淺談高達614m級路基的沉降

位于上海西郊的大型汽車公司考場是該公司多功能汽車公司的總部。業主委托德國obermeier公司進行設計，并在四個辦公室中建造了該公司。試車場地處長江三角洲沖積平原前沿，軟土深厚，地表平坦，海拔3.6m左右，以稻田為主，河流、水溝、魚塘、村落散布其間。試車場占地廣袤，東西長約2200m，南北寬約800m，分區布設了各種測試用地坪和特殊道路，其中部分路基如高速環道東、西曲線段，坡道丘等填高6～14m，對工后沉降的要求特別高，在上海地區尚屬首次。設計采用的軟基加固方法以歐洲習用的砂井或砂井加打入樁為主。為使工程能順利進行，業主、設計、施工各方相互配合，在設計和施工方面進行了一些試驗和探索。1地基土物理力學指標場地范圍內，受古河道切割影響，土層和土性變化較大，覆蓋層大于80m，在地面下40m深度內，主要由飽和粘性土、粉粘土、砂土組成，可分為八層，分別為：(1)填土，層厚0.4～3.0m，黃色～灰黑色，濕，松散，一般為耕土或地基土，多含植物根莖、碎磚、石塊等，下部為填土，呈灰黑色、流塑。(2)粉質粘土，層厚0.2～2.9m，褐黃～灰黃色，濕～很濕，可塑～軟塑，下部土質逐漸變軟，可作為路基持力層。(3)-1淤泥質粉質粘土，層厚4.7～17.3m，灰色，飽和，軟塑～流塑，含云母、有機質，夾薄層粉砂。土質較差。(3)-2砂質粉土塊粘質粉土，厚2.0～16.0m，灰色，飽和，松散～稍密，含云母、腐植質，夾粘質粉土。(3)-3淤泥質粉質粘土，厚2.5～12.0m，灰色，飽和，軟塑-流塑，含云母、有機質，夾薄層粉砂，局部夾多量粉質粘土，土質較差。(5)-1粉質粘土厚，1.5～12.0m，褐灰色，飽和，軟塑，含云母、鈣質結核及黑色半腐植質。局部地區下部含0.3～0.5m泥炭層。(5)-2砂質粉土厚，1.7～6.5m，褐灰色，飽和，稍密，含云母、貝殼碎屑，夾薄層粉質粘土，可選擇為小樁持力層。(6)粉質粘土。厚1.7～8.0m，暗綠～草黃色，濕，硬塑～可塑，含云母、氧化鐵斑點，下部土質砂性較重。土質較佳，可作為樁基持力層。(7)粉質粘土-砂質粉土，離地面深度超過40m，厚2.0～8.5m，草黃～褐黃色，飽和，稍密-中密，含云母、氧化鐵斑點，土性變化大。(8)-1粉質粘土，厚8.0～18.5m，灰色，飽和-很濕，軟塑-可塑，含云母，夾薄層粉砂。(8)-2粉質粘土、粉砂互層，灰-青灰色，濕，可塑，系薄層粉質粘土與粉砂互層。地基土的主要物理力學指標見表1。根據軟土層厚度及各地層物理力學指標的差異，地質勘察單位將場地劃分為A、B、C三種地質單元類型，其中A、B兩區地基土分布差異性較大，C區地基土較為均勻，但試車場一期工程的主要測試用場地及道路卻大都設置在A區和B區。地質勘察單位同時提供了各單元(2)、(3)-1層不同的地基承載力、各地層預制打入樁單樁極限摩阻力以及(5)、(4)-1層的樁端極限端承力等參考數據。事后驗證，這些數據均存在較大的離散性。2邊坡、護坡、高速環道、方向高速環道填方大眾試車場雖然設置了許多汽車功能測試場地及道路，其中只有坡道丘、坡道小丘和高速環道的東西曲線等三個部分是高填方。為了進一步改善高填方軟基加固設計方案，業主和設計公司商定，提前修建一個試驗性的模擬路基高填方，稱之為“試堆土”。2.1充填地基沉降與整地試堆土位置選定在軟土層較為均勻、地基土層次變化少的C區，填方底部長82m，寬37m，填高6m，地質剖面見圖2。試堆土采用了兩種不同的地基加固方法。第〈Ⅰ〉段為砂井加打入預制鋼筋混凝土方樁。砂井深度10m、11m、13m不等，樁距3m×3m，砂井完成后加載預壓后再在砂井之間打入預制方樁（0.25m×0.25m或0.3m×0.3m），間距亦為3m×3m；第〈Ⅱ〉段只打設10m砂井，間距同上，兩種加固形式及填土基本同步施作。第〈Ⅰ〉段的工藝流程為：(1)地基外圍挖溝排水、地表平整壓實→(2)打設砂井→(3)鋪設0.3m厚砂墊層和土工布→(4)堆填2m厚石灰土預壓→(5)一個月后沉降趨于穩定隨即卸載1.8m→(6)在砂井之間打入方樁→(7)樁頂鋪設碎礫石承重層0.8m及土工格柵二層→(8)填筑二灰土路基至設計高度→(9)進入工后沉降觀測期。工序(1)～(6)在3個月內完成，(7)～(8)在2個月內完成。理論計算結果，路基沉降可在21～25個月后趨于穩定。現場監測結果表明：(1)填土后18個月后路基即趨于穩定，在2000年11月至2001年11月一年中〈Ⅰ〉區沉降量為20mm，〈Ⅱ〉區沉降量為24mm。在以后的4個月內出現了反彈現象，各抬高1mm，說明已完全穩定。(2)路基最終沉降量，〈Ⅰ〉區331mm，〈Ⅱ〉區403mm。(3)路基坡腳穩定，〈Ⅰ〉區位移約8mm，〈Ⅱ〉區約12mm，垂直位移是1m。(4)兩種地基加固方法的變形量相差不大。2.2路面結構層沉降觀測坡道丘是一個模擬山區道路的扁圓形人造丘陵，丘陵上設各種坡道，周圍還設有迂回曲折的各種模擬山區道路，坡道丘頂部高程18.1m，填高14m多，底部直徑約200m，為試車場中最高的填方，位于B區。坡道區地基加固設計為10m、14m、18m三種深度的砂井共3990根，間距3m×3m。坡道丘的工藝流程為：(1)挖溝排水，做粘土坪基使之形成3%輻射開橫坡→(2)鋪設25cm厚固結層→(3)打設砂井→(4)鋪設0.3m厚砂墊層及土工布→(5)堆填1.2m石灰土并加鋪土工格柵→(6)填二灰土到15.1m高程→(7)沉降觀測至穩定→(8)卸載到10.1m高程→(9)換填輕型填料至頂面標高18.1m→(10)施作路面結構層。工序(1)～(5)于4個月內完成，以后3個半月內即2000年5月底，當預壓土填到7m（約10.5m高程）時，出現了意想不到的大沉降量，此時坡頂沉降量達1615mm，坡腰800～1200mm，于是停止填土，繼續觀測至2002年2月底，坡頂累計沉降量已達2240mm坡腰亦達1100～1600mm，沉降速率仍達3.3mm/月。各測點的沉降值離散性甚大。但是，坡道丘坡腳的各個測點卻沒有出現大的變形量，只有一個方向出現了最大為194mm的水平位移和很小的垂直位移，當與坡道丘扁平的形狀有關。沉降曲線見圖5、6。由于工期的制約，預壓期不能再延長了，業主和設計公司商量后決定卸載，改用新型輕質合成材料EPS（膨脹聚苯乙烯）塊堆填，因EPS塊的質量僅25kg/m3，堆填成型后基底沉降自然趨于穩定，防止了基底的破壞性滑移，解決了工后沉降問題，但造價增加甚多。對于坡道丘而言，單純采用砂井加固的設計方案是不成功的。2.3路面結構層基層制作坡道小丘長約200m，為一拱形小坡，丘頂填高6.5m，兩端通向各種類型的路面及線形，位于B類區，軟土(3)-1層厚11～15m。坡道小丘基底以砂井排水固結，砂井深10m，間距3m×3m，其工藝流程為：(1)清理表土，排地表水→(2)地基填土0.25m壓實固結→(3)打設砂井→(4)鋪砂墊層0.3m及土工布→(5)填筑二灰土路基及超載土預壓→(6)觀測沉降→(7)卸去超載土，施作路面結構層。工序(1)～(4)于2個月內完成，工序(5)于2個月內完成，工序(6)經過了9個月時間，卸去超載預壓土后，路基沉降速率仍達29mm/月。甚至路面做完后的7個月內又沉降了225mm，沉降速率在第7個月仍達13.5mm/月之多。2.4路面層鋪設與苗木基高環東、西曲線段均跨越A、B、C三個區域，某些地段軟土層次不整齊，厚度差異大，曲線段路基的典型橫斷面是多心圓弧曲面斜路面，最高處填高6m，見圖7、圖8。東、西曲線段基底加固設計均采用砂井+打入方樁方案，經過兩次預壓，使路基趨于穩定后方鋪設路面層。曲線段砂井深度為12m至16m，鋼筋混凝土預制方樁為25cm×25cm、30cm×30cm兩種，樁長12m～16m。工藝流程與試堆土〈Ⅰ〉區類似，即：⑴排水、平整壓實地基面→⑵打設砂井→⑶砂墊層、土工布⑷→預壓二灰土→⑸觀測沉降→⑹挖除預壓土→⑺打入預制方樁→⑻鋪砂礫石層及土工格柵→⑼填筑二灰土路基本體及超載預壓土→⑽觀測沉降→⑾趨于穩定后挖除超載預壓土→⑿鋪設路面層。東曲線工序⑴～⑹于5個月內完成，⑺～⑻于8個月內完成。觀測4個月后挖去超載土，施作路面結構層，此時路基累計沉降量551～230mm，沉降速率仍達9mm/月。西曲線工序⑴～⑹于9個月內完成，⑺～⑻于5個月內完成。觀測2個月后挖去超載土，施作路面結構層，此時路基累計沉降量449～235mm，沉降速率仍達6mm/月。3工后沉降的標準3.1關于高填路基穩定問題大眾試車場的設計公司始終沒有正式提出過衡量路基達到穩定的標準。間或透露過一些設想，即在6周內沉降速率小于1mm，亦即8.6mm/年。這一標準顯然遠高于國外一般時速300km高速鐵路路基允許工后沉降小于10cm、年沉降速率20～30mm的規定。根據試車場的工程實踐，可得出以下幾點結論：(1)通過試堆土和高環曲線段的實踐，6～7m高的填方，采用砂井打入樁+兩次超載預壓的加固方法，經過18個月以上的固結期，有可能滿足6周內沉降速率小于1mm的高標準設想。(2)由于上海地區軟土層的不均勻性，在比較長大的范圍內，沉降量可能出現相當大的差異。(3)試堆土試驗結果證明，在軟土層物理力學性能較好，層厚變化少的地方（如B區），即使只用砂井固結，也有可能達到6周內沉降速率小于1mm的標準；但當下臥層地質條件稍有變化，即可能發生極大的問題（如坡道丘）。為安全計，單用砂井固結是不宜作為上海地區高填路基軟基加固的設計方案的。(4)由于上海地區軟土地層的層次變化多，導致一段路基中路基沉降量和沉降速率的離散性極大（如高環曲線段中，各個測點的沉降量相差6倍，沉降速率相差3倍）。以后的正式工程在鋪設路面時均未能達到沉降速率1mm/6周這一標準。因此，將工后沉降的標準定到高速鐵路標準可能是比較現實的。3.2上海大眾試車場高填方在國內尚屬首次，軟基加固，德國公司選用了砂井加打入樁的方案。其特點為：(1)提高了施工工業化程度，因而施工時間短、使用勞動力少，可控性強。(2)打入樁群加強了基底的剛性與整體性，減少了工后沉降，特別是由于打入樁群的約束作用，大大減少了路基坡腳變形，穩定了路基。但是，這種基底加固體系使地基的受力條件復雜化了，有一些問題尚待進一步研究：(1)砂井和第一次預壓對軟基起到了較好的排水固結作用。當打入預制樁時，砂樁有可能受擠壓變形，影響排水固結。(2)基底受力條件不明確，按復合地基怎樣計算合理？同時，樁頂雖有二灰土及礫石土工格柵“承重層”，因樁距較大，仍難以起到承臺的作用。(3)砂樁間距3m×3m，打入樁布置在砂井對角線交1點，間距也是3m×3m，兩者間距都較大，是否合理。如能做些比較試驗更好。3.3“兩次預壓”是試車場路基施工的又一特點，由于砂井做完后進行第一次預壓，促使軟土加速排水固結后，再打入預制樁，然后填筑路基本體及動載預壓土，待路基沉落至基本穩定時再做路面，有效的控制了路面構筑后的工后沉降。但是，在上海的軟土地基上，采用這種方法必須有20～30個月的沉降期。許多受工期限制的國內工程往往很難做到。因此在條件許可時，真空預壓可能是更好的選擇。3.4由于上海地區缺乏良好的路基填料，選用經濟合理的填料是個大問題，大眾試車場采用二灰土（摻加了石灰、粉煤灰的當地粉質粘土）作為高填路基填料，質量較輕而強度高，填成的路基整體性好，是成功的。根據試車場坡道丘高填的實踐經驗，今后在上海地區高填路基中，在經濟合理的前提下，全部或部分采用EPS塊填筑路基，不失為一種選擇。3.5在上海地區，由于沖積土形成的條件比較復雜，軟土成份和層次變化大，加之當地人煙稠密，人類活動頻繁，河浜水塘的變遷甚多，地質勘察部門雖然做了相當多的工作，施工后在路基變形監控中仍出現了測得數據離散性相當大。更為突出的是基底地質條件相似的坡道丘和坡道小丘（同為B區），同樣采用砂井排水加固地基，前者沉降2200mm，后者僅沉降225mm。因此，在類似工程中加強地質勘探工作的針對性，地質工作如何緊密結合設計與施工，提供更加翔實可靠的工程地質資料，是非常必要的。3.6試車場坡道丘和試堆土兩個工點，在施工中出現一些不正常情況，分析意見：(1)坡道丘本身為一扁圓形人造丘陵，雖然填高14m多，但底面積大，坡率緩，因此設計時只考慮了砂樁固結排水，省掉了打入樁，而以較輕的二灰土超載預壓來加速地基的固結沉降，填筑預壓時出現了異常的大沉降量，其原因可能是：(a)當基底軟土厚度達13m，填土高度14m時，單純用砂樁加固是不夠的。(b)如果是公路鐵路的梯形填土斷面，這樣大的沉降量將會使路基及坡腳附近地表劇烈變形，可能導致路基的破壞。(c)在上海地區設計較高的路堤時（例