公路路基硬壳层的特性利用措施研究

施萍   孙钟良  
摘要：在工程建设中遇到软土硬壳层问题时，由于对硬壳层性质了解不够，没有掌握硬壳层软土地基的工程特性，现在工程中一般还是采用软土地基处理办法处理，如软土换填或砂井固结排水法等。换填不但成本高且不利于环境保护，砂井固结排水法人为地破坏了硬壳层，不一定达到预期效果。所以对于在公路工程中碰到有软土硬壳层的地基时，就要根据具体的地质情况和公路要求等级作适当的处理。
关键词：公路路基；硬壳层；特性利用
一、硬壳层的成因分析
软土地基顶面通常都存在一个硬壳层，这是因为沉积土层的表面暴露在空气中时，产生了一系列的变化过程，这些过程既有物理变化，也有化学变化，甚至于物理化学变化。当软粘土表面暴露在空气中时，由于蒸发失水，引起地下水位下降，有效应力增加，孔隙比减少，而后经过雨水的淋滤及不断的物理化学变化，形成不同于下部土层，但与下部土层成渐变关系的硬壳层。干硬壳的厚度主要由气候条件（例如潮湿或干燥的气候）以及地下水位的高度季节性升降所决定，风化带的深度受粘性土渗透性的影响。在工程术语中，往往把干硬壳和风化带一起称为风化壳或简称为硬壳。这种硬壳层胶结结构性强，呈中等压缩性，面积广大，与土基密切联结，具有很好的承载作用。
二、软土硬壳层在工程实践中的利用
壳层地基工程特性明显不同于天然软土路基，故在具体施工过程中必然有一些必须注意的方面。
（l）软土路基施工技术要点：
a.填料的选择：由于硬壳层的承载能力较好，因此对路堤荷载具有板体支撑作用。由以上分析可知，当软土层的承载力大于经硬壳层应力扩散后传递到软土层上的最大应力时，软土层可不作任何处理，因此，应尽量减小路堤的自重。选用轻质高强的填料，比如说粉煤灰。
b.合理选择每层填土厚度：不同的碾压机械，不同的填料有着不同的铺土厚度，必须根据具体机械情况选择合适的填土厚度。
c.路堤填筑：当路堤填筑高度小于填土临界高度时，一般可以不控制填土速度，因为硬壳层地基本身自然强度足以承担较高的填土荷载。当填土超过临界高度时，地基是否会产生破坏则与填土的快慢有关，因为路堤填土的过程既是给软土地基加载的过程，也是预压排水固结的过程，在此期间软土的抗剪强度逐渐增长，地基中的抗滑力随之逐渐提高。如把填土速度减缓到足以使填土所产生的滑力的增长速度小于地基中抗滑力的增长速度时，地基就不会破坏，反之则会产生破坏。所以当路堤填土超过临界高度以后，就应当控制填土的速度，一般在填土高度大于临界高度80%时即开始控制填土速度。
d.填土压实：通过压实能有效地提高路基土体的强度和对水文、气象等自然因素的抵抗能力，为确保路基的填筑质量，必须严格控制填土的分层厚度，并控制填料的粒径应小于层厚的2/3。
e. 施工过程中做好路基沉降观测工作，当路基沉降速率过快时，应放慢施工进度或采取必要的防护措施。
（2）预防硬壳层出现过大沉降量
对付地基沉降过大的方法除了扩大路堤边坡、保证路肩宽度；排水、防护、照明等构造物采用可升降式和预制件式；路面结构采用临时过渡式外，可总结一套跟踪观测预报的方法来灵活运用。但是不能采取砂井地基处理措施，因为：砂井地基在将要发生较大的沉降时，它的使用效果不一定比天然地基好。这个在理论和实践中都得到了证明。
（3）预防硬壳层强度不够
采用土工布加筋路堤近几年来在公路工程中得到普遍推广，土工布一方面可以起到隔水、排水的作用，另一方面高强土工布作为土体的加筋，增强了土体的抗剪力，并减小了不均匀沉降。在硬壳层上加铺土工布，还可以使硬壳层的应力扩散作用加强，使软土层的受力减小，对路基的稳定十分有利。
（4）硬壳层的预压法
厚硬壳层上高路堤适宜的预压处理方法是超载预压法：在路堤填筑施工以前，通过土方、重型压路机等方法对地基加载预压，达到预先完成部分地基沉降，并通过地基土固结提高地基承载力，然后撤除荷载，再填筑路堤。在整个超载预压过程中，应始终保持路堤填筑高度不低于设计超载的填筑高度，并分级施加预压荷载，控制加荷载率并监测地基的稳定性。卸载时应根据超载预压的效果确定卸载时间，通过沉降实测资料预测最终沉降量，并保证最终沉降量减去卸载时的实测沉降量后的值小于允许的工后沉降量。
临时的预压荷载一般等于路堤的荷载，但为了减少由于次固结而产生的沉降，预压荷载也可大于路堤荷载，即路堤的超载预压。但是必须注意一点：为了有效保护硬壳层的壳体效应，最好不要使用常在软土地基工程中的砂井法或塑料排水带法等。如果硬壳层较薄，透水性较好，也可单独采用堆载预压法，尽量避免施工后沉降。另外，堆载预压还会使硬壳层产生一定程度的反压护道效果。
三、硬壳层对工程的不利影响及防护
3.1对基坑支护结构的危害
淤泥土地区在进行深基坑开挖时，由于附近建筑物荷载及施工临时荷载或其它堆载的影响，由于类帕斯卡效应会使支护结构承受比正常土压力更大的横向压力，所以在淤泥土地层的深基坑支护比较困难。因此，在支护结构的设计与施工时，应充分考虑类帕斯卡效应的影响，否则，不仅基坑支护失败，附近建筑结构也有危险，后果严重。
3.2对既有建筑物的危害
在淤泥土地区打桩时，打入桩对淤泥有排挤作用。由于受上覆硬壳层的约束，类帕斯卡效应可使施工区域附近的既有建筑物的基础隆起和侧移，岸坡挤出坍塌；也常常使己打好的桩发生侧移，偏差严重者甚至可达1.0m以上，严重影响工程施工质量和周围建筑物的安全使用。当地面荷载过大时，也会发生相似情况。因此，在含硬壳层的淤泥土地区进行打桩施工时，要注意观测附近既有建筑物地基的变形情况。当新建结构或打桩施工区域离池塘边坡、河岸堤坝等较近时，还需注意分析评价淤泥土侧向挤出或滑移的危险。
3.3对斜交涵洞的危害
淤泥土地区斜交涵洞的大量事故己被人们所关注。这些事故与淤泥土的不良工程性质有关，更与作用在天然或人工硬壳层上的路堤荷载有着直接的关系。经过路堤荷载的作用，使硬壳层产生盆形的凹陷，淤泥土中的类帕斯卡效应——过大的水平附加应力作用于涵洞两侧的基础上。因涵洞与线路斜交，基础两侧相反方向的作用力自然形成一对力偶，使涵洞有发生水平扭转的趋势，又由于基础与淤泥土之间摩擦强度很低，使出入口向两个不同方向偏移。再由于涵洞出入口处位于路堤边坡位置，反压作用较小，淤泥有沿出入口向上隆起挤出的趋势，使涵洞的出入口被抬高，中间下沉，地基产生差异性沉降，涵节错开，边墙开裂，影响涵洞的正常使用。
所以，在有条件许可的情况下，淤泥土地区涵洞要尽可能布置成与线路正交，必须采取斜交方案时，其斜交角要尽可能小，两侧路堤地基应进行妥善处理，防止路堤产生滑动破坏；斜交涵洞要尽可能采用框架结构，地基深层处理，涵节加长，出入口基础作适当加深，并加长河床的铺砌，加强沟槽低洼处的封闭作用等，避免涵洞破坏。
参考文献
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