南京机场高速公路软土地基处理设计与沉降观测分析.doc

南京机场高速公路软土地基处理设计与沉降观测分析1前言南京机场高速公路位于南京市南部江宁县境内，连接南京绕城公路与南京禄口国际机场，全长28.756km，于1995年6月28日开工，1997年6月28日正式通车。在短短两年内，广大建设者积极响应省委、省政府的号召，在省交通厅的正确领导和指导下，克服了地质条件复杂、软基处理工期紧 、难度大、建设标准和要求高，并需同步完成交通工程三大系统和照明绿化工程等困难，高标准、高质量、高效益地完成了建设任务。工程总体水平达到了“国内领先，国际先进，代表了目前我国高速公路建设新水平”。经过近一年的考验，路基稳定，路面平整如初，桥头跳车现象基本消除，并且沿线环境优美，四季长青，景观丰富，似一条绿色长廊，充满了现代化气息，成为名符其实的“省门第一路”。她为江苏人民争了光，也为我省交通重点工程建设树立了典范，积累了宝贵经验。2全线软土的工程特性南京机场高速公路沿线软基情况较为严重，据地质资料，沿线属宁镇低山丘陵区，该区连接长江三角洲平原，西连安徽丘陵岗地，沿线附近有牛首山、吉山、方山等，地形起伏较明显，地面标高在865m之间。地表土层以上更新统下蜀组亚粘土、粘土为主，地势低洼处常发育淤泥质亚粘土，一般为古河道、湖泊、冲沟沉积，纵横交错，层厚分布不均。由于路线位于人口稠密的城郊，地形地貌因人工造地、造田变得更为复杂。全线有软土地基22段，计7.15km，占全线长度的24.9%。软土段主要以2-1层淤泥质粘土(亚粘土)、2-2层淤泥质亚粘土混粉砂为主。其中2-1层淤泥质亚粘土(粘土)层厚012.5m，天然含水量W=37.2%64.2%，天然孔隙比e=1.0531.72，压缩系数a=0.481.56MPa-1，灰色，软流塑状态，中等偏高高压缩性，呈透镜体状，主要分布于地势低洼处和古河道处。2-2层淤泥质亚粘土混粉砂冲积成因，层厚314m，天然含水量W=30.4%36.4%，天然孔隙比e=0.8690.992，压缩系数a=0.270.66MPa-1，灰色，流塑状态，中等高压缩性，软土段主要地层情况及相应的物转贴于：_造价100分理力学指标见表1。 全线地层情况及软土物理力学指标表表1 地层编号地层描述层厚m物理力学性能指标分布范围W%rt/m3eWL%WP%a/MPaEeMPaCkPa度kPakPa1-1素填土，以灰色粘土(亚粘土)为主，表层夹碎石、砖块，混有机物，可塑硬塑状态0.54.020.839.31.812.010.601.109011.231.00.000.380.200.355.958.3337.760.38.4022.71202003555全线断续分布1-2粘土(亚粘土)，灰黄绿黄色，硬塑可塑状态，中中等偏高压缩性05.924.130.41.882.010.640.8712.522.10.000.570.140.493.7211.823.067.83.8027.21503004065全线断续分布1-3亚粘土(粘土)，局部混粉砂，灰黄色可塑软塑状态，中中等偏高压缩性15.026.941.51.811.960.740.928.3026.70.601.060.180.613.149.621.9026.25.2021.71202003050全线断续分布2-1淤泥质粘土(亚粘土)，灰色，软流塑状态，中等偏高高压缩性，呈透镜体状，主要分布于地势低洼处和古河道处012.537.264.21.651.811.0531.7214.728.80.511.390.481.561.674.903.8027.43.9010.6701001525全线断续分布主要分布于古河道2-2淤泥质粘土(亚粘土)，混粉砂，灰色，流塑状态，中等高压缩性31430.436.41.821.890.8690.9929.0012.01.181.320.270.663.047.821.7011.111.122.680902025全线断续分布主要分布古河道与2-1层伴生2-3粘土(亚粘土)，灰色，孔隙比大，可塑软塑状态，中中等偏高压缩性，局部为高压缩性1.87.524.138.81.841.960.721.0710.720.90.320.890.200.444.678.7920.240.46.7015.91001602545全线断续分布3-1亚粘土，灰色，呈透镜体状态存在，局部混粉砂，可塑软塑状态，局部为硬塑，中中等偏高压缩性31123.427.71.892.000.6770.7956.109.300.971.010.230.286.337.637.7018.615.320.9901302030全线断续分布3-2粉砂，灰色黄灰色，松散稍密状态，饱和，夹少量粘性土，中等压缩性，呈透镜体状态存在51722.342.31.702.020.5471.230.150.267.8910.585.3016.229.330.51001503550古河道冲积层4-1亚粘土(局部粘土)，灰黄黄色，含铁锰结核，可塑硬塑状态，中等压缩性良好的浅基础持力层32020.227.61.932.020.610.789.9017.20.000.400.100.267.3716.927.182.517.827.92003505575全线分布式中：Sd瞬时沉降量；转贴于：_造价100分So固结沉降量；Ss次固结沉降量。由于机场路软土以淤泥质粘土(亚粘土)为主，次固结沉降可忽略不计，固结沉降是地基沉降的主要部分，鉴于沉降计算很复杂，涉及的因素很多，实践中常用分层总和法推算固结沉降，然后再乘一综合性的修正系数，求出总沉降量。即：总沉降量S=MsSo式中：Ms修正系数，一般取1.11.2。关于固结沉降计算的方法很多，归纳起来有取实际压力变化范围的e-p曲线法，采用100200kPa压力范围的压缩系数法、e-1gp曲线法和有限元法。鉴于机场高速公路地质勘探资料中e-1gp曲线不足，故采用e-p曲线法或压缩系数法计算固结沉降量。软土层承受荷载作用后，随着时间的推移逐渐固结，而固结计算的目的，是为确定任一时刻土体的固结度和该时刻的沉降量。对不作处理的地基，其固结度的计算根据太沙基的单向固结理论，假定土为均质的。实践证明计算值与实测值误差较大，需依靠现场观测来修正预压时间，根据太沙基单向固结理论，线性加载条件的固结度3全线软基处理及变更设计3.1设计原则在进行机场路软基处理施工图设计时，仍然以工后沉降一般路堤小于30cm，桥头路堤小于10cm，涵洞和通道小于20cm为设计原则。当计算工后沉降不能满足上述指标时，则采用不同的软基处理措施。另外当软基处理深度超过15m时，考虑到施工工期及沉降的稳定采用建桥跨过的办法，7.15km软基中有2.77km是建桥跨过的(例如禄口高架桥、牛首山河大桥、秦淮新路大桥)，其它4.38km软基采用了不同的处理方法(详见表3)。3.2软基地段路基的沉降估算沉降估算参照沪宁高速公路江苏段地基沉降及地基处理课题的成果。路基的沉降估算包括两部分：总沉降量计算和固结计算。按照沉降发生的原因和次序，沉降可分为瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分：即总沉降量S=Sd+So+Ss 式中：T加载历时；t加载过程中某一时刻；M0.5(2m-1)；H最大渗径长度。若荷载是分级施加的，对第i级荷载可用上式计算，整个加载过程可由上式迭加而得。工后沉降量是总沉降量减去施工期及预压期沉降量，而施工期及预压期降量可根据预压期末软土地基的固结度乘上总沉降量得到。按机场路的实际情况，路基施工期为6个月，预压期为3个月，则可计算出非处理条件下施工期及预压期预估沉降量、预估工后沉降量，计算结果与总沉降量一起列于表2。机场高速公路主要地段非处理条件下沉降预估计算一览表表2 序号桩号填土高度(m)预估总沉降量(mm)施工期及预压期预估沉降量(mm)预估工后沉降量(mm)备注1K2+108K2+1804.019976123桥头2K2+250K2+4603.03181331853K5+460K5+5333.8492197295桥头4K6+960K7+0353.2362118244桥头5K11+625K11+6953.8313125188桥头6K12+680K12+8303.5383823017K13+820K13+9805.55791494308K13+980K14+0985.5486159327桥头9K15+140K15+3604.53626130110K15+400K15+8006.075820355511K15+800K15+9507.0884381503桥头12K20+780K20+9506.246019726313K20+950K20+9755.5403133270桥头14K26+056K26+1203.5772228544桥头15K26+120K26+4403.5618205413站区16K26+440K26+6206.588033055017K27+100K27+5004.063721142618K27+815K27+8654.0/19K28+305K28+4905.0/20K28+680K28+7565.5608207401注：施工期考虑为6个月，预压期为3个月；K27+815865、K28+305490系新发现软土，因只有静力触探资料，故未计算沉降基段地质资料估算值。从表2工后沉降量预估值可知，按工后沉降控制标准，大部分路段和桥头不能满足要求，必须进行软基处理。3.3软基处理设计与变更设计软基处理的目的首先是保证路基有足够的稳定性，其次是使处理后的路基产生尽可能小的沉降量或工后沉降量，特别是不均匀沉降。从机场路沿线软土分布及地质资料分析，软土地基一般位于地势低洼的水稻田区及河塘密布区，以河相、湖相沉积、冲积的淤泥及亚粘土为主，地表虽有层厚为1.03.5m硬层，但其多为过湿土，含水量一般在25%35%，软土层厚1.511m，分布范围从几十米到几百米不等，含水量一般在35%55%，承载力一般在6580MPa，孔隙比一般大于1.5，部分软土中夹粉砂层，还有部分软土为淤泥质粉砂土，天然含水量40%左右。在进行软土地基设计时，必须考虑软土的实际情况(比如软土的分布范围、厚度)、路堤高度、所处位置(桥头、涵洞或通道、一般路堤)及工程可能允许的工期等各方面因素，不同的地段必须采用不同的加固措施。根据各路段工后沉降控制的设计原则，在施工图设计时主要采用了以下软基处理措施：(1)砂垫层加土工布等载预压法。该方法主要用于硬壳层厚度大于1.5m，软基不很严重，计算沉降量30cm左右的一般路段。(2)塑料排水板排水固结法。主要用于软基相对较严重，硬壳层较薄，排水固结条件较好的路段，但塑料排水板法需要一定的预压期，工后沉降不能有效地控制，特别是在次固结沉降发生比较明显的情况下。(3)粉喷桩加固法。该方法适合于软基较严重、工后沉降在预定工期内无法控制、软基深度在15m以内的地段，特别是对桥头、构造物沉降控制，采用粉喷桩加固是较有效的方法。由于机场路施工期只有两年，与设计所期望的施工期相差甚远(一般正常工期34年)，因此原设计采用的软基处理方案不能满足最短预压期的要求，而预压期对软基处理的效果至关重要。另外，由于机场路建设标准要求高，软基资料不足，地质情况复杂等因素，为更进一步完善软基设计，提高设计的合理性、有效性、经济性，保证路基的稳定，在施工过程中，通过对软基路段进一步的补勘，详细探明了软基范围、深度，经过对地质资料详细认真分析研究，在原软基设计的基础上，进行了大量的软基变更设计。变更设计时充分利用了目前我国在软基处理方面的研究成果，吸取了我省连云港新墟公路、宁连宁通一级公路、特别是沪宁高速公路等在软基处理方面的成功经验，请省交通科研所软基处理方面专家方唏进行技术咨询。变更设计主要考虑以下几个方面：(1)所有有软基的桥头30m范围内全部打粉喷桩，且要求粉喷桩打入持力层，进行超载1m、预压3个月处理，以尽可能减少桥头沉降差，消除或基本消除桥头跳车现象。(2)充分利用硬壳层的作用。在计算沉降量3040cm、硬壳层厚度与路堤高度之比1.01.2时，可不作处理或采用砂垫层土工布等载预压处理。(3)当软土层中夹有砂层或软土层为淤泥质粉砂土时采用超载预压方案。(4)对于易产生次固结沉降或排水条件较差的软土段，取消塑料插板桩处理方案，改用粉喷桩加固方案。软基原施工图设计及变更设计情况列于表3。 软基处理设计与变更设计一览表表3 序号桩号软土层填土高度(m)原设计变更设计备注层厚(m)天然含水量(%)处理方案预压期(d)处理方案预压期(d)1K2+108K2+1805.540.44.0粉喷桩加等载预压90桥头30m超载预压；余不变90桥头2K2+250K2+4608.740.43.0未处理砂垫层土工布等载预压1803K5+460K5+5335.758.33.8粉喷桩加等载预压90桥头30m超载预压；余不变90桥头4K5+565K5+5903.037.23.5塑料排水板加等载预压180桥头30m超载预压，取消塑板桩90桥头5K6+960K7+03511.335.63.2粉喷桩加等载预压90桥头30m超载预压；余不变90桥头6K7+035K7+2006.035.62.8未处理铺一层土工布7K11+625K11+6957.544.53.8塑料排水板加等载预压180桥头30m改打粉喷桩超载预压，余取消塑板桩，采用土工布加等载预压90180桥头8K12+680K12+8304.841.13.5砂垫层土工布等载预压180基底铺40cm碎石土9K13+820K14+0989.750.85.5粉喷桩加等载预压90桥头30m超载预压；余不变90桥头及水塘10K15+140K15+3603.542.34.5砂垫层土工布等载预压180粉喷桩水塘11K15+400K15+9501442.37.0粉喷桩加等载预压90桥头30m超载预压；余不变90桥头12K16+400K16+5008.532.10.5塑料排水板180取消处理13K17+375K17+7001.7/4.3土工布加等载预压180铺一层土工布14K20+780K20+9508.442.06.2塑料排水板180砂垫层加土工布等载预压18015K20+950K20+9755.643.55.5粉喷桩加等载预压90桥头30m超载预压；余不变90桥头16K21+014K21+0398.143.56.0粉喷桩加等载预压90桥头30m超载预压；余不变90桥头17K21+290K21+5205.9/2.8土工布加等载预压180取消处理18K26+056K26+1207.529.33.5粉喷桩加等载预压90超载预压，余不变90桥头19K26+120K26+44071844.53.5粉喷桩加等载预压90超载预压，取消粉喷桩90收费站20K26+440K26+62010.544.46.5未处理粉喷桩21K27+100K27+50013.164.24.0粉喷桩加等载预压90不变更9022K27+815K27+86511.0/4.0未处理0粉喷桩9023K28+305K28+49010.0/5.0未处理0粉喷桩9024K28+680K28+7564.040.05.5塑料排水板180不变更180终点变更设计的理由如下：K5+565590软基处理原设计采用塑料板，采用静力触探法重新钻探，发现该段软土层为粉砂层，排水条件好，故变更为超载1m预压，通过施工期及预压期沉降观测，发现沉降很快稳定；K11+655695软基处理原设计采用粉喷桩，通过认真分析地质资料，发现软土上覆硬壳层厚达5.7m，而路堤高度为3.8m，根据以往经验，实际沉降量会远小于计算沉降量，故变更为等载预压，通过施工期及工后沉降观测来看，变更方案是正确的，节省了工期，节约了造价；K12+740软基处理原设计采用土工布砂垫层等载预压，经重新审阅地质资料，发现软土上覆硬壳层厚达3.6m，而路堤高度为3.5m，根据以往经验，实际沉降量会远小于计算沉降量，故变更为基底铺40cm碎石土后正常施工，通过施工期及工后沉降观测来看，沉降在施工期间就基本稳定；K16+400500软基处理原设计采用砂垫层土工布等载预压，通过审阅地质资料，发现软土上覆硬壳层厚达7.0m，而路堤高度仅0.5m，故不需处理；K17+375500软基处理原设计采用砂垫层土工布等载预压，审阅地质资料发现，软土层厚仅0.91.7m，而路堤高度为4.3m，根据以往经验，实际沉降将小于计算沉降，沉降能满足工后沉降小于30cm的要求，故变更为铺一层土工布后按正常施工；K20+900软基处理原设计采用塑料排水板等载预压，进一步分析地质资料得知，软土中夹粉砂，有利于排水固结，故取消了塑料排水板，改为土工布砂垫层等载预压，通过施工期及工后沉降观测来看，变更方案是正确的；K21+290520软基处理原设计采用砂垫层工布等载预压，经审阅地质资料，发现软土上覆硬壳层较厚，路堤高度仅2.8m，根据以往经验，考虑到硬壳层的作用，实际沉降量会远小于计算沉降量，故取消处理；K26+120440段为收费站，软基处理原设计为粉喷桩，从地质资料来看，硬壳层厚1.5m，软土由两部分构成，上部为粉砂土，厚6.3m，下部为淤泥质亚粘土，厚为1.5m，排水固结很快，加之由于收费站区需用大量土方，故改为土工布砂垫层超载预压，卸载后土方可满足收费站使用，一举两得；经施工期间沉降观测发现，沉降很快稳定；K27+850与K28+420两处软土是在清淤过程中发现的，后经补钻确定了软土范围，发现一处系横穿高速公路的宽度仅为50m，软基厚度011m的深沟，另一处路基左边无软土，右边软基最深处达11m，若不妥善处理，路基必然产生失稳及不均匀沉降现象，故全范围内采用了粉喷桩打入持力层处理。其中：S4软土地基处理施工控制软基处理的效果取决于合理的设计、施工的质量以及是否能保证足够的预压时间，为此在机场路施工过程中，为保证软基处理的效果，在施工计划、质量控制、沉降观测等方面采取了一系列的措施。主要包括：(1)严格控制软基处理施工质量，保证软基处理达到预期效果。为此，指挥部制定了严格的软基处理施工质量控制标准，要求监理组加强监理力量，坚持一人盯一台粉体喷射搅拌机或塑料插板机，三班倒昼夜跟班旁站，严格控制粉喷桩每延米水泥用量，并进行水泥总量控制，保证到场的水泥全部打入土中；加强试桩控制，由建设单位、监理单位、施工单位有关人员共同商量，确定合理的施工参数；坚持所有的粉喷桩都必须打入硬土层(持力层)50cm以上，为此请设计单位对所有软土段采用静力触探方法进行补钻，认真确定软土段范围和深度；并请设计代表及时变更桩长，监理按实计量；坚持所有粉喷桩都必须复搅 ，并严格控制复搅深度及质量；成桩后加强质量检测，按2%比例开挖桩头目测，2比例取芯做无侧限抗压强度试验，并进行了单桩静载试验、钻孔取芯试验以检验桩身的质量。从施工过程来看，施工质量得到有效的控制；从检验结果来看，粉喷桩总体质转贴于：_造价100分量良好。(2)加快软基处理施工进度，保证有足够的沉降预压期。由于机场路总工期只有两年，为使软基段路基有足够的沉降预压期，必须加快软基处理工程施工及路基填筑，加大力量投入，配备较强的施工管理来争取尽可能长的预压期，以满足设计要求。为此，指挥部要求在1995年11月底前全面完成软基处理施工任务。为高质量、高速度完成软基处理施工任务，施工单位加大了设备、人员力量投入，高峰时全线共投入了48台粉喷桩施工机具，形成了一股软基处理热潮。对于采用等载、超载预压的路段，要求预压土方必须在1996年春节前完成填筑。路基施工优先安排软土段，以争取预压时间。要求一般路段至少预压6个月，桥头(已打粉喷桩)至少预压3个月。经过各施工单位日夜奋战，软基处理及堆载预压都严格按计划完成，从而保证了预压时间。(3)在所有软土段设置沉降标，定期观测路基施工期间沉降量，绘制沉降曲线，分析路基沉降及稳定情况，全线共设置沉降标47个、25个断面。施工期间的沉降观测是由各路基施工单位与监理共同完成的，指挥部中心试验室定期进行抽检、复核。另外，从路面结构层施工开始至通车后一年，机场高速公路建设指挥部专门委托江苏省交通科研所承担沉降观测与分析任务，每月观测一次并提供观测报告，及时掌握全线路基沉降动态。从施工期间沉降数据分析以及从通车半年多软土段实测沉降量情况来看，南京机场高速公路软基处理方案是适宜的、成功的。施工期间及通车以来8个月桥头及主要路段沉降量观测数据见表4。按下式推算工后总沉降量，见表4“推算工后沉降总量”一栏所示。1当时间为t1时的累计沉降量；S2当时间为t2时的累计沉降量；S3当时间为t3时的累计沉降量；S推算工后总沉降量。 施工期间及通车8个月来桥头及主要路段沉降量观测表8序号桩号软基处理方式填土高度(m)总沉降量(mm)路面结构施工期总沉降(mm)路面结构施工时月沉降(mm)通车8个月来累计沉降(mm)本月沉降(mm)推算工后总沉降(mm)备注1K2+110粉喷桩超载预压4.080714015桥头2K2+270砂垫层土工布等载预压3.02502538093K5+565粉喷桩超载预压3.565122101桥头4K6+950粉喷桩超载预压3.23091101桥头5K11+625粉喷桩超载预压3.84071303桥头6K12+740碎石土40cm3.5651423/7K13+900粉喷桩间距2m5.5115122/8K14+090粉喷桩超载预压5.515041202桥头9K15+280粉喷桩4.5120203/10K15+700粉喷桩6.0120405/0/11K15+950粉喷桩超载预压7.0120152707桥头12K20+900土工布砂垫层等载预压6.2280175901013K20+975粉喷桩超载预压5.550152405桥头14K26+055粉喷桩超载预压3.5125213202桥头15K26+280土工布砂垫层等载预压3.52251126010站区16K26+670粉喷桩间距2m6.51302631413017K27+175粉喷桩间距1.2m4.06530400018K27+860粉喷桩间距1.5m4.01152941201719K28+380粉喷桩间距1.5m5.07026340/20K28+740塑板桩5.54003658095总结软基处理是高速公路建设中的一个技术难题，软基处理的效果不仅与设计计算的方法有关，而且也与施工质量的控制密切相关。由于软土地基计算理论、设计方法尚不完善，软基施工质量很难控制，因此往往不能获得理想的处理效果或不能达到设计要求。南京机场高速公路建设过程中，认真总结了省内外软基处理方面的成功经验，特别是借鉴了沪宁高速公路的经验，从设计开始十分重视软基处理方案的制定，施工过程中又对软基段地质情况进行了补勘，通过对地质资料进一步综合分析，结合我省在其它高等级公路建设中软基处理研究成果及成功经验，考虑到机场路工程实际情况，对全线软土地基处理设计进行了大量的变更，提高了设计合理性，并加强了软基处理施工质量控制，保证软基处理的效果，使南京机场高速公路软基处理技术迈上了新台阶。从通车近一年的沉降观测资料来看，沉降已趋于稳定，基本消除了桥头跳车现象，并且全线路基稳定、路面平整，证明南京机场高速公路所采取的处理措施是正确的、成功的。总结南京机场高速公路软基处理的成功经验，主要包括以下几个方面：(1)在软基处理设计及施工过程中必须认真分析研究地质资料，并进行必要的补充勘探工作，确定软基的范围、深度和性质，提高沉降计算的精度和设计的合理性，针对不同的软基