上海F1赛车场赛道软基处理方案设计与应用研究

文章编号:100321995(2005)0320052203上海F1赛车场赛道软基处理方案设计与应用研究高传伟,徐敦美,卢海燕(中铁四局集团,安徽合肥230041)摘要:在大面积软土地基上修建F1赛车场,目前世界尚无先例。针对赛道平整度要求高、建设周期短、沉降控制难等特点,设计上不同区域采用不同的处理方案,并选用轻质材料和加强整体刚度以达到控制赛道地基不均匀沉降的目的,实施后效果良好。关键词:上海F1赛车场软基处理沉降控制技术研究中图分类号:TU47213+3;U41611文献标识码:B1工程概况上海国际赛车场F1赛道是用填筑方式建造在软土地基上的高标准赛车道,在目前世界上同类赛道中尚无此类实例。F1赛车场占地面积近70万m2,主赛道全长5451124m,宽度13～20m,平面呈“上”字形构造,共有14个不同转弯半径的弯道和9个不同长度的直道,赛道路面高低起伏,最大高差达8m,造型区最大高差达12m。赛道平面总体布置以及路面标高变化见图1。由于F1赛车比赛时最高时速超过300kmΠh,它对主赛道及与其相连的主要缓冲区的路面平整度的要求,远远超过高速公路标准要求;主赛道及缓冲区的地基工后沉降控制在10～15cm。为保证上海能在2004年9月如期举办F1大奖赛,业主及设计单位对赛道还提出了必须在一年半的时间内全部建成,这就给原本难度很大的赛道工程增加了新的难度。因此,如何针对上海软土地基的特点,在较短的工期内做到控制赛道不均匀沉降是赛道工程图1上海F1赛车场平面略图建设必须解决的关键技术。2地质条件上海国际赛车场地处长江三角洲入海口的东南前缘,属滨海平原地貌类型。场地内地势平坦,赛道范围内的地面标高3140～3160m。场地内地表水系发育,较大范围内有明浜、明塘和农田水沟分布,场地浅层地坝,阻断了地下水外泄的出路,使得雨季路基内含水量大,冻土层的上水水量增加。③列车荷载作用下,路基内的积水造成其下部冻土层的热融,从而使得路基产生下沉、冻胀的病害。④路基的填土造成冻土的保护层破坏,地表热量通过路基传入冻土层也是造成路基病害的一个不可忽视的原因。车荷载的作用是造成保护层破坏的主要原因。以往20多年的整治多是针对地表及地下水,而忽略了造成冻土病害的根本原因,因此过去的整治并没有使病害得到彻底的根治。由于线路填筑位置阻断了地下水的出路,新的热平衡长期难以形成,在原线位上对线路加固难以彻底整治现有病害,因此建议新修线路绕避病害地区,新建线路宜修建在冻土外侧,填料宜用渗水材料。4结语通过以上分析可以看出:冻土的保护层受到了破坏,同时由于该地区新的热平衡长期不能形成,是造成路基病害的根本原因。路基填料差、阻水性强以及列收稿日期:2004-12-18(责任审编白敏华)2005年第3期上海F1赛车场赛道软基处理方案设计与应用研究53表1上海国际赛车场主要地层参数表下水属潜水类型,年平均水位埋深为015～017m。场地内自地表至70m左右深度范围内的地基土层呈水平层状分布,各土层组成及其主要参数见表1。由表1可见本场地内最软弱的土层为④层(灰色淤泥质粘土)和⑤-1a层(灰色粘土),均属高压缩性土层,最大厚度可达18～19m,是产生地基沉降最主要的软土层。3赛道软基处理的技术构思由于赛道的软土地基的高压缩性、路面平整度的严格要求及赛道建设工期的十分短暂等特点,对控制赛道地基不均匀沉降很不利,设计方案综合分析技术条件和考虑上海软基处理的各类建设经验,采取沉降控制复合桩、轻质材料、堆载预压及沉降观测等综合性软基处理控制技术,以达到控制地基不均匀沉降的目的。即:①对软基按填筑高度分不同区域采取堆载预压或打方桩作为沉降控制复合桩(下称复合桩)以有效减少沉降,尤其是工后沉降。②对赛道结构本身尽可能采用轻质材料并加强整体刚度,同时又减少附加荷载以减少工后沉降。通过以上两方面的措施综合处理以达到控制赛道地基不均匀沉降的目的。超过地面标高4m时在桩基上堆筑,中间填筑轻质EPS材料,用二灰包边,其上填筑二灰。赛车场地基处理主要施工方法平面图见图2。图2赛道地基处理分区图412关键技术控制41211沉降控制复合桩施工工艺及质量控制上海国际赛车场复合桩由桩体和桩帽两部分组成。桩体为预制钢筋混凝土打入方桩,截面尺寸0125m×0125m,桩长8～25m,桩端穿过赛道场地下4主要技术方案及关键技术控制411地基处理的主要技术方案通过相关的软基处理经验、赛车场前期试验和分析类比,经过专家的多次论证,设计方案最终采用的地基处理主要技术方案见表2。高压缩性软土层,进入中等压缩性⑤灰色粉质粘土-1b层。桩帽呈倒置的正方形棱台,平面尺寸主要为1175m×1175m,桩帽的厚度012m,为钢筋混凝土结构,与打入方桩刚性连接。桩群平面布置呈正方形网格状,中心间距3m×3m,相互间不连接。复合桩主要起减少和控制沉降的作用,承受作用在桩帽以上的上覆荷载,计算分析表明,每根桩约需承担500～800kN的上覆荷载。桩基的施工工艺及其质量控制对实现设计意图甚为重要。41212大规模EPS施工技术及质量验收标准表2地基处理主要技术方案3赛车场设计EPS数量达35万m之巨,创国内外单项工程之最。国内目前没有相应成熟的施工工艺和质量验收标准,需要通过本工程的实施,并结合上海大众试车场、沪宁高速公路中应用EPS的实践经验,对赛道填筑高度Πm主要技术措施备注4打入方桩(桩长25m)+二灰+EPS表层植被部分素土填筑2～4打入方桩(桩长9～25m)+二灰表层植被部分素土填筑2堆载预压+二灰卸载后做二灰或石灰土路基填筑地层名称层厚Πm层底埋深Πm含水量Π%重度Π(kNΠm3)孔隙比塑性指数液性指数粘聚力ΠkPa内摩擦角(°)压缩系数ΠMPa-1压缩模量ΠMPa②-1粉质粘土019911762712181101781411014730211001296110②-2a粉质粘土017321733317181401921317018923221001404183②-2b粘质粉土015321793018181601867321001257108②-3砂质粉土3125611128131819018053615011511180④淤泥质粘土216071724815161911361719114610111501972136⑤-1a粘土14174221773717171811071711019616131001623132⑤-1b粉质粘土6195311553412181001991414018918201001424176铁道建筑54March,2005EPS的连接、平整度以及拼装误差等关键工艺进行了一系列的研究,再吸取其它单位共同试验研究成果,形成相应的EPS施工工艺和验收标准。41213大面积堆载预压施工工艺及沉降控制技术赛道非打桩区需在设计标高以上进行2～3m素土堆载预压,压实度不小于85%(重型)。为保证沉降的均一性,对堆载预压工艺(包括填筑及卸载)有相应的控制要求。同时,需综合沉降观测数据分析、预压期(6个月)以及预先的理论测算等因素,确定卸载及二次路基填筑的时间。41214二灰Π石灰土路拌法施工工艺的改进及质量控制检测方法上海F1国际赛车场工期十分紧迫,工程量巨大,质量要求高,其中二灰和石灰土的应用量非常大,现有的施工工艺无法同时满足现场对产量与质量的要求,需对现有的施工工艺进行改进。同时,为了与国外(德国)标准相对应,引进小平板荷载仪对质量进行控制及检测。通过调研和工艺对比分析,确定引进国外先进路拌生产设备,改进现有的路拌法施工工艺。5软基处理沉降观测和分析511总体分析沉降观测自2003年1月起至2004年5月历时17个月,共完成了包括赛道区及造型区在内的67个沉降观测点的监测。根据施工工况,整个场地沉降划分为四个阶段,即堆载施工阶段,堆载稳定阶段、卸载阶段和道路施工阶段。表3为截至2004年5月3日各区原地表的平均沉降量和沉降量最大、最小的测点编号。从表3可以获得整个场地地表沉降的基本规律:(1)不同位置的地表沉降量存在较大的差异,揭示了地表沉降与不同施工工艺(打桩、堆载)、不同的堆载高度和宽度以及排水条件密切相关,一般在堆土和堆土完成后沉降速率较大。(2)堆载区(赛道区)沉降具有区域性。如一般堆载区域,基本上呈现出大面积内整体沉降态势,一般沉降量为15～25cm。而局部区域,如堆土集中区域沉降较大,最大沉降量超过45cm,形成巨大漏斗形状,表明土体已发展到塑性变形阶段,局部区域的堆载过大,引起邻近的造型区(打桩区)沉降量偏大。(3)卸载阶段沉降明显减缓,部分开始出现回弹,卸载回弹量目前实测平均值为2～3cm。512工后沉降预测分析要合理地分析计算工后沉降,必须对软粘土的力学性质有深入的了解,且计算时要全面考虑各种因素的影响,计算方法要满足合适的精度要求。由于主固结沉降大部分在施工期已完成,因软粘土具有的流变性质引起的次固结沉降虽然在总沉降中比例不很大,但在工后沉降中所占比例可能较大。根据目前在堆载预压区监测中所获得的沉降监测数据,按堆载预压、卸载以及后期使用等条件,计算了赛车道的工后沉降,在计算分析过程中,沉降数据的起始点以监测仪器埋设后的初始值为依据。计算显示赛车道工后5年的沉降量一般在3～6cm,已经满足沉降稳定标准,即≤01001mmΠd,达到了预期的10～15cm工后沉降的效果。6结束语(1)通过软基处理综合方案的实施以及最终沉降量预估值分析,表明对赛道地基根据赛道路面标高的不同分区采取不同的加固措施,可以有效减少其沉降尤其是工后沉降。(2)赛道结构采用轻质材料填筑,可以减小作用在赛道地基上的附加荷载并使附加荷载分布比较均匀。本工程大量采用了二灰土和EPS二种轻质填筑材料,特别是EPS对减小和均匀调平赛道地基附加荷载从而降低地基沉降发挥了决定性的作用。(3)F1赛车场在国际汽联的验收中被认为其“整体设施的设计和建造都具有一流水平,令人难以置信,所有的设施的情况都非常好”。在9月26日的世界F1方程式赛车上海站的比赛中,赛道也被认为具有世界一流水平。表3监测分区沉降统计特征收稿日期:2004-11-05(责任审编孟庆伶)分区号造型区堆载2m区堆载3m区平均沉降量Πcm291320113514最大沉降量Πcm5112491211217最大沉降点Z53Z049S3522最小沉降量Πcm17105131114最小沉降点S2023S2821S3321当前平均沉降速率Π(mmΠd)016701460181最大回弹量Πcm211最大回弹点S1423平均回弹量Πcm2～3