| 沪宁高速公路常州东(D)及丹阳(E)标段
软土地基处理的设计与施工
江苏锦盛基础工程有限公司
摘要：本文结合沪宁高速公路D、E标段软土地基分布的具体情况，较全面地阐述了软土地基处理设计的理论与施工工艺。在软土地基的地基极限承载力、路堤的稳定性、沉降计算和复合地基的理论计算方面进行了探讨。在软土地基处理方案的选择上，提出根据软土层的厚度和埋藏的深浅及土质性状来选择不同的处理方案。在软基处理的施工方面，对不同的处理方案的施工及质量检查作了简洁介绍。
关键词：高速公路 地基处理 设计 施工
1 概况
沪宁高速公路东起上海，沿途经过苏州、无锡、常州、镇江，西至南京，横穿经济发达的长江三角洲地区，沿线分布有大量的淤泥质软土，地质条件复杂，软土层厚度变化大，地基稳定及变形影响较为突出。
我院承担的D、E标段分别位于常州、丹阳境内。D标段全长22.3km，软基地段长9.5km，占全长的42.6%；E标段全长34.292km，软基地段长12.84km，占全长的37.4%。本文就DE、E两个标段的设计、施工谈些体会。
1.1 软土地基工程地质特征
D、E标段的软土分布多以冲沟或老河道沉积形式存在，软土变化范围大，分布复杂，局部地段存在上、下两层淤泥质亚粘土，其物理力学特征主要表现为：天然含水量高(一般在30%～50%)；天然孔隙比大(一般在1.0～1.5之间)；压缩性高；固结系数小(0.5×10-3～5.0×10-3cm2/s)，双层软土上层较下层大。
两标段高压固结试验表明：地基土层都存在着不同程度的超固结现象(OCR≥1)；在地表普遍存在着一层强度比软土层高的灰黄色亚粘土层，即通常称作的“硬壳层”，层厚0.5～2.2m不等，天然孔隙比在0.8～0.9之间，天然含水量在23%～37%之间。利用好“硬壳层”对于降低工程投资有着重要意义。
1.2 设计标准
1.2.1 沉降计算
地基主固结沉降量计算采用考虑应力历史的压缩指数法，即采用e-logP曲线进行计算，并用压缩模量法或压缩系数法校核，具体设计中，我们采用压缩系数法计算计成进果行校核。
1.2.2 路堤稳定性验算
采用固结有效应力法，施工期和运营期安全系数均需≥1.25。
1.2.3 工后沉降的控制
沪宁高速公路“工后”的时间起于路面开始施工时，直到路面的设计使用年限止。一般路段工后沉降量≤30cm，桥涵等人工构造物衔接处的工后沉降量≤10cm。设计中桥梁等构造物衔接路堤部分处理长度以5H～7H(H为桥头填土高度)来控制，并以20～40m逐渐过渡至一般路段，使差异沉降不至于对设计纵坡产生过大影响。
1.2.4 工期
路堤填筑速率以25cm/week控制；预压期不超过360d；路面施工期以360d控制。
1.2.5 设计荷载
按汽车-超20级，挂车-120控制。换算成等代荷载时的土柱高度为0.96m。
2 计算理论
2.1 计算理论
2.1.1 极限填土高度的确定
极限填土高度即临界填土高度，由于地基极限承载力公式繁杂，且无法考虑“硬壳层”的作用，设计中参照广东的经验，估算采用铁路部门推荐公式：
Hc=Ns(C/T)+0.5H
式中：C-快剪测得的软土粘聚力(kPa)；
T-填土容重(kN/m3)；
Ns-稳定因素；
H-“硬壳层”厚度(m)；
Hc-临界高度(m)。
经计算，一般软土地段路堤的极限填土高度为3～5m，当填土高度大于极限填土高度时采取的措施有：控制路堤土慢速填筑、分级加载、加速地基排水固结及采用复合地基。
2.1.2 路堤稳定分析
(1)边坡稳定分析根据路堤填料不同有直线滑动法和圆弧滑动法两种。粉煤灰路堤用直线滑动法验算，粘性土路堤采用圆弧滑动法验算，利用有关的公式进行计算，此处不再赘述。沪宁高速公路边坡划分标准为：填高小于6m时，路堤边坡率为1∶1.5；填高大于6m时，上部6m边坡率采用1∶1.5，6m以下部分边坡率为1∶1.75。根据具体计算可知，DE、E标段边坡稳定系数均大于1.25。昆山试验路科研成果及两个标段的实际施工也充分证明了这一点。
(2)路堤整体稳定性分析初设部审意见明确规定地基整体稳定分析采用固结有效应力法，要求施工、运营期的安全系数Kmin≥1.25(如图1所示)，计算公式如下：
式中：WⅠi、WⅡi——分别为土条在地基部分及填土部分的重量；
αi——土条底面与水平面交角；
R——滑弧半径；
CⅡ、φⅡ——路堤抗剪强度指标，可由固结不排水剪求出；
CU、φU——用不排水剪求出的强度指标；
φCU——用固结不排水剪求出的内摩擦角；
φ——固结度；
K1、K2——抗剪力折减系数和强度指标折减系数。
图1
最小安全系数Kmin取决于滑动圆弧的半径R及圆心位置(x，y)，计算较为繁杂。设计中，我们编制了微机计算程序进行计算，工效大大提高。
2.1.3 沉降计算
(1)考虑应力历史计算固结沉降，该法即e-logP法(如图2)，确定前期固结压力Pc是影响沉降计算的重要因素，卡氏法最简单，这种方法凭肉眼的观察找出曲线上曲率半径最小的一点，但会容易引起误差，布氏法和薛式法比较精确，但比较麻烦，目前，都用微机求Pc值。另外，我们试验所用土样一律用薄壁取土器采取，运输时尽量不扰动土样，以便给试验提供原状土样。值得一提的是钻探试验人员要有高度的事业心和责任感。
(2)用压缩系数法计算沉降，即利用常规压缩曲线计算沉降(如图3)。
图2
图3
其基本公式为：
常规压缩试验不能考虑土层的应力历史，设计中是用“0.1”法控制压缩层厚度
的，例如：填土高度为5m时，压缩层厚度一般为45～50m，填土高度越高压缩层越
厚，而且深层的沉降亦越可观。经分析，笔者认为原因有二：
a.目前的机钻孔深度不可能都钻得很深，尤其是一般路堤部分，一般都在30～40m，为了计算钻孔深度以下的沉降，只能利用钻孔最下层的e-p曲线指标，不尽合理。
b.当沉降计算至深层时，部分层的总应力值已经超出400kPa，这样若利用300kPa
和400kPa相应的孔隙比e3和e4来求ei，则和实际不相符。众所周知，e-p曲线随P值的
增大而趋于平缓。为了能较真正的反映实际情况，我们利用曲线的这一特点将其延伸
至600kPa压应力处，得到相应的e6值进入计算，这样比较合理。另外，用“0.1”法
控制压缩层厚度似嫌太大，从昆山试验路目前的观测成果来看，对于上层软土，沉降
主要发生在10m之内；而对于双层软土及深层软土则不然。如何适当控制压缩层厚度有待进一步研究。
(3)关于瞬间沉降和次固结沉降。设计中粘性土的瞬间沉降没有考虑，而只考虑粘性土中夹砂层或砂性土的瞬间沉降，根据日本道路公团设计要领，计算式为：
式中：H—层厚；
Po—自重应力；
△P—附加应力；
N—砂层的标贯击数。
在无标贯击数的情况下，简单地用压缩模量予以计算。
次固结沉降也未考虑，有待以沉降修正系数ms来反映。
(4)固结度的计算
当不采取插塑料排水板处理方案时，按一维固结求算竖向固结度；插板处理时，
除竖向固结度外，还需计算水平向的固结度，插板以下部分按单向固结求算(将排水
板底部视为排水层)，根据计算的固结度就可进行工期控制和阶段沉降量的计算。
2.1.4 复合地基的计算分析
设计中采用复合地基方案有二：挤密碎石桩和水泥粉体喷射搅拌桩(以下简称粉喷桩)。同为复合地基，但作用原理不同：挤密碎石桩是通过碎石挤密软土而形成桩
和桩间土共同作用的复合地基，是一种物理的加固方法；粉喷桩是利用特制机械将软
土和水泥粉体在地基深处就地强制拌和，经一系列的物理化学作用形成强度较高的桩
体后与软土共同作用，是一种化学的加固方法。
复合地基承载力高，沉降大大减少，其沉降可分为两部分：桩处理部分的沉降，
采用合成压缩模量的办法求算；桩尖以下部分按正常固结情况计算，碎石桩处理的地
基桩底可视为排水层。复合地基桩处理部分强度高，压缩变形一般很小，沉降主要发
生在桩端以下，因此选择复合地基方案要慎重，另外，填土完成后，还需预压一段时
间方可进行下道工序的施工。
2.2 设计方法、计算程序
软土地基处理的设计方法如图4。
图4
从路堤稳定分析到沉降的详细计算我们都编写了微机计算程序，节省了大量的时
间，提高效率。
2.3 处理方案的选择
综合两个标段的设计，软基处理的方案有：
2.3.1 不处理
即地基不作任何处理而仅仅预压，用于软土层相对薄，或埋藏较深，或填土高度
较低的路段，主要以路堤整体稳定安全系数和工后沉降控制。
2.3.2 排水固结法
(1)铺砂垫层预压：主要用于软土层较薄、埋深相对较浅且无透水层的路段，或有透水层但埋深较大、软土相对较厚的情况。
(2)插塑料排水板预压：用于软土层较厚，土质指标差，自然固结速度较慢的情况，局部路堤结合反压护道进行处理。
(3)插板超载预压：主要用于桥头厚层软土的处理。
(4)插板(等超载)预压反开槽：用于明通道的处理，或暗通道、涵洞总沉降值超限的情况，目的为减小工后沉降，保证构造物的结构安全和正常使用。
2.3.3 轻质路堤
采用粉煤灰填筑，以减小总沉降量，主要用于桥头及地质条件相对较好，沉降不大但已经超限的路段。
2.3.4 复合地基
该方案费用较高，主要用于桥头及明通道处软土层不很厚的情况，部分反开槽工程数量较大的通道及涵洞处，桥头处理长度以5H～7H(H为桥头填高)来控制。
2.3.5 换填土处理
这一方案全线只有一处，在K139+240处有一小河沟，沟底需设置一箱涵，软土不厚(约2～3m)，但指标差，工作面太小，施工机械进场困难，地基处理亦困难，鉴于
此，采用挖开换填的方法，沟底采用复合地基处理，换填量不大，比较经济。（下一页）
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