滬寧高速公路江蘇段軟土地基綜合處理技術研究和實踐
摘要：本文著重介紹了依據試驗路段和評估的成果，運用更切實際的沉降計算方法，優化軟基處理，優化路基施工，用動態控制法確定鋪築路面的時間，科學安排施工，有效的減少工後沉降，使全線軟基路段滿足設計穩定要求，達到了縮短工期、提高工程質量之目的，為全線一次建成和提前通車提供了保證，並取得節省工程費5000萬元的經濟效益。關鍵詞：
沉降壓縮超固結
1概述滬寧高速公路橫貫經濟發達的長江三角洲地區，連線南京、鎮江、常州、無錫、蘇州和上海六個大中城市，全長274.08km，江蘇段248.21km，屬國家重點工程，江蘇省列為「第一位工程」。
沿線大部分地區為河相、海相沖積平原，分布有大量的淤泥質粘土，地質情況複雜，有軟土的地段長約92.29km，主要分布在蘇州至丹陽地區內(a至e五個大標段)。沿線軟土層厚薄不均，最厚大於30m，一般在6～15m，佔a至e標段長度的48%，佔江蘇段全長的37.
2%。是目前全國建成的高速公路中，軟土地基線路最長的一條。全線平均填土高度3.
7m，最高達10m以上，設計估算最大沉降量達150cm，一般在35～60cm。
高速公路對地基要求甚高，在使用年限內國內外一般規定路面的工後沉降量應控制小於30cm，橋頭路堤應小於10cm。80年代，中日合作對滬寧高速公路進行可行性研究，所提出的報告針對全線軟基分布廣、路堤高給工程帶來的問題將是沉降及固結速度問題。建議對路面實施分期鋪築，以實現最後鋪築正式路面時，能滿足允許工後沉降量的要求。
為此，江蘇省高速公路建設指揮部特擬訂了《滬寧高速公路軟基綜合處理技術研究》專案分別與河海大學、南京水利科學研究院土工所合作，以便達到驗證、完善設計、指導施工、提高工程質量之目的。
2全線軟土的工程特性
2.1基本情況
全線土層主要為亞粘土層，淤泥質粘性土層，亞砂土層，粘土層和粉砂層等層組成。表1列出a至e五個大標段代表性土層分層鑽孔資料，可見各標段軟土位置及厚度變化規律：其中a標的最大含水量超過50%，淤泥質土層出現在深度30m左右範圍內；b標的含水量大多小於35%，幾乎沒有淤泥質土；c標最大含水量達60%～70%，淤泥質土大多在表層2m以下20m範圍內；d標含水量大多小於45%，淤泥質土在表層5～12m深度內；e標土層中含多層粉土間夾薄淤泥質土層，其中薄層淤泥質土含水量一般在30%～40%。
根據滬寧高速公路軟土段1400多個稠度資料分析，以孔隙比大於1.0的淤泥
質粘土層為多，孔隙比大於1.3的軟土極少。按塑性圖分類定性判別，則大多數屬中壓縮性土。
若採用蝶式儀測定液限時，有一些淤泥質土則屬一般粘土。若按壓縮係數分類，大部分是中等壓縮性，**1—2小於5×10—4kpa—1。a、c標有少數土樣為高壓縮性土，**1—2大於5×10—4kpa—1。
d標有少量土樣為高壓縮性土。
a—e標軟土位置及厚度變化型別表1
2.2地基上部土層的超固結特性
在評估工作中，通過對設計單位鑽探試驗成果的再分析，並在a、b、c、d四大標段又選擇8個斷面補充鑽探孔和室內試驗，發現沿線地基土上部土層中的先期固結壓力pc′值大於覆蓋壓力，處於超固結狀態，其程度由東向西逐漸增強，深度從7m至15～20m。超固結比的總趨勢是由上向下逐漸減小。a、b、c、d四個標段的ocr＞1的深度見表2所列。
表2標段abc
d1—6
pc＞p0的深度(m)202010—2015
根據原位十字板剪力試驗和室內觸探試驗所測不排水強度cu與有效上覆土重應力po的比值，即cu/po＞0.2的深度判別，再次證明，上部土層都具有超固結特性，深度與室內高壓固結試驗確定的相近。2.
3軟土固結特性
滬寧高速公路沿線的土層，呈成層地基，且大部分存在粉質土層，厚度從數釐公尺至十幾公尺。特別是b、e、d三段粉質土層分布廣且厚，計算分析表明，透水性強的砂性土不但自身壓縮量小，壓縮穩定快，即使是薄砂層也是較好的排水層，具體設計中，對ip＜7，顆粒級配中粘粒含量又小於10%的土層視為相對排水層。
3路基的沉降估算
3.1最終沉降量估算
通過全線軟土地基的特徵段，用**1-2、e-lgp』及非線性有限元引入比奧固結理論三種不同方法對比發現，單純從理論上用沉降估算方法，難以滿足工程精度要求。為此，我們在不同標段，選擇了不同軟土特徵斷面，不同填築高度，用等載土模擬填築荷載，實測其沉降過程線和推算最終總沉降量與估算對比得到合適的經驗修正係數ms見表3。
s總=ms×s總(**1-2)
式中：s總(**1-2)—應用**1-2引數估得最終沉降量；
ms—修正係數，堤高2.9～4.0m取0.8～1.0；堤高4.0m以上取0.75～1.40。
表3超固結(1)(2)
堤高處理ms=
標段位置深度**1-2推算最終
(m)方法(1)/(2)
(m)(mm)沉降值(mm)abcd
k4+4502.86沙墊層k2+9004.37沙墊層
75450510284321710290405318420
362689284.5379.2914295305436284
0.81.331.01.181.291.020.751.400.68
k48+400 3.66預壓法15k67+310 4.59預壓法15k110+3006.
5沙墊層20k104+4604.8預壓法20k119+8004.2沙墊層22k150+2007.
3沙墊層22
ek177+6806.32沙墊層20
至於壓縮層厚度zn，考慮到滬寧高速公路沿線土層屬成層地基，軟弱土層又分布在不同深度，且大都夾有砂質土層，為安全計，建議按地基附加應力△p小於0.2倍自重應力po確定壓縮層zn的深度。若計算深度zn以下還存在軟土時，應繼續計算直至地基附加應力△p小於0.
1倍的自重應力po為止。3.2固結計算
軟土層承受荷載後，隨時間逐漸固結，而固結計算的目的，是為確定任一時刻土體的固結度和該時刻的沉降量，對不作處理的地基，其固結度的計算根據太沙基的單向固結理論假定土為均質的。實踐證明計算值與實測值誤差較大，目前還只能靠現場觀測來修正確定。
4軟基處理的試驗與改進
4.1軟基處理的判斷方法的改進
4.1.1在複核軟基沉降時採用了以鑽孔為單位，孔隙比為基本引數的統計計算指標方法取代以土層為單位，沿公路縱向分段統計計算指標的方法，縮小了計算誤差及軟基處理的規模。
4.1.～200kpa壓力範圍的壓縮係數法。使沉降量估算更符合實際。
4.1.3原設計是根據總沉降量大小作為何種地基處理的依據，這樣做的結果，忽略了滬寧高速公路沿線土層屬成層地基，尤其粉質土層對加速軟土固結的影響，因此，改為以工後沉降量為標準，來確定和判定軟基是否需要進行處理，或採用何種處理措施的依據。
4.2軟基處理的優化
4.2.1以30cm厚砂性墊層材料和一層有紡土工布取代50cm厚砂墊層。
4.2.2只要施工條件許可，排水板間距的減小對固結度的增長影響甚微。
因之，若有半年以上的預壓期，由1.0m適當加大排水板間距至2.0m，不會明顯影響施工後沉降量，也可減少施工擾動。
4.2.3對橋頭遇到橋台施工與台後填土的安排發生矛盾時，為保證工期，在一些軟土路基的高填土部分改用粉體攪拌樁處理，以減小軟土側向變形對橋台的影響。
優化變更後的軟基處理方案，已簡化為以堆載預壓法為主(約佔軟基段總長72%)，砂墊層和等、超方案，的載配以少量塑排水板預壓及極少數橋頭部位的粉噴樁處理方案。
通過施工實施證明，變更優化的軟基處理方案，更加符合滬寧高速公路軟基沉降與穩定的實際變化規律，技術上更趨可行，經濟上更趨合理，同時也考慮到工期、工藝配合與銜接。
5鋪築路面時間的動態控制
確定路面施工後的工後沉降必須準確掌握「最終沉降量」和已發生的沉降量，由於最終沉降量估算值的誤差很大，而且包括路面全荷載在內的實測沉降過程線，是在鋪築完成路面以後才能測出，難以在路面全荷載發生前準確預估，如不能正確預估路面施工後的工後沉降，不是把路基預壓時間拖得過長，延誤工期，就是在路基未及穩定時鋪設路面，路面下沉後，要用昂貴的路面材料，加大面層厚度，彌補過大的沉降，為確保工後沉降的標準，確定填築路面的時間，制定施工控制條件，我們選擇了不同軟土特徵斷面，不同填築高度的路段，用等載土模擬路面荷載，實測其沉降過程線，與一般堆載路線規律對比，在分析了大量的現場實測沉降曲線基礎上，推算滿足工後沉降時對應的沉降速率值作為施工控制條件，它考慮到荷載、地質和處理方法的不同，所帶來的複雜影響，選定95區頂面按0.5cm/月；路面結構各特徵層按0.3cm/月實施動態控制。
上述沉降穩定動態控制法，其實質是用已發生並實測到的沉降速率來判斷路堤沉降的穩定狀況，控制路面鋪築時間，使路面完工後，其工後沉降達到高速公
路質量標準見表4。
表46結束語
概括起來有下述幾點認識和結論：
(1)深入分析了滬寧高速公路軟土基本特徵。地基主要是一般粘性土和粉土組成，天然含水量大多在20%～40%之間，少數高於40%，為淤泥質土，按國家標準分類為低液粘土或低液限粉土。壓縮性中等，只有少數屬高壓縮性。
(2)滬寧高速公路東段軟粘土層處於超固結狀態。其程度由東向西逐漸增強。並經高壓固結試驗測得的先期固結壓力和原位十字板剪力試驗、室內觸探試驗測得的不排水強度與有效覆土重應力的比值判別所證實。
超固結比由上向下減小，深度達10～20m。
(3)截止2023年8月底路面施工完成後，全線軟基實測沉降速率在0～3mm/月，平均已達96%以上。圖1為典型沉降過程線。
圖1bk60+472測點地基沉降實測曲線
(4)在不同的地質條件、外荷條件下因地制宜採用經優化的軟基處理方法取得良好成效：
利用路堤堆載或等載預壓是最經濟處理方案。結合滬寧高速公路軟土性質，又普遍存在粉砂夾層，對中、低路堤的加固效果實在、消除工後沉降作用明顯。排水固結輔以等載或超載預壓法對高含水量、高壓縮性、低強度軟土是經濟合理的有效加固措施。
可取得良好效果。在有薄砂層的條件下塑料排水板可適當加大間距至2m。
粉體攪拌樁加固法具有能減少樁身範圍的沉降量、抗側向變形能力強和加快工期等優點，但**較高。在未能穿透軟土層的條件下，其優點受到一定限制。結合土工織物的砂墊層不僅能起到排水固結介面作用，還能有助於減少總沉降量、防止泥汙染，使沉降較均勻。
採用土工布的砂墊層厚度可由50cm減薄至30cm；砂料可用滲透係數大於地基土2個數量級的透水性材料替代。
(5)施工沉降觀測實測資料和非線性有限元計算成果都表明，以太沙基一維固結理論為基礎的固結計算時間所確定的預壓期偏保守，應通過施工現場觀測加以修正後，再決定路面鋪設時間。
(6)滬寧高速公路實施中，採用了各種有效減小總沉降量，並使總沉降量消除在施工期內，取得了明顯效果。特別是通過施工沉降觀測，以0.3～0.
5cm/月沉降速率，作為判別穩定標準的動態控制來確定各層路面鋪設時間，是合適的、安全的。
(7)在滬寧高速公路軟基研究與實施中，探索出一套從典型路段試驗路、軟基設計評估開始，優化與改進軟基處理方法，到施工沉降觀測，採用動態控制法確定鋪築路面時間的沉降控制方法，是科學試驗與工程實施密切結合的結果，達到了解決工程重大技術難關的目的。
(8)通過三年多來的實施和現場觀測判斷，全線的軟基路段和橋頭部位均能滿足設計規定的允許工後沉降量的要求，達到了加快、簡化施工、節省投資和提高工程質量，實現路面鋪築一次獲得成功之目的，為縮短施工週期和確保提前竣工提供保證。按初步分析計算，節省5187餘萬元工程費用的直接經濟效益。
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