軟土地基條件下的公路工程施工技術(shù)研究

王二兵，徐 良，沈強儒，曹 慧，顧鎮(zhèn)媛

(1.中交一公局第五工程有限公司，北京 100024 ;2.南通大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

我國地域遼闊，地形地質(zhì)情況復(fù)雜，分布著廣泛的軟土地基結(jié)構(gòu)。由于軟土地基較低的抗剪強度和低滲透性[1-2]、高含水量[3]，在該類軟土路基地區(qū)修建公路工程時，易發(fā)生路基整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)而造成不均勻沉降和失穩(wěn)等問題，嚴重影響到道路施工質(zhì)量和正常運營[4]。軟土地基已成為公路建設(shè)領(lǐng)域一大頑疾。目前針對軟土地基公路建設(shè)方面主要從路基結(jié)構(gòu)的地基處理以及軟土地基施工方面進行，如應(yīng)用較為廣泛的石灰樁方法[5]、灰土樁方法[6]、化學(xué)灌漿法等地基處理技術(shù)[7]，以及排水固結(jié)法[8]、砂樁法[9]、深層攪拌法[10]、高壓噴射注漿法[11]等地基處理施工方法，并取得了較好的應(yīng)用成果[12-13]。本文首先針對軟土地基在公路施工的應(yīng)用進行分析，并以某軟土地基公路施工處理為例，對CFG樁(水泥粉煤灰碎石樁)軟基處理技術(shù)和土工織物聯(lián)合沖擊碾壓兩類公路軟土地基處理施工技術(shù)進行對比分析，以期選擇更適合該工程的地基處理方法。

1 工程概況

本文以江蘇鹽城快速路網(wǎng)三期工程地面道路軟土地基為例，合同東環(huán)路位于鹽城市亭湖區(qū)經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，路線全長為12.606 km，地面道路為軟土地基。

項目中軟土路段土類含水量在32%～37%間，觸探儀測得30 cm深地基承載力85～160 kPa，60 cm深承載力75～150 kPa，90 cm深地基承載力65～120 kPa。壓縮系數(shù)0.7～1.52，十字板抗剪強度23～46 MPa，固結(jié)系數(shù)(4.03～33.2)×104cm/s，快剪內(nèi)聚力4.4～10.6 kPa，摩擦角4°～11.2°。項目中淤泥質(zhì)土體呈軟塑狀態(tài)，一經(jīng)擾動，將會導(dǎo)致土層強度劇烈損傷，并表現(xiàn)出明顯的流動狀態(tài)。根據(jù)JTG/T D31-02-2013《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)細則》要求，細粒土軟土液限、天然孔隙比大于1.0，含水量35%，要求十字板剪切強度小于35 kPa。

圖1 軟土地基示意圖

施工方根據(jù)場地使用要求、環(huán)境、工程地質(zhì)條件，以及工程工期等多方面考慮，決定采用CFG樁地基處理法對路段軟土地基進行處理。

2 軟土地基工藝處理

2.1 CFG 樁地基處理施工

CFG樁法以粉煤灰、水泥、石屑、碎石等為原料，經(jīng)過攪拌成型表現(xiàn)為高粘結(jié)強度狀態(tài)，是一種利用樁、樁間土體和褥墊層構(gòu)成的復(fù)合地基處理法[14]。由于CFG樁能大幅提高地基承載力和排水能力，造價也相較于傳統(tǒng)預(yù)支樁、碎石樁低，因此被用于該段軟土路基地基施工處理。

2.1.1施工工藝

CFG樁施工過程中采用CFG樁+堆載預(yù)壓+碎石褥墊層的結(jié)構(gòu)形式。對于軟土地基處理，采用振動沉管CFG樁體施工工藝。根據(jù)路基結(jié)構(gòu)特征，本段CFG樁基長5 m，樁基間距1.5 m，樁徑40 cm，并在CFG樁上表面鋪設(shè)厚度為30 cm碎石褥墊層，如圖2為CFG樁基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

圖2 CFG樁基結(jié)構(gòu)

2.1.2材料設(shè)備選擇

CFG樁體原材料主要包括水泥、砂、石子、粉煤灰。本文中水泥采用325#普通硅酸鹽水泥，碎石和中等粒徑石屑作粗骨料，采用Ⅲ級或以上粉煤灰作細骨料，起到低標(biāo)號作用。確定水泥∶砂∶石子∶粉煤灰∶水的配合比為233∶818∶1 189∶71∶188。

根據(jù)施工進度安排，要求每日完成70根長度5 m的沉管作業(yè)。采用DZ80、DZ90兩種型號共14臺振動沉管機來滿足管徑小于80 cm的CFG樁體施工作業(yè)。

其他設(shè)備包括取土器、攪拌機、混凝土輸送泵、攪拌機等。

2.1.3CFG樁施工工序

在執(zhí)行CFG樁施工前需預(yù)設(shè)臨時排水溝，用以降低地表水，以便后續(xù)清除草皮。在軟土處理區(qū)填筑50 cm厚宕渣，整平并輕度碾壓，為配套設(shè)施進廠和物料堆放提供場地。樁基入場后，根據(jù)設(shè)計樁體長度和沉管入土深度確定沉管機架高度和長度。樁基就位，調(diào)整沉管位置保證樁體垂直度偏差在1%范圍內(nèi)，平面位移差小于15 cm，沉管過程中，采用激振電流記錄每次沉管位置，直至沉管至設(shè)計高程。

樁基停機后，將混合料投入樁管內(nèi)，要求混合料填充過程中塌落度在3～5 cm，成樁浮漿厚度以15～18 cm為宜。開啟振動馬達，留振5～10 s后進行拔管操作，要求拔管速率保持在1.2～1.5 m/min，拔管過程中遇到淤泥或淤泥質(zhì)土，速度需放緩。當(dāng)確認成樁符合設(shè)計要求后，拔出沉管，并采用粒狀濕粘土封頂，根據(jù)路基中心向外側(cè)正三角形布設(shè)，重復(fù)進行下一根樁施工。

成樁完成后，在CFG樁上鋪設(shè)粒徑8～20 cm的碎石粒作為碎石墊層，墊層厚度以30 cm為宜。樁體施工完成28 d后，每臺機隨機抽取一組150 mm立方體混合料10塊測定28 d無側(cè)限抗壓強度，要求其值不低于10 MPa，并抽取10%樁進行低應(yīng)變動力測試，要求樁身強度大于10號混凝土強度。

對于CFG樁部分區(qū)域，由于受“三桿”影響而不能進行振動沉管機施工，選擇采用取土器法施工[15]。首先按照樁位布置圖進行測放樁位線，樁位中心點偏差在2 cm以內(nèi)。采用取土器成孔，成孔深誤差0.1 m內(nèi)，垂直度偏差1%以內(nèi)。成孔至設(shè)計深度后，采用導(dǎo)管法灌料，灌注前檢查導(dǎo)管是否順暢，第一根樁灌注采用水泥砂漿濕潤導(dǎo)管，灌注過程邊灌注邊振搗，直至灌注至樁頂。灌注完成后用土層覆蓋保溫。

CFG樁體施工完畢，待7 d后樁體混凝土達一定強度，進行基槽開挖，對于設(shè)計樁頂標(biāo)高小于1.5 m區(qū)，采用人工開挖法，當(dāng)基槽開挖深度較大時，采用人工和機械聯(lián)合開挖法。

2.2 土工織物結(jié)合沖擊碾壓法施工

為保障路基碾壓效果，滿足規(guī)范要求，在K63+400～K64+000段采用土工織物結(jié)合沖擊碾壓工藝[16]。土工格柵根據(jù)GB/T17689-2009選定，要求具有優(yōu)異的耐腐蝕性。將土工格柵橫向鋪設(shè)在路基層，兩端用木樁緊固，格柵搭接長度大于20 cm，并用尼龍繩呈“之”字型穿綁?？窟吰露瓮凉じ駯抛龀筛?0 cm彎折，并向內(nèi)延伸200 cm。邊坡土工格柵結(jié)合防護設(shè)計施工，鋪設(shè)完畢后，采用滾填法鋪設(shè)碎石墊層，整平壓實后鋪設(shè)土工布。

土工織物鋪設(shè)完畢后，采用YT25沖擊式壓路機進行碾壓。壓路機先由路基測邊緣開始，行至終點后沿中線行進至起始段，再轉(zhuǎn)向路基邊側(cè)重復(fù)碾壓，每一次沖壓實輪輪跡重疊1/3，保證中間部分沖壓充分，直到壓路機輪跡達到一側(cè)邊緣完成一次沖碾操作，如此重復(fù)沖碾10遍后，進行壓實度和高程檢測，如圖3為路基沖碾施工工藝步驟。

圖3 沖擊碾壓工藝流程圖

2.3 項目沉降量觀測

根據(jù)《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)細則》(JTG/T D31-02-2013)規(guī)定，要求路段基礎(chǔ)容許工后沉降小于30 cm，橋臺與路堤相鄰處容許工程沉降小于10 cm。本項目中采用軟土地基沉降監(jiān)測如下：

地表的豎向位移采用沉降板觀測，成層軟土體的豎向變形量采用分層沉降法測量。沉降板為一直徑20～30 mm鋼管和一600 mm×600 mm×9 mm沉降鋼板構(gòu)成，長度隨填土高度逐漸上升。觀測時保證每段接管的頂面具有相鄰兩期觀測標(biāo)高，即第一段接管埋入后立即測量管頂標(biāo)高來作為第一次觀測值。待第一層填土完成后將原頂管面觀測標(biāo)高作為第二期觀測值，如此循序逐節(jié)升高來觀察每期觀測沉降量。

土體側(cè)向位移采用測斜儀觀測。位移樁體根據(jù)地基條件確定，通常由路堤坡腳開始，在垂直路中心間隔2～3 m布設(shè)5個位移樁，在移位樁延長線方向分別設(shè)置2個固定樁A和B，控制AB長度20～30 m左右，每次觀測時，經(jīng)緯儀安置于A點，后視B點，5個樁保持在一條直線上，用鋼尺丈量固定點到A點位移距離即為測量縱向位移，同時用水準(zhǔn)儀測量位移樁垂直位移，根據(jù)首次標(biāo)高于第i次觀測標(biāo)高差作為垂直位移。

圖4為選取的K61+100斷面中心線位置獲得的沉降量變化曲線?？梢钥闯?，施工初期，由于受到外界突變荷載的影響作用，在間隔很短的時間內(nèi)，軟土層出現(xiàn)較大沉降量。工后20 d時的沉降量達到3 cm，隨著施工過程的推進，軟土層在較大的時間裕度下逐漸固結(jié)，沉降量開始趨于穩(wěn)定。施工后期，沉降變化速率逐漸下降，當(dāng)工后300 d后，軟土層沉降量在20 cm左右，并未再發(fā)生較大變化，可以看出，本工程工后沉降小于25 cm，最大不均沉降為4.0 cm，滿足施工規(guī)范要求。同時，在整個施工周期內(nèi)，軟土層前3個月沉降較大，后期沉降較小，隨著施工荷載和時間的延長，各測點沉降穩(wěn)步增加，并在施工后期趨于穩(wěn)定，通過軟基處理后，整個路面并未發(fā)生開裂現(xiàn)象。

圖4 不同時間段軟土路基沉降變化

比較K63+400路段土工織物聯(lián)合沖碾路基施工方法和CFG樁地基處理法的沉降變化曲線如圖5所示。可以看出，采用土工織物處理軟基的沉降量相對CFG樁相對偏差要小。由于土工織物的存在，使傳遞荷載均勻分布在上部路基，有效提高了路基整體穩(wěn)定性，減小了橫斷面不均勻沉降值[17]。因此，采用CFG樁處理路基基底或較大面積軟土基時，需根據(jù)軟土性質(zhì)、深度和工程造價，并適當(dāng)結(jié)合其他沖擊碾壓土工格柵組合使用，以期獲得較好效果。

圖5 K63+000路段沉降處理效果對比圖

3 結(jié)論

本文結(jié)合河南境內(nèi)某高速公路K61+000～K67+800段工程實踐對軟土地基處理技術(shù)進行應(yīng)用分析。主要對CFG樁軟基處理基礎(chǔ)和土工織物聯(lián)合沖碾壓兩類方法對公路軟土地基處理施工技術(shù)要點進行研究，并選擇典型施工段進行沉降測試對比。獲得的研究結(jié)論主要有：

a.采用CFG樁軟基處理公路軟土地基時，施工初期間隔很短的時間內(nèi)，軟土層出現(xiàn)較大沉降量。后期軟土層在較大的時間裕度下逐漸固結(jié)，沉降量開始趨于穩(wěn)定，工后沉降小于25 cm，最大不均沉降為4.0 cm，路面并未發(fā)生開裂現(xiàn)象，滿足施工規(guī)范要求。

b.土工織物聯(lián)合沖碾壓法處理軟基的沉降量相對CFG樁相對偏差要小。土工織物的存在，使傳遞荷載均勻分布在上部路基，有效提高了路基整體穩(wěn)定性，因而減小了橫斷面不均勻沉降值。