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对公路新老路基拼接地基处理的探讨

2015-07-14 211 0

1概述
　　随着经济的高速发展和人民生活水平的提高，区域间的经济合作和往来日益频繁，公路交通量迅猛增长，许多公路大部分都已超过了设计通行能力，通过公路拓宽来提高道路的通行能力和服务水平已成为第一选择。
　　1.1拓宽拼接段的沉降变形特点
　　公路经过多年的运营，地基固结已基本完成，其整体刚度增大，若在两侧进行拼接拓宽，新拼接拓宽的路堤自重，对原路基中心而言，将以偏心荷载的形式作用于老路基，产生新的附加不均匀沉降增量，其大小与作用距离和拼接拓宽荷载有关。当路堤高度一定时，则随着拼接宽度的增加，附加不均匀沉降增量逐渐增大，拓宽宽度到达一定值时，超过部分对老路将不在影响。对对称拓宽型式的附加不均匀沉降量的分布规律：对原路基中心而言，呈反盆形分布，在中心最小，两侧拓宽形成的断面形心垂线靠内侧处为最大，而在形心垂线位置至加宽后的新堤脚间逐渐减小，如图1中的沉降曲线1所示。由图可见，新老路基的拼接将会在新、老路肩与原路基中心间产生差异沉降，极易导致对原路基路面的拉裂。若原路基的地质条件差，沉降还未稳定，则差异沉降更加明显。因此必须选择合理的地基处理方案，以消除、减小或隔离附加沉降差的产生，或将其控制在允许的范围内。
　　图1路基附加沉降分布示意图
　　在拼接拓宽的过程中，施工时常遇到邻近河塘需抽水清淤的情况，若原地基是塑料排水板处理或地基透水性能较好时，将会造成老路基内地下水位和两侧抽水后的基坑底形成水位差，从而迫使老路基向外形成渗流和一定范围内地下水位局部降低，产生不均匀的横向荷载，导致新老路基间差异沉降的产生，在施工中应注意这一点。
　　1.2控制差异沉降的措施
　　减小新老路基间的差异沉降，可从两方面入手：一是从减小路堤的荷载出发，通过减小地基压力来达到减小差异沉降的目的，这就需要研究轻质路堤填料；二是提高地基的承载力，即从加固地基着手，来减小差异沉降，即如何选择技术上可行，经济上合理的地基处理方法。在实际工程中，应在这两个方面进行方案优化选择。
　　2地基处理方案的选择
　　地基处理方案的选择，可分为排水固结法、复合地基法和超轻质材料法三类。
　　2.1排水固结法
　　排水固结法本身不能减小总沉降量，主要是加快土体的固结速度。为了防止差异沉降，必须在新老路基之间设置分隔墙（地下连续墙），将新拼接路基的荷载对原路基的影响完全隔离，消除附加沉降的影响，是可靠的处理方案，此时新拼接路基可以选择价格低廉的塑料排水板加超载预压，采用加快排水固结的方案处理，同时也可防止由于抽水清淤而对老路基造成的附加沉降的产生，但工期较长。
　　2.2 复合地基法
　　复合地基法，主要是通过加固拓宽部分的地基来达到减小差异沉降的目的，它主要包括柔性桩复合地基，半刚性桩复合地基和刚性桩复合地基。
　　柔性桩复合地基主要是由散粒状材料所构成的，其桩身多表现为侧胀破坏，强度较低，处理深度浅，在处理对沉降要求高的拼接工程的深厚软基中不宜采用。
　　半刚性桩复合地基主要是采用粉（湿）喷桩、旋喷桩，通过形成复合地基，在提高地基承载力的同时，起到减小差异沉降的目的。半刚性桩复合地基主要是由水泥土桩所构成的，较散粒材料桩具有一定的强度，同散粒材料桩一样，处理深度浅，桩身压缩量较大，质量不易控制。
　　刚性桩的典型是预应力管桩，它具有桩身强度高，弹性模量大，在路堤荷载的作用下，桩身压缩量很小，基本上可以忽略不计；具有施工方便，处理深度深的优点。当软土埋深大时，采用传统的水泥土桩复合地基难以满足拼接工程对沉降要求高的特点时，可选择采用预应力管桩的复合地基处理方法来减小沉降量，为充分发挥预应力管桩承载力大的优点，采用疏化桩距并在桩顶设置桩帽及顶部设置垫层，既能最大限度地发挥单桩和桩间天然地基的承载力，又能达到有效控制工后沉降的目的。
　　2.3轻质路堤材料
　　路堤填料主要有一般填料（土），其容重一般为19kN/m3，轻质填料如粉煤灰、EPS、SLM等。
　　2.3.1粉煤灰轻质路堤
　　粉煤灰是电厂燃烧煤所排出的灰色粉沫灰渣，粉煤灰压实干重度为10.7～11.0KN/m3，比土轻1/3～1/5，属轻质材料。用粉煤灰代替土填筑路堤，可减轻路堤自重，在减小沉降量的同时可满足路堤稳定性的要求，国内外软基路堤的工程实践证明粉煤灰是一种可行的减轻路堤重量的填料。
　　2.3.2 EPS（Expanded Polystyrence）轻质泡沫塑料
　　EPS是聚苯乙烯脂经发泡后形成的块体材料，其容重一般为0.2kN/m3，只有土石混合填料的1/90，抗压强度可达100KPa，块体具有压缩量小、抗老化、不腐烂、耐久性好的优点，满足路基材料的要求，但价格高昂。EPS填筑路堤主要就是EPS块体进行路堤铺砌，为改善EPS的受力特性，在其上现浇一层15cm左右的钢筋混凝土板构成。世界不少国家都有成功的工程实例。
　　EPS属超轻质高分子材料，在设计过程中必须解决好排水和坡面防护问题，防止受浮力作用而使路面开裂。为进一步减小拼接部分的接地压力，在路堤设计过程中，可向下开挖一定的深度，用EPS置换，但不能低于地下水位。
　　为了防止有害物质和明火侵入EPS块体，遮断日光紫外线的直接照射，防止啮齿动物对EPS块体的损害，针对EPS质量轻、侧压力小的特点，应采用切实的坡面防护措施，
　　2.3.3 SLM轻质材料
　　SLM是采用珍珠岩焙炼面成的轻质粒料，经浇筑而成，其密度为3kN/m3，是一般土石混合填料的六分之一，抗压强度可达150～700KPa，收缩量略大于EPS，综合造价为190～200元/m3。其路堤结构形式同EPS，也有两种形式，但其上部不用浇注钢筋砼板。
　　2.3.4 不同路堤填料的比较
　　以某公路由原来的双向4车道对称拓宽为8车道（两边各加宽8.25m）的情况进行分析，可以看出，EPS的平均地基压力最小，随着路堤高度变化基本不大，特别是采用直立的挡土墙结构时，效果更明显。因此适合在软弱地基较深的路段使用，可以减少地基处理的费用，但路堤造价最高，进行地基的开挖置换路面结构层的荷载后，基本上可以做到不处理地基。SLM和粉煤灰次之，但造价较低。EPS轻质路堤造价随路堤高度的变化曲线见图3。当路堤高度超过5～6m时，为加强EPS轻质路堤的整体稳定性和受力特性，应在路堤中设置两层现浇钢筋混凝土板，其中顶面一层，EPS填筑高度的中间再设置一层。
　　3工程分析
　　在深厚软基上进行公路的拼接拓宽，一般的地基处理方法显然不能满足拓宽工程对沉降的要求，因此必须采用桩身强度高的桩来进行置换，采用先张法预应力薄壁管桩应用于拼接工程中，可有效的解决差异沉降问题。
　　某公路拓宽工程，以 3m高的路堤为例进行分析，该工程为两侧对称拓宽为8车道，即两边各加宽8.25m。
　　该段地质为：上层3m的硬层，向下为13m 厚的流塑至软塑状的淤泥质亚粘土；第三层为硬塑至软塑状亚粘土，层厚4.0m，最下层为厚度为12m的流塑状淤泥质亚粘土，最大软土深度达33m。由于传统的水泥土桩复合地基存在处理深度浅，质量不亦控制等缺陷，因此采用处理深度深、强度高的预应力管桩桩来进行置换。桩间距为2.5m时，桩帽尺寸1.2m×1.2m，桩间距为3.0m时，桩帽尺寸1.5m×1.5m。为提高设在其上的碎石垫层的整体刚度，在碎石垫层之间铺设一层钢筋网，形成桩网复合地基。结合采用一般填土来进行路堤的填筑。由于EPS属于超轻质材料，因此当采用其作为路堤填料时，可考虑不处理地基。
　　注：⑴计算单价：控沉预应力疏桩：桩径D1=30cm，100元/延米；D2=40cm，110元/延米；桩距为2.5～3.0m。混凝土单价：350元/m3；碎石垫层：50元/m3，分隔墙：260元/平方米；塑板3.1元/延米，间距为1.5m；粉（湿）喷桩：33元/延米，间距1.5m；粉煤灰按40元/方计，SLM：200元/m3，EPS：260元/m3，φ8钢筋网：18元/m2⑵沉降按最大处理深度计算。
　　控沉预应力疏桩方案和分隔墙方案在老路中心的沉降量最小，其次是EPS不处理地基的方案。深搅桩处理上层软土加SLM或粉煤灰填筑路堤的方案处理效果最差，工后沉降量最大，难以满足拼接段对于差异沉降要求高的特点。分隔墙方案虽能起到部分或完全隔离沉降的作用，但存在工期长等问题。
　　在满足沉降要求的条件下，3m间距的控沉预应力疏桩具有较大的使用范围，在处理深度在8m以上的软土时，较间距1.5m的深搅桩方案更为经济。只有在处理8m以下的浅层软土时，间距1.5的深搅桩方案才显得经济，但桩身强度低，施工、检测难以控制是深搅桩的致命缺点，而预应力疏桩处理方案则不存在上述问题，质量可靠、检测简单、施工方便，能有效控制沉降量。
　　当处理深度20m以上的软土时，EPS不处理地基方案较预应力管桩方案经济。随着路堤高度的增加，造价变化规律相同。
　　4结语
　　4.1疏桩式预应力管桩处理方案与搅拌桩方案相比，更适用于处理深度大于8m以上的软土，具有质量可靠，检测简单，施工方便，更为经济，能有效控制沉降量。
　　4.2软土深度>25m时，可选择EPS轻质路堤和PTC疏桩方案，通过经济性和施工处理效果比选后确定。
　　4.3疏桩式预应力管桩处理方案和EPS不处理地基方案在处理具有深厚软土层路段的公路路基拼接时，具有施工速度快、质量可靠，检测方便等优点，工程实践表明，这两种方案的处理效果是显著的，可起到减小差异沉降的目的，同时节约投资。

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