杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路深厚软基处理

刘慈军，何 宁，董英杰，周彦章，陈 涛，国建飞，周玉娟

(1. 宁波市高等级公路建设指挥部，浙江宁波 315192; 2. 南京水利科学研究院，江苏南京 210029; 3. 辽宁省交通规划设计院，辽宁沈阳 110166)

杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路深厚软基处理

刘慈军1，何 宁2，董英杰3，周彦章2，陈 涛1，国建飞1，周玉娟1

(1. 宁波市高等级公路建设指挥部，浙江宁波 315192; 2. 南京水利科学研究院，江苏南京 210029; 3. 辽宁省交通规划设计院，辽宁沈阳 110166)

介绍了杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路工程及区内深厚软基基本情况，通过前期先导试验段研究提出了深厚软土地基处理的原则性设计方案及其精细化设计计算方法、施工工艺和施工管理及质量控制措施，并形成高速公路深厚软土地基处理成套技术。采用该技术指导完成了杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路工程和宁波地区其他高速公路软土地基的加固处理，分析加固处理效果，结果表明深厚软土地基处理成套技术应用效果较为理想。

深厚软基； 刚性桩复合地基； 软基处理； 安全稳定性； 工后沉降

杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路起于杭州湾跨海大桥南岸、止于宁波市绕城高速，全长58 km，是杭州湾跨海大桥的重要组成部分。该高速公路于2004年全线开工建设，2007年建成通车，地基条件基本涵盖了宁波地区主要的典型软土地基类型：软土厚度方面，多数路段为15 m以上的厚层或巨厚层软土，山前区局部存在薄层或中厚层软土；埋藏条件方面，存在无覆盖层软土、浅埋软土、深埋软土、多层软土和山前软土全部5种类型；软土成因方面，既有海相沉积软土，也有湖沼相沉积软土。在建设单位主持下，设计、科研和施工等相关单位组成课题组，在慈溪市和宁波市江北区分别设置了软基处理先导试验段，于2003年先期开工，开展相关前期试验研究，以指导该工程和宁波地区类似工程建设。该工程突破了宁波地区以往常用的排水板和粉喷桩等地基处理方法，结合地层特点和路基类型、路基高度等条件，首次在宁波地区高速公路建设中应用了预制管桩、CFG桩、水泥搅拌桩、联合桩、真空联合堆载预压等新技术，取得了良好效果。这些新技术被推广应用于杭州湾跨海大桥南岸接线及后续多条高速公路软土地基处理，较好地解决了一直困扰宁波地区高速公路建设的软基沉降和稳定性问题，为同类条件下高速公路软土地基处理提供理论及实践依据。

1 工程地质条件概况

杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路位于慈溪境内的慈北冲积平原地带和宁波江北区的姚江冲积平原区，工程所处区域地基为两种不同的地层类型，前者属软土地基上有一定厚度的相对硬壳层情况，后者属软土地基露头、土性较差。区域内地基软弱土层共3个工程地质层，5个亚层，其中慈北冲积平原地带内有5层土，3层为软土，软土最大厚度达35 m，自地表向下分别为：②1亚黏土层，浅层为耕植土，大部分为软塑状，少数为可塑状；②2淤泥质亚砂土层，呈流塑状，饱和；③1淤泥质亚黏土层，呈流塑状，饱和；③2层：亚黏土，呈灰色，以流塑状为主，少数软塑，饱和；⑤2细砂、粉砂层，属稍密状态，部分为中密。姚江冲积平原区内有3层软土，自地表向下分别为：③1淤泥质亚黏土层，呈流塑状，饱和，厚度12～25 m；③2层亚黏土层，呈灰色，以流塑状为主，少数软塑，饱和，厚度7～10 m；⑤2细砂、粉砂层，厚度8～12 m；其中③1淤泥质亚黏土层和③2层亚黏土层为软土，软土最大厚度达28 m。区内典型土层主要物理力学指标见表1[1]。

表1 慈北和姚江冲积平原地带土层主要物理力学指标

2 软土地基类型分析及其处理方案设计

根据杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路软土路基区内土层分布特征以及各工程地质层的厚度、物理力学性质等，沿线软基路段可划分为3种主要类型，并选用不同的深厚软基处理方法。

2.1 上覆硬壳层厚、下伏深厚软土段

该段位于慈北平原区K85+000～K117+000段，表层普遍分布有2～3 m厚的灰黄-褐黄色软塑或流塑状亚黏土，含水量高、承载力低；其下②3和②4亚砂土层厚10～27 m，饱和、软塑～硬塑，层间夹亚黏土薄层及粉砂薄层；其下淤泥质亚黏土顶板埋深20～22 m，厚度20～30 m，灰色饱和、流塑状态，层间夹粉砂薄层，渗透性差，固结极其缓慢。软土层下仍广泛分布厚达10 m以上的透水性很差的亚黏土(局部为亚砂土)，不具备双向排水条件。

软土埋藏深，一般软基处理方法难以深部处理，按附加应力与有效自重应力之比不大于0.15的控制标准计算地基压缩，高填方产生的附加应力对软土地基影响深度较深，填高4 m时计算沉降的压缩层厚平均为43 m，填高5 m时计算沉降的压缩层厚平均为48 m，填高6 m时计算沉降的压缩层厚平均为55 m，且软土层的压缩率随填高显著增大。因软土排水条件差，附加应力作用下软土固结过程将十分缓慢，填高6 m时，即使到设计年限末的沉降量也仅占总沉降量的50%左右，若高填方工后沉降问题处理不当，后果将较为严重。该路段软土地基处理设计方案为：优化线路纵坡设计，合理控制填土高度，减小应力通过亚砂层的传递程度；为控制次固结沉降，采用等载预压和超载预压处理，预压期尽量长，保证预压高度，尽量使沉降发生在施工期内；填高较高的构造物路段采用超载预压，超载1～2 m，一般路段采用等载预压；路基底部设置70 cm碎石垫层，以利于排水和处置表层亚黏土。

2.2 上覆硬壳层薄至无、下伏深厚软土段

该段位于慈北平原区K117+000～K125+800段，上覆②3亚砂土层厚度薄至无，下部软弱土层埋藏深度不一，物理力学指标较差；K118+400～K119+900路段为全线软土层最深厚路段，软土层厚30～40 m以上，主要为②2层淤泥质亚黏土、③1淤泥质亚黏土、③2层亚黏土。

该路段需控制沉降和保持地基稳定，从地层分布来看，硬壳层薄，发生沉降的主要软土层③1和③2层埋藏深度在30 m以内，其物理力学性质较差，计算沉降量较大，且随路基填土增高，软基更易失稳，需要控制路基填土高度，并采取地下深层处理措施，以减少工后沉降、保证地基稳定。该路段软土地基处理设计方案为：K117+000～K122+000段以沉降控制为主，一般路段多采用排水板堆载和真空联合堆载预压，桥头路段采用预制管桩或CFG桩的处理方法；K122+000～K125+800路段软土埋深较浅或直接出露，软土层厚6～22 m，对于软土层深厚的一般路段低路基采用排水板堆载处理、软土层深厚的一般路段较高路基采用真空联合堆载预压，软土层较薄的一般路段较高路基采用水泥搅拌桩、桥头路段采用预制管桩的处理方法。

2.3 深厚软土出露段

该段位于姚江平原江北区，其中山前区K133+390～K133+750路段软土厚度小于15 m，饱和、流塑状，其下为1～3 m亚黏土层，下伏风化基岩，基岩面倾斜分布，计算分析表明采用水泥搅拌桩能够较地控制沉降和保持地基稳定，且经济性也较好，因此该段地基设计采用水泥搅拌桩复合地基的处理方法。

一般平原区K133+750～K143+700路段表层亚黏土层厚0～2 m，软塑状，其下软土层厚17～30 m，饱和、流塑状，软土性质极差，且厚度大、含水量高，软土层以下为厚度20 m以上的亚黏土或黏土，含水量较高、压缩性较大，为全线软土地基性质最差路段，需严格控制该路段的沉降并保持地基稳定。该路段软土地基处理设计方案为：主线桥头路段采用预制管桩处理并设置过渡段，对于一般路段填方较高采用真空联合堆载预压处理，对于一般路段填方低采用排水板结合堆载预压处理。

3 先导试验段前期研究

结合杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路软土地基类型特点及其处理设计方案研究，在全线选择17个试验分段开展先导试验研究，其中慈北平原14个试验分段(N1～N14)，姚江平原江北区3个试验分段(S1～S3)，并设置10个重点研究试验断面和16个一般研究试验断面。在管桩复合地基法、CFG桩复合地基法、刚柔长短联合桩复合地基法和堆载预压法处理的路段各设置1个重点试验断面，在真空联合堆载预压法处理的路段设置6个重点试验断面(分别位于桥头路段、小型结构物路段和一般路段)。真空联合堆载预压法加固处理路段的重点试验断面采用3种不同型式的垂直排水通道，分别为直径30 mm的透水软管，150 mm宽高性能塑料排水板(F板)，100 mm宽高性能塑料排水板(C板)。16个一般试验断面在路堤左、中、右各布置1个地表沉降标开展加固过程的地表沉降监测。前期设计方案拟采用的各种软土地基处理技术路段均设置有重点试验断面(表2)[1]。

表2 重点研究试验断面设置

重点试验断面测试内容包括加固前后的取土及土工试验，每断面加固前后各1个取土孔，加固前后均进行静力触探和十字板剪切现场试验，加固前后每断面各1个静探试验检测孔和4个十字板试验检测孔；土工试验内容包括常规试验400余组、颗分试验150组、无侧限抗压强度试验200余组、灵敏度测定试验100余组、渗透试验近百组、压缩试验400余组，固结试验400余组、高压固结试验126组、先期固结压力试验125组、循环压缩试验126组、直剪快剪试验200余组、三轴固结快剪试验61组、三轴慢剪试验10组。

图1 监测仪器典型布置断面Fig.1 Thetypical layout of monitoring instrument

重点试验断面监测内容包括地基孔隙水压力监测，每断面布置10套，沿地基深度每隔3 m安装1套；地表沉降监测，每断面在路堤左、中、右位置各布置1个测点；地基分层沉降监测，每断面布置1套，每套沿地基深度根据软土层厚度布置10～12个分层沉降测点；地基土体深层侧向位移监测，每断面布置1套，安装在路堤外5 m位置，测斜管安装深度45 m；路堤断面沉降监测，每断面布置1套，沿路堤全断面安装断面沉降管，采用断面沉降仪监测(图1)[1]。真空联合堆载预压法处理路段的重点试验断面增设2套地下水位监测管，布置在断面外7和14 m位置；软土地基和排水通道中真空度监测各10套。复合地基法处理段落的重点试验断面增加布置桩顶土压力计和桩间土压力计各10套，沿半幅路面等间距布置。

4 全线软基处理原则性方案

先导试验段前期研究成果表明，前期设计选用的多种复合地基技术中，管桩复合地基技术在施工管理、质量控制和加固效果等方面综合优势最为显著。结合区域地基软土分布特性及工程工期要求，杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路工程全线设计采用排水预压技术和管桩复合地基技术作为软土地基加固处理方法，并遵循以下原则性方案：K85+000～K117+000路段，其亚黏土或亚砂土硬壳层厚度10～25 m，该路段应利用其地表较好、较厚硬壳层，不进行深层软土地基处理，控制路堤高度。一般路段采用垫层排水的处理方法，桥头路段采用加筋垫层处理方法加强路堤刚度，增强路堤的整体抗不均匀变形能力；K117+000～K120+700路段，其表层硬壳层较薄，一般在2～8 m，但其下软土层厚度较大，厚度20～30 m，而K122+200～K125+500和K133+420～K142+430路段，其表层硬壳层厚度小于2 m，甚至软土露头，其下软土厚度较大，厚度10～30 m，上述两类路段需进行深层软土地基处理，一般路段以真空联合堆载预压处理为主，部分路堤高度较小的一般路段采用设置垂直排水通道的堆(超)载预压法进行处理；桥头连接路段采用管桩复合地基法处理，桥头过渡路段采用变桩距的管桩复合地基，与之连接的排水预压路段采用变排水板间距的预压法，以平稳控制管桩复合地基法和排水预压法处理的连接路段的工后沉降差。各分段软基处理设计计算原则上遵循相关规范[2-5]要求，并采用基于先导试验研究提出的设计计算方法[6-9]，完成全线软基处理设计计算。

5 软基处理施工控制及管理

5.1 管桩复合地基法与真空预压法的衔接技术

根据前期先导试验段研究成果[1]，真空预压法处理软土地基时，由于真空向加固区外传递，对周围软土影响范围约为30 m，并且存在于抽真空全过程；而真空联合堆载预压处理高速公路软土地基，在保证填土速率(控制填土加载时间60～90 d)、联合加固处理120 d的情况下，基本能够达到控制工后沉降的要求。

为控制管桩复合地基法和真空预压法处理的连接路段的工后沉降差，其衔接施工工艺及其质量控制技术为：在连接路段管桩复合地基法处理段预留30 m安全段，待真空预压法处理路段完成抽真空后，进行预留安全段内管桩复合地基的桩基施工，以确保管桩复合地基法处理区域内桩体质量，并避免复合地基整体结构因抽真空而发生剪切破坏。

5.2 预抛高技术

因路段软基性质不同，杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路全线分别采用管桩复合地基法和真空预压法加固处理软基的路段工后沉降存在差异。尽管规范[2-3]中有关工后沉降控制标准允许因路段性质不同而存在差异性工后沉降，但杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路工程因深厚软基性质不同而在不同路段衔接处产生的工后沉降差异，将影响高速公路行车安全及舒适性。除了在管桩复合地基法和真空预压法处理的连接路段设置衔接过渡段外，可采用路基预抛高方法以控制不同性质软基路段的差异工后沉降。

路基计算预抛高H(即预留沉降量)包括3部分沉降：一是在路基本身填土高度的作用下不断延续产生的后期沉降，即残余主固结沉降S1；二是由路面结构层荷载引起的路基沉降S2；三是路基软土次固结沉降S3，即H=S1+S2+S3。其中残余主固结沉降S1根据实测沉降资料采用指数法计算，路面结构层荷载引起的路基沉降S2和路基软土次固结沉降S3的计算方法参考相关规范[2-3]。

以前期先导试验段江北区S3段为例，该段为桥头路段，施工方案为真空联合堆载预压加固处理，该段桥头连接路段K134+550～K134+610段的软基加固处理于2004年10月19日开始抽真空，2004年10月25日开始填土，2005年4月25日填土结束，至2005年8月17日停止抽真空，真空联合堆载预压历时4个月。

根据该路段重点监测断面观测资料(图2)，采用指数法计算得到该断面路基垫层和路面结构层施工前地基软土残余主固结沉降S1为123 mm、路基垫层和路面结构层荷载作用下路基沉降S2为18 mm、路基软土次固结沉降计算值S3为56 mm，即该连接路段预抛高总厚度197 mm。根据高速公路规范要求路面纵坡应不大于6‰的原则，设计并实施其预抛高反坡布置见图3。

图2 K134+580断面路基沉降过程曲线Fig.2 Settlement curves of section K134+580

图3 桥头连接段预抛高布置Fig.3 Adjustment slope on bridge connection by pre-filling

5.3 施工动态管理技术

随着高速公路软基处理技术及设计计算分析方法的日趋成熟，工程实践中前期工程地质勘察一般按规范要求设置勘探断面和孔位，并完成完整、详尽、准确的土性试验资料的收集整理为设计计算提供依据，但仍难以避免部分路段计算参数与设计计算采用的代表性断面参数存在差异，完全遵循前期设计确定的施工管控指标来管理和控制高速软基处理工程将难以解决或处理工程实践中随时可能出现且无法预料的各类技术问题。杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路深厚软基处理工程中提出了根据实测资料对加载速率、预压期、预抛高设计和卸载时机等指标实时动态控制的施工管理技术，为及时发现和纠正施工中存在的问题、保证施工安全及提升软基处理效果提供了良好的科学依据。

6 软基处理加固效果评价

6.1 地基稳定安全分析

基于前期先导试验研究成果所提出的全线软基处理原则性方案，以及各分段详细设计方案，通过严格的施工质量控制及科学管理，杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路软基加固处理效果理想，软土地基侧向水平位移得到较好控制，安全稳定性良好。根据实测资料[10-12]，路堤填筑施工期内，复合地基法处理路段地基最大向外侧向总位移均小于7 mm，堆载预压法处理路段地基最大向外侧向总位移均小于8 mm，真空联合堆载预压法处理路段地基均向内侧位移，路堤填筑施工过程中各路段软土地基侧向位移发展平稳，通车前各重点断面实测地基水平位移统计结果如表3。加固处理后，全线高速公路运营近8年时间内始终保持地基安全稳定，包括施工期和运营期超过12年、基岩面倾斜分布的山前区K133+390～K133+750路段在内的路堤及其下部软土地基均未出现失稳滑动迹象。

表3 地基水平位移统计

6.2 沉降控制效果分析

慈北平原区K85+000～K117+000段软基处理共347段，2007年通车后，仅有位于地质条件过渡路段的K116+420～K116+600段因亚砂土硬壳层厚度不足10 m，该路段路堤填高达4.1 m，于2009年进行1次加铺，平均加铺厚度6.2 cm。加铺后沉降稳定，其余全长约32 km的主线和3座互通立交区均未在通车后加铺，路面平顺、行车舒适。

慈北平原区K117+000～K125+800段软基处理共120段，通车至今，含慈北平原试验段在内的90%以上软基路段无过量工后沉降，未进行路面加铺；仅在2009年加铺9个路段，加铺后沉降稳定，软基处理效果总体良好。加铺路段中，有3段为桥头预制管桩处理段或过渡段，加铺厚度6～10 cm，3个路段均非全断面沉陷，均为右侧半幅或局部过量沉降，原因在于3个路段软土层局部厚度存在变化，而管桩按统一长度打设，管桩处置长度不足，未能按设计要求全部进入持力层；1个路段为真空联合堆载预压法加固处理的通道桥头左右侧，路堤填高达4.4 m，平均加铺6.4 cm后，无明显差异沉降，该桥头路段软土层厚达22 m且软土性质极差，路基填高大，施工时为保证原有地方道路通行而使得软基处理施工滞后，真空与堆载联合作用时间短、预压期不足，多方面不利因素造成工后沉降少量超出；其余5个路段为排水板结合堆载处理一般路段，路堤填高3.0～3.2 m，加铺厚度4～6 cm，满足规范中对于一般路段工后不超过30 cm的要求，对行车质量影响小。

江北平原区K133+750～K143+700段软基处理共105段，通车至今，含江北试验段在内的89段无过量工后沉降，加铺路段16段，加铺后沉降稳定，软基处理效果总体良好。加铺路段中4段为预制管桩处理过渡段，平均加铺10 cm，沉降差主要形成在管桩处理过渡路段与一般路段的衔接段；1段为预制管桩法处理的K133+600～750段，路堤填高4.6～5.5 m，其中K133+610～709段左幅路面平均加铺5.3 cm，K133+599～754段右幅路面平均加铺10 cm，设计要求管桩贯入强风化基岩不小于0.5 m，但该路段临近山前区，软土层随基岩面倾斜分布厚度变化较大，实际施工未能完全达到设计要求，路基左右幅及前后纵向沉降差异较大；4段为真空联合堆载预压处理路段，路堤填高3.2～4.4 m，加铺厚度5～8 cm；其余7段为排水板结合堆载处理一般路段，路堤填高2.2～3.3 m，加铺厚度5.0～18.4 cm，运营期内分两次加铺完成。该段软土性质差、压缩量大，路面结构层施工前路基预抛高30～40 cm，路面结构层和行车荷载作用下附加沉降量大，加铺路面增加了附加应力，工后沉降量大。

7 结 语

高速公路软基处理工程复杂且系统，须协调配合设计、科研、施工及质量控制，需实施全程动态管理。本文详细介绍了杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路深厚软基处理成套技术，以前期先导试验研究成果为基础，确定了全线软基处理原则性方案；通过软基处理设计计算分析，提出了全线各分段软基处理的详细设计方案；选择合适的地基处理施工工艺，制定了严格的施工质量控制及管理措施，取得了理想的深厚软土地基处理效果，主要结论如下：

(1)杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路工程区内各土层分布特征及其物理力学性质等工程地质条件存在差异，需根据软土地基类型划分及其处理方案设计，全线分段采用不同的深厚软基处理方法。

(2)全线选择17个试验分段开展前期先导试验研究，取得了大量的加固前后土工测试及检测、原型监测指标变化规律等研究成果，为全线软基处理方案设计提供了重要的理论及实践依据，前期设计选用的多种复合地基处理技术中，管桩复合地基技术在施工管理、质量控制和加固效果等方面综合优势最为显著。

(3)设计采用排水预压技术和管桩复合地基技术作为全线软土地基加固处理方法，并提出了分段软基处理的原则性方案，原则上遵循相关规范要求；采用基于前期先导试验研究提出的设计计算方法，完成全线软基处理设计计算。

(4)工程实施过程中，提出了管桩复合地基法与真空预压法衔接技术、路基预抛高控制不同软基路段差异工后沉降，根据实测资料实时动态管控施工等科学合理的深厚软基处理施工控制及管理综合技术。

(5)通车至今的实测资料表明，杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路各路段软土地基侧向位移发展平稳、地基沉降得到有效控制、未出现失稳滑动和超量沉降现象，路面平顺、行车舒适，全线58 km深厚软基处理加固效果较为理想。

(6)杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路至今一直是宁波地区乃至浙江省内最好的高速公路，深厚软基处理成套技术为高速公路行车舒适和安全提供了可靠保障，降低了后期维护成本，取得了显著的社会经济效益，为类似高速公路软土地基处理工程设计及建设管理提供了重要的理论参考和实践依据。

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Treatment technology for deep and thick soft foundation of south linkage expressway of Hangzhou Bay Cross-sea Bridge

LIU Cijun1， HE Ning2， DONG Yingjie3， ZHOU Yanzhang2， CHEN Tao1， GUO Jianfei1， ZHOU Yujuan1

(1.NingboHigh-gradeHighwayConstructionHeadquarters,Ningbo315192,China; 2.NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China; 3.LiaoningProvincialCommunicationPlanning&DesignInsitute,Shenyang110166,China)

This paper introduces the basic situation of a deep soft soil foundation in the south linkage expressway engineering of the Hangzhou Bay Cross-sea Bridge. Through the preliminary studies of the pilot experimental sections, a principle design scheme and the fine design and calculation methods, construction technology, construction management as well as the quality control measures for the deep and thick soft soil foundation treatment were proposed and discussed, which forms a complete technology for the deep and thick soft soil foundation treatment of the expressway. And the soft soil foundation treatment of the south linkage expressway of the Hangzhou Bay Cross-sea Bridge and other expressways in the Ningbo region was finished by the use of the complete technology. The analysis of the foundation treatment effects is carried out in this study, and from the construction practices it is found that this complete technology for the deep and thick soft foundation treatment has been successfully applied to the similar works, which shows that the application effect of the deep and thick soft soil foundation treatment technology is relatively ideal.

deep and thick soft foundation; composite foundation with rigid piles; treatment technology for soft soil foundation; safety stability； post-construction settlement

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.03.016

2016-05-15

国家自然科学基金面上项目(51379131，51579152)；宁波市交通运输委科技项目(201312)

刘慈军(1971—)，男，浙江宁波人，教授级高级工程师，博士，主要从事公路工程建设管理和科研等相关工作。 E-mail: 15306699986@189.cn

TU447

A

1009-640X(2017)03-0116-08

刘慈军，何宁，董英杰， 等. 杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路深厚软基处理[J]. 水利水运工程学报, 2017(3): 116-123. (LIU Cijun， HE Ning， DONG Yingjie, et al. Treatment technology for deep and thick soft foundation of south linkage expressway of Hangzhou Bay Cross-sea Bridge[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(3): 116-123. (in Chinese))