在軟土層物理力學(xué)性能較好，層厚變化少的地方（如B區(qū)），即使只用砂井固結(jié)，也有可能達(dá)到6周內(nèi)沉降速率小于1mm的標(biāo)準(zhǔn)；但當(dāng)下臥層地質(zhì)條件稍有變化，即可能發(fā)生極大的問題（如坡道丘）。為安全計(jì)，單用砂井固結(jié)是不宜作為上海地區(qū)高填路基軟基加固的設(shè)計(jì)方案的。(4)由于上海地區(qū)軟土地層的層次變化多，導(dǎo)致一段路基中路基沉降量和沉降速率的離散性極大（如高環(huán)曲線段中，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降量相差6倍，沉降速率相差3倍）。以后的正式工程在鋪設(shè)路面時(shí)均未能達(dá)到沉降速率1mm/6周這一標(biāo)準(zhǔn)。因此，將工后沉降的標(biāo)準(zhǔn)定到高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)可能是比較現(xiàn)實(shí)的。3.2上海大眾試車場(chǎng)高填方在國(guó)內(nèi)尚屬首次，軟基加固，德國(guó)公司選用了砂井加打入樁的方案。其特點(diǎn)為：(1)提高了施工工業(yè)化程度，因而施工時(shí)間短、使用勞動(dòng)力少，可控性強(qiáng)。(2)打入樁群加強(qiáng)了基底的剛性與整體性，減少了工后沉降，特別是由于打入樁群的約束作用，大大減少了路基坡腳變形，穩(wěn)定了路基。但是，這種基底加固體系使地基的受力條件復(fù)雜化了，有一些問題尚待進(jìn)一步研究：(1)砂井和第一次預(yù)壓對(duì)軟基起到了較好的排水固結(jié)作用。當(dāng)打入預(yù)制樁時(shí)，砂樁有可能受擠壓變形，影響排水固結(jié)。(2)基底受力條件不明確，按復(fù)合地基怎樣計(jì)算合理？同時(shí)，樁頂雖有二灰土及礫石土工格柵“承重層”，因樁距較大，仍難以起到承臺(tái)的作用。(3)砂樁間距3m×3m，打入樁布置在砂井對(duì)角線交1點(diǎn)，間距也是3m×3m，兩者間距都較大，是否合理。如能做些比較試驗(yàn)更好。3.3“兩次預(yù)壓”是試車場(chǎng)路基施工的又一特點(diǎn)，由于砂井做完后進(jìn)行第一次預(yù)壓，促使軟土加速排水固結(jié)后，再打入預(yù)制樁，然后填筑路基本體及動(dòng)載預(yù)壓土，待路基沉落至基本穩(wěn)定時(shí)再做路面，有效的控制了路面構(gòu)筑后的工后沉降。但是，在上海的軟土地基上，采用這種方法必須有20～30個(gè)月的沉降期。許多受工期限制的國(guó)內(nèi)工程往往很難做到。因此在條件許可時(shí)，真空預(yù)壓可能是更好的選擇。3.4由于上海地區(qū)缺乏良好的路基填料，選用經(jīng)濟(jì)合理的填料是個(gè)大問題，大眾試車場(chǎng)采用二灰土（摻加了石灰、粉煤灰的當(dāng)?shù)胤圪|(zhì)粘土）作為高填路基填料，質(zhì)量較輕而強(qiáng)度高，填成的路基整體性好，是成功的。根據(jù)試車場(chǎng)坡道丘高填的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，今后在上海地區(qū)高填路基中，在經(jīng)濟(jì)合理的前提下，全部或部分采用EPS塊填筑路基，不失為一種選擇。3.5在上海地區(qū)，由于沖積土形成的條件比較復(fù)雜，軟土成份和層次變化大，加之當(dāng)?shù)厝藷煶砻?，人類活?dòng)頻繁，河浜水塘的變遷甚多，地質(zhì)勘察部門雖然做了相當(dāng)多的工作，施工后在路基變形監(jiān)控中仍出現(xiàn)了測(cè)得數(shù)據(jù)離散性相當(dāng)大。更為突出的是基底地質(zhì)條件相似的坡道丘和坡道小丘（同為B區(qū)），同樣采用砂井排水加固地基，前者沉降2200mm，后者僅沉降225mm。因此，在類似工程中加強(qiáng)地質(zhì)勘探工作的針對(duì)性，地質(zhì)工作如何緊密結(jié)合設(shè)計(jì)與施工，提供更加翔實(shí)可靠的工程地質(zhì)資料，是非常必要的。3.6試車場(chǎng)坡道丘和試堆土兩個(gè)工點(diǎn)，在施工中出現(xiàn)一些不正常情況，分析意見：(1)坡道丘本身為一扁圓形人造丘陵，雖然填高14m多，但底面積大，坡率緩，因此設(shè)計(jì)時(shí)只考慮了砂樁固結(jié)排水，省掉了打入樁，而以較輕的二灰土超載預(yù)壓來加速地基的固結(jié)沉降，填筑預(yù)壓時(shí)出現(xiàn)了異常的大沉降量，其原因可能是：(a)當(dāng)基底軟土厚度達(dá)13m，填土高度14m時(shí)，單純用砂樁加固是不夠的。(b)如果是公路鐵路的梯形填土斷面，這樣大的沉降量將會(huì)使路基及坡腳附近地表劇烈變形，可能導(dǎo)致路基的破壞。(c)在上海地區(qū)設(shè)計(jì)較高的路堤時(shí)（例