【正文】 一級公路軟弱路基處治技術研究可行性研究報告 目錄一．項目的背景和必要性 1 研究背景 1 項目概況 1二．項目前期科研及工作基礎 2 目前研究現(xiàn)狀 2 研究工作基礎 24三．項目實施方案 26 主要研究內容 26 擬解決的關鍵技術 27 擬采取的技術路線 27 工作進度安排 27四．項目承擔單位及參加單位概況 28 項目承擔單位概況 28 項目主要負責人情況 30 參加項目主要人員一覽表 34五．項目依托工程情況及支撐條件 35 依托工程 35 支撐條件 35六． 項目經費估算及資金籌措情況 38七．項目預期目標及經濟、社會效益 39 項目預期目標 39 經濟、社會效益分析 39八．其他需要說明的問題 40九．申報單位簽章 40一．項目的背景和必要性 研究背景在我國東南沿海和內陸廣泛分布著海相、湖相以及河相沉積的軟弱粘性土層，這種土的特點是含水量大、壓縮性好、強度低、透水性差且不少情況埋藏深厚。由于其壓縮性高、透水性差，在建筑物荷載作用下會產生相當大的沉降和沉降差，而且沉降的持續(xù)時間很長，有可能影響建筑物的正常使用。另外，由于其強度低，路基承載力和穩(wěn)定性往往不滿足工程要求。因此，這種路基通常需要采取處理措施。 全國范圍內大規(guī)模的公路、鐵路建設勢必使得線路通過工程性質較差的軟土地區(qū)，控制軟土地基穩(wěn)定性和變形量是非常突出的工程問題。但是，從公路的運營狀況來看，還存在著一些亟待解決的問題，橋頭跳車就是其中之一。橋頭跳車是道路與橋梁的臺背的銜接區(qū)域出現(xiàn)的路面或搭板變形、開裂，甚至坑槽，從而使車輛行駛經過該區(qū)域時受到沖擊發(fā)生明顯跳躍、顛簸的現(xiàn)象。橋頭跳車不僅會降低行車舒適性，還會對道路和橋梁造成附加的沖擊荷載，從而加速了橋臺、橋頭搭板、支座及伸縮縫的損壞；同時，對駕駛人員產生相當不利的心理影響，嚴重時會影響其對車輛的正常操作，造成車輛失控，引起行車事故。隨著公路等級的提高，涵洞、通道、橋梁等構造物在公路里程中所占比例越來越大。由于高等級公路線型標準高，橋涵、通道等構造物較密集，車輛行駛速度高。這樣，高等級公路橋頭跳車問題就變得十分突出。如何有效地控制橋頭跳車、保證高速公路車輛的交通安全和舒適行駛，對于提高高速公路的社會效益、降低已建高速公路的養(yǎng)護維修費用、改善待建高速公路的質量都具有十分重要的意義。 半填半挖路基是公路建設中一種常見的路基。這種路基在組成方式中有著自身的特點：一部分是天然土路基，是經過切方后形成的或已有的老路基部分；另一部分是采用切方或從借土場運來的填料通過填筑工藝而形成的。由于基床兩側路基生成方式、物理力學性質、地下水及路基內部結構等方面的差異，常導致路基邊坡沿基床滑動或路面沿基床產生沉降差異。因此，半挖半填路基基床的力學特性和處理方法成為路基領域研究的關鍵問題之一。 項目概況本項目位于蘭州市西固區(qū)及臨夏州永靖縣境內，路線起點位于新城鎮(zhèn)黃河新橋南橋頭，與已建的西固至新城一級公路終點順接；路線沿黃河兩岸布線，經河口、張家臺、扶河、鹽鍋峽、恐龍灣、朱家臺、孔家寺，終點位于永靖縣古城村，與臨夏折橋至蘭州達川二級公路及永靖縣城市道路順接（終點樁號K48+）。本項目采用一級公路標準建設，設計車速為60km/h。，整體式大橋2505m/9座，分離式大橋3090m/10座；整體式中橋134m/2座，分離式中橋241m/3座；；；渡槽180m/3座；涵洞110道；隧道3941米/3座（以單洞長度計）；互通式立交4處（舊鐵路橋頭、扶河、金泉、太極鎮(zhèn)），平面交叉27處。二．項目前期科研及工作基礎 目前研究現(xiàn)狀軟土地基具有高含水量、低強度、高壓縮性和低滲透性的特點，在這種地基上建造高填土的路基必將引起大的沉降。橋頭跳車的表現(xiàn)形式有兩種，一是橋頭不搭板時橋臺與路堤銜接處的錯臺現(xiàn)象；二是橋頭設置搭板時由于搭板路基端沉降引起的路橋過渡段縱坡變化。由于橋臺支撐在剛性基礎（灌注樁） 上所產生的沉降很小甚至沒有，因此在橋頭銜接處必將產生很大的差異沉降。差異沉降的存在是橋頭跳車的根本原因。橋臺沉降主要由地基沉降引起，在設計時一般都考慮了橋跨結構對沉降的限制，因而在正常情況下其工后沉降量極其微小。而臺后填土路堤沉降包括地基沉降和填土沉降，是可控、可改善但無法消除的沉降。路堤沉降的原因是多方面的，一般來說與地質水文條件、路堤設計、材料本身和路堤的成型方式及成型時間等因素有關。一般認為，當路橋相接處的沉降臺階高度達15mm時，行車就能感到明顯的跳車。從國內外橋頭跳車縱坡的規(guī)定可以認為，當橋頭縱坡變化大于3‰~6‰時，就會出現(xiàn)橋頭跳車。因此橋頭跳車的概念已經不局限于臺階式突發(fā)跳動，而推廣到在行車路、橋交界處的不適性。結合設計、施工及工程管理等方面的因素，可將路橋過渡段產生跳車病害的原因歸結為以下幾個方面：⑴ 填筑材料的壓縮因橋臺臺后一般填土較高，而臺后填料一般為滲透性材料，空隙率較大，且具有一定的含水量，按常規(guī)施工程序，都是在完成橋涵結構以后再填筑兩端路堤，在施工中采取任何措施都很難將填料顆粒間的孔隙完全消除，加上臺背填土施工時壓路機碾壓作業(yè)面小、壓實機具不能完全靠近臺背等原因，這樣就在橋頭形成一個填土較高、施工面狹窄、工期緊迫的作業(yè)段，大型機械很難進場操作，既使小型壓路機，在臺背碾壓時也會有死角碾壓不到，導致了臺背回填施工結束后緊靠臺背的部分填料其孔隙率仍然很大，特別是埋置式輕型橋臺（樁柱式、肋板式、后傾式等），臺帽周圍一般壓路機無法作業(yè)，這就導致橋頭引道及錐坡的填土壓實度達不到標準，并且在實際施工時，土方往往不能達到最佳含水量，而且臺背一定范圍內的土方往往輔以人工夯實，壓實功較小，局部壓實度很難達到工程質量要求。在行車荷載和填料自身重力作用下，填料產生壓縮變形，其孔隙率降低而密實度逐漸增大。在工程實踐中，即使施工時工序符合規(guī)定，壓實度達到要求，但臺后填土較高，隨著時間的推移，也會不可避免地產生沉降。⑵ 路堤下天然地基的沉降天然地基在自身重力作用下的沉降量一般早己完成（正常固結），在其上修筑路堤后，由于路堤填土重力作用，使地基承受附加荷載而成為欠固結土，從而產生沉降變形，且這種沉降變形的大小受路堤填土的土質與其填土高度影響，相同填土高度時，填土的容重越大，地基沉降變形也越大：相同填土容重時，填土高度越大，地基沉降變形也越大。地基沉降的原因主要有四個方面：① 地基土承載力低，容易產生較大的沉降量。② 地基土質壓縮性大，固結時間長，當其受到上部路基填土的附加壓力后，其應力擴散緩慢，孔隙水壓力消散速度低下，在工程完工后其臺后地基仍在繼續(xù)下沉。③ 自沉降期短。隨著經濟的迅猛發(fā)展，人們對工期的要求越來越高，使得路基對地基的壓實時間更加縮短，而地基需要穩(wěn)定的時間并不隨之改變，這就加重了竣工后臺后地基的沉降量。④ 路基填土高、重量大。路基填土重量的大小直接影響地基的沉降量。⑶ 排水不暢及填土流失當雨季路面排水不暢時，雨水會沿著路面裂縫和臺背連接部位的接縫滲入路基，致使路基填土產生沖刷和侵蝕，造成各種細粒土的流失。在外部氣溫循環(huán)變化和車輛荷載的沖擊作用下，必然造成橋頭路基沉陷，產生跳車現(xiàn)象。⑷ 橋臺與臺后填土連接處的剛度差異橋臺與臺后填土的剛度不同。由于橋涵結構物一般為堅石砌筑或者混凝土澆筑而成，具有較大的剛度，而臺后路基和路面組成的道路屬于半剛性或柔性結構。公路建成后，隨著時間的推移，臺后填土產生較大的壓縮變形，與其相比，橋臺基礎產生的沉降變形相對小得多。這樣，橋臺兩側抗變形能力不同，相對沉降差就不可避免出現(xiàn)，當二者的相對沉降差達到一定程度時，搭板出現(xiàn)沉降或斷裂，在臺后便出現(xiàn)跳車現(xiàn)象。⑸ 橋臺伸縮縫的破損橋臺伸縮縫主要是用于調節(jié)由車輛荷載環(huán)境性和橋梁建筑材料的物理性能所引起的上部結構之間的位移和上部結構之間的聯(lián)結，該部分若設置不當，安裝質量低劣、缺乏科學和及時的養(yǎng)護，在橋臺伸縮縫處形成臺階，從而引起橋頭跳車。⑹ 臺背回填存在的問題臺背回填施工中存在的問題是壓實度達不到要求，一方面是每層填筑超厚，使得每層填土上密下疏；另一方面壓實遍數(shù)不夠及壓實時含水量沒有很好控制。事實上，臺背回填位置的特殊性客觀上使填土壓實難度增大，但施工中承包商施工質量意識不強，使臺背回填常出現(xiàn)壓而不實甚至填而不壓，有的甚至填土前對地基上的淤泥及其松散體不作處理，必然導致臺背路堤常出現(xiàn)較大的下沉。同時，回填材料設計常要求粗粒料，但施工中常常難以按設計要求進行。⑺ 工程施工及監(jiān)理單位的質量意識不強由于用地緊張、工期短，而施工單位從自身經濟效益出發(fā)，往往將臺后路基作為材料堆放場地和部分預制場地，不能與其它路基同步填土施工，施工單位盲目追求進度，臺背填土速度過快，對地基造成擾動和破壞，使臺后填土沒有充分時間固結；更主要的原因還在于在進行臺背回填時，沒有按分層填筑、分層碾壓、分層檢測的“三分法”施工，對松鋪厚度控制不嚴，施工用料沒有把好質量關，沒有嚴格按施工規(guī)程作業(yè)，加上臺背的防排水措施不完善，局部段落機械無法碾壓時卻沒有采取人工補夯，使壓實度不能達到要求。這些人為因素使高填土引道自身不穩(wěn)定，沉降較大且不均勻，這是造成跳車現(xiàn)象的主要原因之一。⑻ 設計因素對橋頭跳車的影響根據對實橋的調查結果顯示，設計方案的選擇對橋頭跳車有較大的影響，如設計路基穿越軟土地基或采用高路堤方案，勢必存在較大工后沉降的隱患；橋涵構造物選用樁基或擴大基礎等不同型式，其工后沉降也差異很大；對軟土地基路段采用不同的處理方法、對路堤填筑速率和填筑材料的控制不同，其效果也大不一樣。這些都是影響橋頭跳車的設計因素之一。產生橋頭跳車的因素是計算理論、設計、施工及各種自然因素的綜合，實際中跳車的產生應按具體情況進行分析。國外早在上世紀五、六十年代就開始重視橋頭引道與橋臺的差異沉降問題，如西歐國家就非常重視軟土地基的處理，國內外消除橋頭差異沉降的主要措施是設置橋頭過渡段，過渡段常采用路堤樁（Embankment piles）處理橋頭地基。歐洲、北美及日本等已廣泛應用土工格網、橋頭搭板處治高速公路橋頭跳車問題，進行了系列的理論研究和試驗。發(fā)達國家高速公路起步較早，路堤填土高度較低，且施工周期較長，所產生的工后沉降較小，相應產生的危害較小。近二十年來，我國公路建設處于飛速發(fā)展的階段，施工周期短，施工條件惡劣，特殊的地理環(huán)境和現(xiàn)實因素決定了橋頭跳車的處治思路與方法的多樣性。表1列舉了橋頭跳車常見的處治措施。表1 橋頭跳車處治方法 橋頭跳車處治措施處治思路處治方法減少地基沉降①不良地基處理（超載預壓，換填，塑料排水板，粉噴樁， 注漿法，強夯等）②采用輕質材料填筑路基（粉煤灰，聚苯乙烯泡沫塑料EPS， 發(fā)泡珍珠巖等）減小路基壓縮變形①提高路基填土的壓實度②加筋（土工格柵，土工格室）③注漿補強、擠密樁④改良臺背填料（如采用石灰石，水泥土，二灰土等）差異沉降平穩(wěn)過渡①漸變樁②柔性橋臺、半整體式橋臺路面處理①橋頭搭板②設置過渡段路面③預設方向坡度 強夯法強夯法廣泛的應用于地基沉降處治工程中。強夯法一般采用100～400kN的重錘，從6～40m的高處自由落下，對地基土施加強大的沖擊能，在地基中形成沖擊波和動應力，將地基土壓密、振實，以加固地基土，達到提高強度、降低壓縮性。對地基的強夯處治，一方面是對地基產生壓實和擠密作用；另一方面是通過強夯對地表下一定深度土層施加動力荷載，達到破壞土體結構強度、結構性大孔隙的作用。(1) 強夯處治的作用① 提高承載能力 對于天然地基采用強夯處治后，地基承載能力將會成倍提高。對于粘土，承載力可提高103倍：對粉質砂土，承載力可提高4倍以上；對砂土及泥灰?guī)r土，承載力可提高2～4倍。② 減少不均勻沉降 通過一系列均勻的夯擊及嚴格的施工控制，地基土體壓縮性可降低2～10倍，大大改善了地基的均勻性。能使施工加荷后的地基差異沉降值控制在規(guī)定限度以內。在工程使用上可以忽略不計地基的差異沉降。③ 縮短工期 經驗表明，經強夯一遍，可使5～12m厚的砂質沖擊層產生瞬間沉降15～50cm；再夯一遍，又可產生瞬時沉降約為初始沉降的60％。這種強迫沉降的速度是一般其他方法所不能比擬的。每臺設備加固地基的效率平均每天為300～600mz（根據土質及處治深度而異）。當強夯設備退場時，地基上各種路基工程和結構工程可立即開始，無須等待，因而較其它方法縮短工期。 (2) 強夯施工步驟① 清理并平整施工場地；② 標出第一遍夯點位置，并測量場地高程；③ 起重機就位，使夯錘對準夯點位置；④ 測量夯前錘頂高程；⑤ 將夯錘起吊到預定高度，待夯錘脫鉤自由下落后，放下吊鉤，測量錘頂高程，若發(fā)現(xiàn)因坑底傾斜而造成夯錘歪斜時，應及時將坑底整平；⑥ 重復步驟5，按設計規(guī)定的夯擊次數(shù)及控制標準，完成一個夯點的夯擊；⑦ 重復步驟3～6，完成第一遍全部夯點的夯擊；⑧ 用推土機將夯坑修平，并測量場地高程；⑨ 在規(guī)定的時間間隔后，按上述步驟逐次籠成全部夯擊遍數(shù)，最后用低能量滿夯，將場地表層松土夯實，并測量夯后場地高程。 (3) 強夯施工要求和檢測① 開夯前應檢查夯錘重和落距，以確保單擊夯擊能量符合設計要求；② 在每遍夯擊前，應對夯點放線進行復核，夯完后檢查夯坑位置，發(fā)現(xiàn)偏差或漏夯應及時糾正；③ 按設計要求檢查每個夯點的夯擊次數(shù)和每擊的夯沉量；④ 一遍夯擊完成后，應檢測夯坑深度、夯點間距和處治寬度。檢查強夯施工記錄，基礎內每個夯點的累計夯沉量，不得小于試夯時各夯點平均夯沉量的95％，合格后方可填平；⑤ 滿夯后，對場地進行平整和壓實，應達到規(guī)范要求的各項指標，并測量高程，填寫地面標高變化；⑥ 滿夯結束7d后，在每500～1000m2面積內任選一處，應從夯擊終止時的夯面起，每隔50～100cm取土樣測定土的干密度、力學及物理等指標；⑦ 當需要采用靜力觸探等方法測定強夯土的承載力時，宜在地基強夯結束一個月后進行。根據試驗和測試結果，應對不合格處進行補夯，或采取其它補救措旌，達到試夯或設計規(guī)定的指標。強夯處理原地基與鋪筑砂礫