引 言

在公路交通建设和提级改造过程中,互通式立交工程发挥着巨大作用[1],其能够在保证主线直行交通有序的同时,满足交叉公路之间交通转换的需求[2]。互通式立交工程具有路基与桥梁相结合、路基填方高等特征,在深厚软土地区易在路桥结合部位产生差异沉降,高填方路基易发生较大工后沉降和路基失稳等问题。因此,采用合理可行的地基处理方法对软土地基进行加固处理是确保互通式立交工程运营安全性和舒适性的前提。同时,施工期进行监测工作是一个必不可少的环节[3-6]。

本文以某深厚软土地区高速互通立交工程为例,分析互通路基差异沉降和失稳的原因,探讨真空预压以及堆载预压的地基处理方法[7]在施工中应注意的必要细节,并提出路基二次处理方案,以供类似工程借鉴。

1 工程概况

某高速公路互通工程位于深厚软土地区,场地内广泛分布着流塑状淤泥层,厚度约为18 m,软土的主要物理力学指标如表1所示,路基填筑前需对软土进行加固处理。受立交跨线桥高度限制,本互通路基填筑高度6-8 m,考虑沉降补方影响,路基最大填筑高度接近10 m。根据地基软土厚度、填筑高度、与立交桥相对位置等条件,设计采用真空联合堆载预压法对软基进行处理。

表1 某互通式立交软土的主要物理力学指标

施工过程中,受土方供应能力的限制,将真空联合堆载预压法施工工序调整为真空预压和堆载预压两阶段施工,先对软基进行真空预压处理,预压时间10个月,待其沉降稳定后将真空压力卸载;土方供应到位后再进行填土预压,预压时间12个月,但受工期影响,地基填土预压未能达到时间要求便进行路面施工,导致部分路段出现裂缝、失稳等现象。

2 监测数据分析

2.1 监测概况

本互通立交工程在前期软基处理和填筑阶段布设地表沉降、深层土体水平位移、地表水平位移、土压力、地基空隙水压力以及地下水位等监测点;上部路面施工时,受现场施工情况和施工组织的局限性,埋设监测点均被破坏且无法修复,导致数据缺失;地表出现裂缝、路基失稳后进入二次处理阶段,重新布设监测点进行施工监测。图1给出了互通立交的平面图及其监测点的布设情况。

图1 某互通式立交平面图及其监测点布设情况

2.2 监测数据分析

本项目采用真空预压和堆载预压两阶段进行软土地基处理,并对这两个施工阶段的监测点持续观测。其中,地表沉降数据是反映软基处理前后加固效果最有力的依据,根据本工程特点,选取三个真空预压区的沉降数据进行分析。

2.2.1 C匝道段监测数据分析

该匝道段软基在真空预压和堆载预压阶段均发生较大沉降,路面施工之前,沉降趋于收敛,但沉降速率偏大。施工过程中地表累计沉降数据如表2所示,持续沉降监测曲线如图2所示。真空预压阶段持续时间约为10个月,堆载预压阶段持续时间约为5个月。

表2 C匝道断面施工期地表沉降数据

从图2中可以看出,真空预压阶段,两个断面的沉降-荷载-时间曲线表现出一致的变化趋势。开始施加真空荷载时,地表开始发生沉降,此时地表沉降速率最大,随着时间的推移,地表沉降量持续增加,但沉降速率逐渐变小,地表累计沉降量趋于稳定。此时在总压力不变的情况下,软土中的孔隙水在抽真空所造成的负压差的作用下排出,孔隙水压力慢慢消散,有效应力逐渐增加,地基土中的孔隙也逐渐闭合,土体实现固结,地表发生较大沉降量[8]。真空预压期间地表最大沉降量达到了1539 mm,平均沉降量达到了1387 mm,表明真空预压处理阶段软基已完成较大程度的固结。

图2 C匝道段监测断面沉降-荷载-时间曲线

堆载预压阶段,地表再次发生沉降,累计沉降量随着时间的推移不断增大,地表沉降速率在某一值附近波动,此时,通过增大软基的总压力,使软土有效应力增大,固结程度进一步加深。根据监测数据可以看出,堆载预压阶段累计沉降量在96-414 mm之间,上部路面施工前软土地基沉降速率虽趋于稳定,但速率仍偏大,堆载预压阶段也发生较大沉降,地基仍存在变形失稳破坏的风险。

2.2.2 D匝道段监测数据分析

该匝道段软基在真空预压和堆载预压阶段均发生较大沉降,路面施工之前,沉降持续发展,未收敛。施工过程中地表累计沉降数据如表3所示,持续沉降监测曲线如图3所示。真空预压阶段持续时间约为10个月,堆载预压阶段持续时间约为5个月。

表3 D匝道断面施工期地表沉降数据

从图3中可以看出,真空预压阶段,D匝道段内的各监测断面沉降-荷载-时间曲线均表现为沉降速率逐渐变小,地表累计沉降量趋于稳定。D匝道段范围内地表最大沉降量达到了1729 mm,土体固结程度与C匝道段相似。

图3 D匝道段监测断面沉降-荷载-时间曲线

堆载预压阶段,地表沉降量持续增加,沉降速率没有减小的趋势,DK0+382观测断面路左、路右累计沉降量分别增加了502 mm和600 mm,DK0+424观测断面路左、路右累计沉降量分别增加了689 mm和631mm。对DK 0+424观测断面左侧的深层水平位移进行分析,如图4所示,真空预压阶段,左侧土体朝向路中方向收缩;堆载预压阶段,位移持续向路中发展。

图4 D匝道段深层土体水平位移曲线图

2.2.3 E匝道段监测数据分析

该匝道段软基在真空预压阶段有较大沉降发生,堆载预压阶段地表沉降量很小。施工过程中地表累计沉降数据如表4所示,持续沉降监测曲线如图5所示。真空预压阶段持续时间约为10个月,堆载预压阶段持续时间约为5个月。

从图5中可以看出,真空预压阶段,E匝道段内的各监测断面沉降-荷载-时间曲线与C匝道大致相同,软基在真空预压施工开始时沉降速率较快,发生排水固结,有效应力逐渐增加,随着时间的推移,地基土基本完成固结,E匝道段范围内地表最大沉降量达到1809 mm。

图5 E匝道段监测断面沉降-荷载-时间曲线

堆载预压阶段施工前期,由于填土荷载较小,地表几乎没有发生沉降,而当填土荷载达到某一数值时,软土路基沉降速率有所增大,但地表总沉降量增加较少。其中EK0+127观测断面累计沉降量增加18 mm,EK0+235观测断面路左、路右累计沉降量分别增加了73 mm和61 mm,表明E匝道段软基在真空预压施工过程中近乎完成固结,故堆载预压阶段软基沉降量很小。

2.3 现场施工验证

根据C,D,E匝道段沉降收敛情况,相关单位确定在D匝道采用水泥土搅拌桩对地基进行二次处理,以控制工后沉降,但受限于工期,水泥土搅拌桩[9-11]施工结束后未达到龄期便开始地基上部路面施工。C匝道段和E匝道段直接施工地基上部路面。受施工组织影响,施工上部路面时,所有的监测点均遭到破坏,未能跟踪监测。地基上部路面施工过程中,C匝道段和E匝道段地基未出现明显变化,D匝道在振动碾压过程中,出现路基边坡滑移;施工结束后3个月,C匝道在桥路连接处出现明显差异沉降,E匝道未有明显变化。图6给出了施工现场路基差异沉降以及失稳的图片资料,现场施工现状与各匝道段监测数据反映结果基本一致。

图6 现场路基差异沉降、失稳照片

3 路基病害分析

本互通立交工程施工过程中路基发生的病害主要有C匝道段的路桥连接处差异沉降和D匝道段的路基边坡滑移。针对该项目情况,分别对其产生原因进一步分析。

3.1 路桥连接处差异沉降

本工程桥梁采用桩基础,一般路基段采用真空联合堆载预压法进行软基处理,该方法是通过真空负压和上部填筑土的压力将软土中的水排出达到加固的效果,消除部分固结沉降,处理后的地基仍然为软土地基;在上部一定荷载作用下,仍然有沉降发生,但量值和速率均较小,当上部荷载超过预压荷载后,沉降将有明显增大。后期沉降大小主要与预压期上部荷载有关。当预压荷载大于使用荷载时,理论上经处理后的软土在使用荷载作用下可达到正常固结或超固结,将不会再发生主固结,使用过程中仅有量值较小的次固结发生。

本工程施工过程中,将真空联合堆载预压分成了真空预压和堆载预压两个阶段,减少了预压期上部荷载并缩短了预压周期,必然产生较大沉降。

3.2 路基边坡滑移

本工程D匝道段的路基边坡在施工路面振动碾压时发生侧向滑移,造成滑移的原因主要是上部路面施工过快且振动碾压对软土有较大扰动,软土灵敏度很高,一般在5左右,其被扰动后强度折减幅度很大,在大功率振动压路机作用下,软土被扰动,强度瞬间降低,导致滑移。为控制工后沉降,施工的搅拌桩对软土有扰动作用,搅拌桩施工结束后,龄期未达要求,软土强度未恢复也是其发生滑移的一个原因。另外,施工过程中,将真空联合堆载预压分成了真空预压和堆载预压两个阶段,减小了预压期上部荷载,软土固结程度不够,强度增长未达到要求。

4 路基病害处理方案及效果分析

4.1 处理方案

针对于本工程的路基病害,经研究分析,提出如下处理方案:在路桥连接位置,设置复合地基过渡段,采用水泥土搅拌桩进行过渡,过渡段长度50 m,采取变桩长、变桩间距方式设置,靠近桥台一侧桩长18 m,桩间距1.5 m,桩径0.6 m,正三角形布置,靠近一般路基段一侧桩长15 m,桩间距1.8 m,桩径0.6 m,正三角形布置,如图7所示。

图7 路桥连接过渡段处理方案示意图

在路基失稳路段,将路基土卸载3 m,打设管桩并设置桩帽的连梁,桩长20 m,桩径400 mm,桩间距2.0 m,待达到龄期后进行上部路基填筑,如图8所示。

图8 路基失稳路段处理方案示意图

4.2 处理效果分析

为评估路基病害处理效果,在路桥连接位置过渡段设置地表沉降观测点,在路基失稳路段设置沉降观测点,路基坡脚设置深层土体水平位移观测点。

4.2.1 路桥连接过渡段

路桥连接过渡段采用水泥土搅拌桩二次处理后,现场监测数据如表5和图9所示。路基填筑期间,填土厚度3.0 m,沉降量在8.0-20.0 mm之间,沉降量较小,这与前期软基经过真空预压和堆载预压处理过有关,该路段在路基填土荷载下相当于处于正常固结或超固结状态,填筑路基土时,仅有少量的弹性压缩量。路面施工期间,沉降量在25.0-60.0 mm之间,沉降量较为可观,这与路面施工期间采用振动碾压有关,振动力对路基土具有扰动密实作用,沉降量较大。通车前3个月,沉降量在5.0-15.0 mm之间,沉降量值较小,且趋于收敛,这与过渡段水泥土搅拌桩复合地基强度进一步提高和原状土在静置作用下强度恢复有关。

表5 路桥连接过渡段沉降量

图9 路桥连接过渡段沉降曲线

4.2.2 路基失稳段

路基失稳段采用PHC管桩+连系梁二次处理后,监测数据如表6所示。路基填筑期间,路面施工期间和通车前3个月测得的沉降量均较小,管桩基础已进入风化岩层,上部填土荷载通过连系梁和桩帽将压力传给桩体后直接传入下部基岩层,软土层基本不受力,所以沉降量很小,仅有少量弹性变形。

表6 路基失稳段沉降量

同时在路基失稳二次处理过程的不同阶段对路基坡脚的深层土体水平位移进行监测,监测数据如表7所示,从表中可看出,采用PHC管桩十连系梁二次处理期间及路基填土、路面施工和通车前3个月的深层土体水平位移速率及量值均较小,路基处于稳定状态,二次处理效果显著。

表7 路基失稳段土体水平位移统计表

5 结 语

本文通过对某深厚软土地区高速工程互通工程的软基处理整个过程和病害处理及效果的详细分析,得出结论如下:

1.真空联合堆载预压法是处理深厚软基的一种行之有效的方法,但设计施工过程中应充分理解该方法的基本原理,不可将其分割使用,否则处理效果将大打折扣。

2.地基处理后的沉降量取决于使用期荷载和施工期荷载之间的关系,施工期荷载大于使用期荷载,处理后的地基土处于正常固结或超固结状态,工后沉降较小,一般处于可控范围;施工期荷载小于使用期荷载,处理后的地基土处于欠固结状态,工后沉降较大,对工程不利。

3.软土地基灵敏度很高,被扰动后强度降低很大,施工过程中一定要考虑施工设备或工法对软土地基的扰动影响。

4.深厚软土地区,刚性桩基础和软土地基之间设置过渡段是必要的,其可协调一般地基的工后沉降,使桥路结合位置平顺过渡,不出现大的差异沉降。

5.深厚软土地区建设高填方路基,监测工作应贯穿整个施工过程,建立必要的监控和预警机制,将施工过程纳入可控范围。

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Disease analysis and treatment scheme for the soft foundation of an interchange

SHI Binlin1,ZHANG Hao2
(1.No.1 Engineering Company of China Railway No.8 Engineering Group,Chongqing 400053,China;2.Nanjing R&D Tech Group Co.Ltd.,Nanjing 210029,China)

Abstract:This paper discusses the subgrade diseases of interchange project of expressway in a deep soft soil area.Based on the foundation treatment construction scheme and monitoring data,the causes of differential settlement of road and bridge connection positions and instability of high-filled subgrade are analyzed,the secondary treatment scheme is put forward and verified by the monitoring data during the secondary treatment construction period.The research shows that vacuum combined surcharge preloading method is an effective method to treat deep soft foundation.The settlement amount after foundation treatment depends on the relationship between the load during the service period and the load during the construction period.In order to make the settlement after construction under control,the load during the construction period should not be less than the load during the service period.In deep and thick soft soil areas,in order to reduce differential settlement and make a smooth transition between rigid pile foundation and soft soil foundation,it is necessary to set up a transition section.In addition,monitoring is indispensable for the construction of high-filled roadbeds in deep soft soil areas.

Key words:deep soft soil subgrade;interchange;subgrade disease;treatment plan;monitoring

中图分类号:U416.1

文献标志码:A

文章编号:2097-017X(2021)02-0011-07

收稿日期:2021-08-13

第一作者简介:施斌林(1982-),男,学士,高级工程师。研究方向:市政及铁路工程生产经营管理。