[组图]南京机场高速公路B标段软土地基设计[0个Ｅ路币]施工 公路 高速公路 监理 设计 监理工程师 模拟试题 考试 管理 路面 质量 公路工程 桥梁 控制 应用 工程
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【摘 要】本文介绍了南京机场高速公路B标段软土地基处理、设计标准和原则，并对方案选用及其处治效果进行了分析。
【关键词】高速公路 软土地基 设计
南京机场高速公路是为南京禄口国际机场服务的主要配套工程，同时也是我省“九五”期间六大交通重点建设项目之一。为确保在1997年7月1日香港回归祖国时，南京新机场顺利通航，该路必须于1997年6月28日前竣工通车。因此软土地基处理问题成为南京机场高速公路能否按时竣工通车的关键问题之一。
南京机场高速公路位于南京市以南，秦淮河以西，凤凰山、将军山以东，属南京南部低山丘陵区。该区东接长江三角洲平原，西连安徽丘陵岗地，沿线附近有牛首山、吉山、方山等，转弯山体的岩层由侏罗系石英砂组成，一般山体由古生界石灰岩组成。地形起伏较明显，地表岩层以上更新统下蜀组亚粘土、粘土为主。地表水侵蚀严重，形成沟岗交错的波状地形景观，从河谷平原至丘陵顶端呈现三级平面，组成三级阶地，位于秦淮河河谷平原的本标段，地势低平，地面标高在6～12m之间，地面水系较多，从而形成土性为全新统河流冲积、洪积亚粘土、淤泥质亚粘土和粉砂。
本标段主要不良工程地质问题为软土地基，软土地基主要以淤泥质亚粘土为主，是秦淮河水系古河道冲积、洪积层，其主要存在于地势低洼处，呈透镜体状与冲沟伴生，软塑～流塑状态，中等偏高～高压缩性，易产生较大路基沉降以至基础失稳、破坏，本标段软弱地基路段总长5km多。
南京机场高速公路1995年6月28日正式开始施工，经过广大建设者七百多天夜以继日地辛勤施工，建成为高水平的精品工程，于1997年6月28日胜利竣工通车。从近两个月的营运情况看，南京机场高速公路软土地基处理达到了预期的目的。
1 主要地质状况及评价
工程地质勘察表明，本标段第四系上覆层较薄，一般厚为10～25m。地势低洼处，以古河道发育第四系全新统冲积、洪积成因的亚粘土，淤泥质亚粘土（粘土）为主，局部混粉砂，呈透镜体状与冲沟伴生。由于古河道发育，古秦淮河道中沉积的淤泥质亚粘土（粘土）软弱土层呈软塑～流塑状态，中等偏高～高压缩性，允许承载力较低，软土层埋深 1～18m不等，层厚一般1.2～15m，对路基的稳定性有较大影响，软土层主要表现为2～1层和2～2层及2～3层，其地层情况简述如下：
2～1层：淤泥质亚粘土（粘土），灰色，软塑～流塑状态，中等～高压缩性，呈透镜体状。主要分布于地势低洼和古河道处，第四系全新统冲积、洪积成因，层厚1～12.5m，含水量37.2%～88.5%，孔隙比1.05～1.56，液限33.8～42.9，推荐承载力70～100kPa，压缩系数0.48～1.40 MPa-1，压缩模量1.67～4.90MPa。 2～2层：淤泥质亚粘土（粘土）混粉砂，灰色，软塑状态，中等～高压缩性，通常与2～1层拌生，第四系全新统冲积、洪积成因，层厚3～14m，含水量26.7%～32.1%，孔隙比0.869～0.992，液限29～31.3，压缩系数0.27～0.66MPa-1，压缩模量3.04～7.82MPa，推荐承载力80～90MPa。
2～3层：淤泥质粘土，灰色，局部为亚粘土，可塑～软塑状态，中等～偏高压缩性，第四系全新统冲积成因，层厚2～8m，含水量33.8%～35.1%，孔隙比0.971～0.985，液限42.9～43.9，压缩系数0.39～0.53MPa-1，压缩模量3.52～5.48MPa，推荐承载力100～160kPa。
根据工程地质勘察结果可知：
（1）全线软土地基各项指标比海相、湖相沉积软土好，含水量较低，特别是部分路段夹有砂层有利于土层排水固结。
（2）由于古河道分布较多，造成在较短路段范围内软层厚度纵横向分布不均，如K28+305～K8+490段，在横断面上以45°进行分布，且厚度差异较大（见图1～2）。因此对沉降影响较大，在设计工作中已引起特别注意，并给予高度的重视。
（3）部分路段软土埋深较深，硬壳层较厚，在设计中尽量考虑到充分利用硬壳层作用，减少对硬壳层的破坏。
图1
（4）由于土的性质沿土层深度和路线长度的变化很大，计算参数的获得依赖于原位的地质钻探法，它与钻孔的数量、钻孔的质量和钻孔的代表性、土工试验技术和成果的分析整理等因素密切相关，以及由于软基设计本身理论与实际情况的差异，因此沉降量的计算值与实测值之间往往存在着一定的差距，在设计说明中提出加强施工和预压期的沉降观测，以对计算结果及时修正，建议用观测数据通过计算分析来判定最终沉降量和决定路面修筑的时间。
本标段软土地基土工试验情况见表1。
| 序 号 | 起讫里程桩号 | 长度（m） | 不 良 地 质 情 况 说 明 | 所属类型 | 层位 | 物 理 力 学 指 标 | ||||||||
| 天然含水量W（%） | 湿密度P（t/m3） | 孔隙比e | 液限（%） | 塑限（%） | 塑性指数IP | 液性指数IL | 压缩系数a1-2（MPa） | 压缩模量Es（MPa） | ||||||
| 1 | K15+200～K16+050 | 850 | 淤泥质亚粘土，混粉砂，灰色，软～流塑状态，埋深 1～2m，层厚1.5～4m | 软土 | 2-1 | 42.3 | 1.77 | 1.18 | 38.0 | 21.4 | 16.6 | 1.26 | ||
| 2 | K16+200～K16+600 | 400 | 淤泥质亚粘土，混粉砂，砂性重，流塑状态，埋深6～12m，层厚6～8m，静探锥尖阻力770MPa | 软土 | 2-1 | |||||||||
| 3 | K24+170～K24+300 | 130 | 淤泥质粘土，灰色，饱和，流塑状态，高压缩性，埋深11.4m，层厚1.5m | 软土 | 2-1 | 51.3 | 1.72 | 1.41 | 47.8 | 24.2 | 23.6 | 1.15 | 1.44 | 1.67 |
| 4 | K25+000～K26+500 | 1500 | 淤泥质亚粘土，灰色，饱和，软塑～流塑状态，高压缩性，层厚5～12m | 软土 | 2-1 | 49.8 | 1.73 | 1.37 | 49.4 | 24.7 | 24.7 | 1.02 | 0.83 | 2.86 |
| 5 | K28+900～K29+065 | 165 | 淤泥质亚粘土，灰色，饱和，软塑～流塑状态，层厚0～8m | 软土 | 2-1 | |||||||||
2 软土地基处理目的和设计标准
软土地基处理目的主要是保证路堤在施工及使用期间不会发生局部和整体剪切破坏，满足强度及稳定性要求，并且在使用期间内不发生较大的沉降和不均匀沉降，保证路面结构完整和车辆行驶平稳、安全、舒适。
工后沉降标准：采取一般路段路面竣工后15年之内路基底中心处的剩余沉降量不大于30cm；对大桥、中桥、小桥桥头5～7倍桥台高度范围内的引道路基，在路面竣工后15年内路基底面中心处剩余沉降量不大于10cm，而控制上路面的时间设计中采用沉降速率法，即在路堤修筑以后观测沉降变化过程，当沉降速率小于某一数值，沉降加速度小于零，并根据沉降曲线推断今后可能发生的沉降量小于工后沉降标准后，再施工路面。考虑到路面荷载对沉降影响较大，同时建议对软土地段采用等载预压措施。
稳定设计标准：稳定验算和稳定系数在施工期内，应用圆弧滑动法计算一般路基稳定系数应大于1.10；在营运期内，应用固结有效应力计算一般路段路基稳定系数应大于1.25；桥头填土路基考虑地震水平力的作用时，其稳定系数应大于1.10。
本标段软土地基处理设计是在大量的调查研究、室内试验及理论计算的基础上进行的，应用了软土地基有关最新理论，吸取了国内各高等级公路软土地基处理的成功经验，应用了有关沉降和稳定验算的电算程序进行计算和验算。
3 设计原则及方案选用分析
3.1 设计原则
软基设计是依照国内外成功经验，分别采用等载（超载）预压、粉喷桩、土工织物和砂垫层、塑料排水板等方法进行软基处理。对于软土指标差、须作稳定处理的路段，并考虑工后沉降和施工期要求，采用粉喷桩进行软基加固；对于软土指标差、但其稳定已基本满足要求，其工后沉降也基本满足要求的路段采用土工织物或砂垫层进行等载（超载）预压处理；对于工期容许、其沉降能控制的路段，可采用塑料排水板法处理。为使本标段处于软基路段的构造物与本设计相适应，对其基底处理和沉降缝亦作了相应的考虑。
3.2 方案选用分析
3.2.1 等载预压法
利用路堤堆载预压是最经济的处理方案，它的加固效果实在，消除工后沉降作用明显，当工后沉降仍不能满足要求时还可采用等载或超载预压的办法。南京机场高速公路地基的软土性质并不很差，并普遍存在粉砂夹层，或下卧砂层，因此土的原位固结系数一般要比室内试验结果大。因此，只要有一定的预压期，可不用或少用其它排水固结措施，从而节省大量的工程处治费用，其不足之处在于其处理的软土地基沉降量不宜太大，而且需要有足够预压期才能保证。
3.2.2 土工织物、砂垫层法
是在路基底铺筑砂垫层、土工织物。这是软基处理中常用的浅层处治方案，其目的在于防止由于局部承载力丧失而造成的路基填土与软弱地基相互混杂，补偿土中抗剪强度的不足，防止由此可能导致的园弧滑动破坏，并可有效地加快工期，降低成本，减少路堤间不均匀沉降。
砂垫层主要起加快排水固结作用。有研究资料表明，因固结作用排出的水量是极其有限的。
在没有水源补给的情况下，大致和固结沉降量相适应，如每天下沉1cm，每m2面积排出的水量仅10L/d，只需要具有一定透水性的材料，就完全能够承担起排水作用。土层的透水性是相对而言的，根据固结计算，相邻土层的渗透系数若相差50倍以上，渗透系数大的土层可按完全透水边界处理，在设计中充分考虑到这一点使软基处理方法更经济合理。
3.2.3 粉喷桩
是利用专门设备，借助压缩空气，将粉体加固材料（如水泥）喷射，并在加固的深层软土地基中强制原位搅拌压缩，并吸收周围水份，产生一系列物理化学反应，形成具有一定强度的水泥土桩体，并与桩间土共同作用组成复合地基。经过处理后的土体可比天然地基容许承载力提高1.0～1.5倍，并且土体压缩性明显减少，抗侧向变形能力有所提高，形成强度快，施工方便。对于处于桥头部位的软土，经粉喷桩加固处理，可明显防止软土对桥台桩基的侧向挤压作用，而且水泥土的固化时间较短，有利于加快施工周期，沉降的时间较为有利。其不足是用粉喷桩处理软土层时，若桩末穿透软土层会造成未处理部分软土层的沉降量增加，沉降速度变慢。因此，用粉喷桩处理软基时应将整个软土层穿透。
同时由于受到机械设备的影响，粉喷桩处治的软土最大深度不能超过15m，而且处治的费用比其他处治方法高。
3.2.4 塑料排水板
是人为地在软土层内造成渗水通道，在路堤填土自重荷载预压下加快排水固结，而塑料排水板虽具有短时间内加快地基排水固结，提高软基强度和承载力的优点，但从近来对塑料排水板的研究和实际应用表明，塑料排水板也有不利的一面，如破坏壳层，大大增加了到下卧软土层间的附加应力，增大了软土层的沉降量；土体扰动使原状结构破坏，产生附加沉降；加快次固结沉降的发生，使沉降时间延长等。因相邻的南京机场未作处理，为保持沉降发生的一致性，故在K28+600～K29+097段设计采用塑料排水板进行软基处理。
本标段施工方案如图3所示，各路段软土地基处理情况见表2。
图3
| 序号 | 起 讫 桩 号 | 设 计 处 理 措 施 | 备 注 |
| 1 | K15+090～K15+350 | 粉喷桩 | |
| 2 | K15+380～K16+100 | 粉喷桩 | |
| 3 | K16+400～K16+450 | 铺土工布，按正常路段施工 | 硬壳层较厚 |
| 4 | K17+400～K17+650 | 铺土工布，按正常路段施工 | 硬壳层较薄 |
| 5 | K20+730～K21+200 | 粉喷桩处理桥头，一般路段用砂垫层加土工布等载预压 | |
| 6 | K21+260～K21+500 | 铺土工布预压 | |
| 7 | K26+056～K26+760 | 双层土工布，上填50cm嵌锁型碎石，超载预压 | |
| 8 | K27+120～K27+480 | 粉喷桩 | |
| 9 | K28+600～K29+097 | 塑料排水板等载预压 | 与新机场相接 |
4 结论
（1）采用以上处理方案在理论上可保证路堤的沉降在设计许可范围内，但理论计算与实际结果由于种种客观原因可能存在较大差异，填筑在软基上的路堤设置沉降观测点进行长期观测，根据沉降过程线来推算工后沉降量，验证了理论设计计算沉降的准确性。
（2）采用粉喷桩处理地基，粉喷桩施工结束后14d即可填筑路堤，填土速度可不受正常施工时间限制，但应注意加强沉降观测。
（3）粉喷桩处理后的桥头，灌注桩可提前施工，然后填土预压。预压后，即可开挖以进行桥台施工。
（4）等载或超载预压路段，路堤施工至路槽标高后即按80%的压实度进行等代换算预压土，到达预压标高后做成双向坡排水，卸载后路槽按设计要求填筑进行路面施工。
（5）南京机场高速公路软土路段采用以上处治措施以后，实际施工后证明各种处治方法是合理可行的，达到了设计初期预计的效果，经1996年10月软基沉降情况调查，本标段沉降已基本稳定（详见表3）。
| 起 讫 桩 号 | 处 理 方 式 | 沉 降 情 况 |
| K17+400～K17+650 | 原地面掺5%灰处理后，用5%灰土调拱铺土工布，上40cm 5%灰土再素土施工 | 稳定，累计沉降26mm，平均月沉降2mm |
| K20+780～K20+951 | 素土三角垫层20cm砂层，上铺土工布，上80cm 5%灰土再按正常路基施工 | 稳定，累计沉降216、125、356mm，平均月沉降29、40、13mm，近几月沉降1.2、2mm |
| K20+951～K20+981 | 粉喷桩上做80cm 5%灰土，然后正常路基施工 | 稳定，累计沉降93、110、82mm，近几月沉降2mm |
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