基于砂井处理方法的高速公路软土路基变形规律探究
摘 要：由于软土路基变形机理的复杂性及其影响因素的多样性，软土路基变形控制研究一直是高速公路建设中的一个重要课题。采用理论分析、现场试验和数值模拟相结合的方法，对高速公路软土路基的变形规律进行了研究，以目标绕城高速公路K29+000砂井处理试验段为依托，对砂井处理软土路基的工程效果进行了初步研究。结果表明，砂井可以加快路基排水、加速路基固结，使路基土的变形模量得到提高，加固效果较好，是一种适合深厚软土路基处理的方法。
关键词：砂井；软土路基；变形；现场监测；高速公路
1 基于砂井处理方法的路基变形规律现场监测
软土路基处理的方法有很多种，进行软土路基处理的目的是提高路基土的抗剪强度和压缩模量，满足沉降和稳定要求，使得路基在上部荷载作用下保持足够的稳定。在现场对各种处理方法的适用性进行对比研究，分析软土路基的变形规律是一个重要且有价值的手段。目标绕城高速公路北线工程，进行了包括浅层排水固结法、塑料排水板、砂井及粉喷水泥搅拌桩四类处理方法的路基处理效果方面的现场监测研究工作。本文研究砂井处理软土路基的方法及处理效果。
1.1 砂井路基处理方法
（1）砂井路基。如图1所示砂井路基是在路基中设置砂井竖向排水体，然后利用路堤本身重量逐渐加载；或在建筑物（构筑物）建造之前，在场地先行加载预压，使土中的孔隙水排出，逐渐固结，路基发生沉降，同时强度逐渐提高。该方法常用于解决软粘土路基的沉降和稳定问题，可使路基的沉降在加载预压期间基本完成或大部分完成，使公路在使用期间不至于产生过大的沉降和沉降差，同时可增加路基土的抗剪强度，从而提高路基的承载力和稳定性。
当软土层较薄或土的渗透性较好而施工期允许较长时，仅在地面铺设一定厚度的砂垫层，然后加载，土中的水沿竖向流入砂垫层而排出。当工程上遇到透水性很差的深厚软土层时才需要在地基中设置砂井竖向排水体，地面连以排水砂层，构成完整的排水系统。
（2）砂井施工工艺。砂井成孔的典型方法有套管法、射水法、螺旋钻成孔法和爆破法。
①套管法。该法是将活瓣管尖套有端靴的套管沉到预定深度，然后在管内灌砂、拔出套管形成砂井。根据沉管工艺的不同，又分为静压沉管法、锤击沉管法、锤击静压联合沉管法和振动沉管法。采用静压、锤击联合沉管法施工，往往在提管时由于砂的拱作用及管壁的摩阻力会将管内砂带上来，使砂井夹泥或缩颈，这就会影响砂井的排水效果。为了不使套管内的砂带上来，保证砂井的连续性，一般辅以气压的施工工艺。
采用振动沉管法，是以振动锤为动力，将套管沉到预定深度，灌砂后振动，提管形成砂井。采用该法施工不仅避免了管内砂随管带上，保证了砂井的连续性，同时砂受到振密，砂井质量较好。
②射水法。射水法是指利用高压水通过射水管形成高速水流的冲击和环刀的机械切削，使土体破坏，并形成一定直径和深度的砂井孔，然后灌砂而成砂井。射水成孔工艺对土质较好且均匀的粘性土路基是较适用，但对土质很软的淤泥因成孔和灌砂过程中容易缩孔，很难保证砂井的直径和连续性，对夹有粉砂薄层的软土路基，若压力控制不严，易在冲水成孔时出现串孔，对路基扰动较大。射水法成井的设备比较简单，对土的扰动较小，但在泥浆排放，塌孔，缩颈，串孔和灌砂等方面都还存在一定的问题。
③螺旋钻成孔法。该法以动力螺旋钻钻孔，属于干钻法施工，提钻后孔内灌砂成井。此法适用于陆上工程，砂井长度在19m以内，土质较好，不会出现缩颈和塌孔现象的软土路基。此法在美国应用较广泛，该工艺所用设备简单而机动，成孔比较规整，但灌砂质量较难掌握，对很软弱的路基也不太适用。
④爆破法。此法是先用直径73mm的螺纹钻钻成一个砂井所要求设计深度的孔，在孔中放置由传爆线和炸药组成的条形药包，爆破后将孔扩大，然后往孔内灌砂形成砂井。这种方法施工简易且不需要复杂的工具。
1.2 工程实例
目标绕城高速公路全长29.297公里，其中K8＋617.57至K26＋000段为六车道路段，K26＋000至终点K37＋877.28段四段四车道路段。线路所处地段很大一部分为软土路基，厚达20～30m。该段软土天然含水率高、强度低、压缩性高、透水性差，且具有单层和双层两种典型结构。为研究不同工程措施处理软土路基的效果及变形规律，并指导工程的大规模施工，指挥部选取了具有代表性的第八合同段（K26＋000～K29＋400）作为试验路段，进行包括浅层排水固结法、塑料排水板、砂井及粉喷水泥搅拌桩复合地基四类处理方法的各种参数共7种方案路基处理效果方面的研究工作。
软土路基变形规律试验研究内容包括现场地质补充勘探、原位试验、室内土工试验、软土路基变形监测和路堤施工期间稳定性控制及工后沉降的数值分析等。试验段现场试验工作从2004年3月开始，至2004年5月基本完成现场地质补充勘探、原位试验及监测仪器的埋设工作；监测工作亦于2004年5月开始进行，至2007年3月结束。
1.3 K29＋000试验段采用的处理方法
K29＋000试验段处于桥头所在地，对工后沉降要求很高，断面表层存在6～8m软土，中间夹6～8m可塑状粉质粘土层，下伏基岩。由于第二层软土深厚，采用塑料排水板处理时难以穿透中间的夹层，若不处理第二层软土，则路基的工后沉降难以满足要求，由于砂井的排水作用能加速软粘土的固结和强度增长，用砂井联合超载预压处理软粘土路基己成为国内外岩土工程中广泛应用、行之有效的路基加固方法。
鉴于此原因，本断面采用直径327mm、间距2.7m、深21.0m的砂井，呈三角形布置，砂井成孔的方法采用套管振动法施工，使砂井可以穿透第二层夹层土，有助于加速路基固结，减少工后沉降。
2 砂井处理方法效果评价
2.1 监测项目及监测点布置
为了对路堤填筑及预压过程中软土路基的稳定和变形进行现场监测，探讨砂井路基处理方案的软土路基变形规律及其变形分析方法，研究砂井路基加固处理的有效性，以及在铺筑路面和通车后，对试验段路基变形情况进行跟踪监测，在控制断面上分别埋设了：
①测斜管，进行道肩及坡脚的水平位移测量；
②分层沉降环，掌握路基各土层的沉降规律；
③沉降板及位移边桩，用以监测原路基表面的变形；
④孔隙水压力计，测试路基中的孔隙水压力，评价软土路基处理的排水固结效果。
图2是K29＋000断面地质剖面及监测点布置示意图。图中F6-1～F6-9是分层沉降环，测量路基各土层的沉降量：S6-1和S6-2是沉降板，用以监测路基坡脚和道肩的竖向变形；C6-2和C6-3是测斜管，进行道肩及坡脚的水平位移测量；K6-1～K6-8是孔压计，用以测量路基中的孔隙水压力。由于K29＋000试验断面的路堤荷载是对称的，所以，监测仪器基本上只埋置在路堤一侧。断面监测点的埋设工作于2004年4月3日开始，2004年7月15日埋设完毕，路堤填土期间每三天监测一次，填土间歇期每周监测，预压期间每月监测一次。
所选试验断面的土层有以下特点：
①试验断面所处路段皆具有两层软土的典型结构；
②在2.0m的硬壳层下为第一层呈软塑状的灰色淤泥质粘土，此层软土厚度大约为1.9m；
③第二层软土大约位于地表面以下11.45m，厚度约为4～9m，为灰色淤泥质粘土，特别之处在于，此层软土含有大量贝壳等有机质杂质；
④20m以下基本为可~硬塑状粘土，大约25m以下为风化砂岩，可作为持力层。
2.2 K29＋000断面路基变形现场监测结果分析
以K29＋000断面为研究对象，填土期（包括砂垫层）为2004.07.26～2004.12.16，历时143天，填土厚度5.86m，由现场的实测资料可以看出，平均填土速率为3.71 cm/d。
表面竖向位移监测共进行64次，截止2004年12月16日，道中和道肩的表面竖向位移分别为360mm和203mm；分层沉降共监测43次，第一层软土的压缩量占总沉降的64.1％。而下部压缩量占总沉降的35.6%，上下部分的压缩量相差不大，主要原因是砂井打设较深，有利于下层土体中水分的排出；水平位移共监测45次，道肩处填土结束时最大水平位移为46.14mm，明显变形部位在地面以下0～4.0m，为第一层软土。填土期的水平变形平均速率为0.21 mm/d；坡脚处预压结束时的最大水平位移为47.86mm，明显变形部位在地面以下0～5.0m，填土期的水平变形平均速率为0.22mm/d。
砂井处理地段的土体变形小于塑料排水板处理地段，表明砂井路基对提高路基强度，改善路基的整体稳定性的效果更好些。
同时，地面以下15m，道肩处的水平位移量明显大于坡脚处，说明随着土中水的排出，道肩和坡脚之间的土体压缩效果较明显。
孔隙水压力监测共进行111次，上层软土中超孔隙水压力在加载期（2004.8.6～2004.12.16）增加了9.63kPa，预压结束时消散了11.79kPa。第二层软土中的超孔隙水压力在同期增加了10.47kPa，预压结束时消散了9.45kPa。
由现场的实测资料可以看出，填土期沉降主要发生在第一层软土，第二层软上在预压期也有较明显的沉降发生；在预压期结束时，第二层软土沉降在总沉降中所占比例达44％，比用塑料排水板固结法处理的各断面路基预压结束时沉降所占比例均大，说明砂井对下层软土起到了加速排水固结的作用。别外，与其他试验段相比较，砂井处理试验段尽管填土最高，但沉降量和水平位移量却最小，这说明砂井还有加固路基的作用。砂井既可起到排水作用，同时还有一定的加固作用，使路基土的变形模量得以提高，从而减小了总沉降量和坡脚的水平位移，处理效果良好。
3 结论与讨论
本文分析了K29＋000断面采用砂井处理软土路基时现场实测变形资料，深入研究了该断面的地质特点，得到了砂井处理软土路基时软土路基变形发展的初步规律，主要结论有：
第一层软土的压缩量占总竖向位移的64.1％，而下部的压缩量占总竖向位移的35.6％，上下部分的压缩量相差不大，主要原因是砂井打设较深，有利于下层土体中水分的排出，加速了下部土体的固结；
道肩处填土结束时最大水平位移为46.14mm，明显变形部位在地面以下0～4.0m，为第一层软土，填土期的水平变形平均速率为0.21 mm/d；坡脚处预压结束时的最大水平位移为47.86mm，明显变形部位在地面以下0～5.0m，填土期的水平变形平均速率为0.22mm/d。地面以下15m，道肩处的水平位移量明显大于坡脚处的，说明随着土中水的排出，道肩和坡脚之间的土体压缩效果较明显。
砂井法处理软土路基可以加快路基排水，加速路基固结，使路基土的变形模量得到提高，从而减小总沉降量和坡肩水平位移，路基加固效果较好，是一种适合深厚软土路基处理的方法。
