軟土地基施工技術(shù)在路橋施工中的應(yīng)用

欒 靜

（盛德路橋建設(shè)有限公司，山東 高密 261500）

0 引言

軟土地基大多分布在在河岸和沼澤等區(qū)域，土壤多為松散土，沉積物含水量高，滲透性能較差，缺乏抗剪能力，在自然狀態(tài)下會出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，無法滿足路橋工程的建設(shè)要求。施工人員應(yīng)該采取有效的施工技術(shù)對軟土地基進(jìn)行處理，提升路橋施工中地基的穩(wěn)定性和承載能力，避免出現(xiàn)沉降問題?，F(xiàn)階段，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和施工經(jīng)驗(yàn)的不斷總結(jié)，已經(jīng)出現(xiàn)了很多軟土地基施工技術(shù)，每個技術(shù)都有各自的優(yōu)勢和特點(diǎn)，在具體路橋施工過程中，需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行選擇，嚴(yán)格按照施工要求和標(biāo)準(zhǔn)完成施工，以保證路橋施工中軟土地基的處理效果，保證工程質(zhì)量[1]。

1 路橋施工中軟土地基的設(shè)計

對于路橋施工而言，地基設(shè)計的好壞直接決定了施工的質(zhì)量，在路橋施工中軟土地基設(shè)計至關(guān)重要。由于一般路橋施工的軟土地基所處環(huán)境的地質(zhì)狀況比較復(fù)雜，該地基大多數(shù)為軟弱土層，會嚴(yán)重影響路基設(shè)計。因此，在路橋施工中，應(yīng)該重點(diǎn)解決軟土地基的設(shè)計問題。

1.1 軟土定義及判別指標(biāo)

根據(jù)《公路工程地址勘查規(guī)范》（JTG C20—2011）文件中的內(nèi)容，對軟土進(jìn)行了明確的定義，即在靜水中，或者流水速度較為緩慢的情況下，會沉積具有工程性質(zhì)的土，這種土中的天然含水率較高，而且孔隙比e≥1.0，壓縮系數(shù)也超過正常數(shù)值，即a0.1-0.2>0.5 MPa-1，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的錘擊數(shù)低于3擊，靜力觸探貫入阻力較低，Ps≤750 kPa，十字板抗剪強(qiáng)度Cu＜35 kPa。

結(jié)合上述相關(guān)指標(biāo)，可以對軟土結(jié)合表1進(jìn)行分類。

表1 軟體根據(jù)天然孔隙比和有機(jī)質(zhì)含量分類

1.2 軟土地基路橋工程的特性及病害

1.2.1 工程特性

在路橋施工中，軟土地基會對整體施工造成影響，這種地基的結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境含水率較大，承載能力較低，壓縮性較高。而且這種地基在施工過程中也容易出現(xiàn)一些問題，例如，孔隙內(nèi)水分增加，還會出現(xiàn)粉土和沙土等情況，導(dǎo)致地基的穩(wěn)定性明顯下降。另外，軟土地基的滲透性較小，存在土質(zhì)分布不均勻的情況，會在很大程度上影響整體工程建設(shè)的質(zhì)量[2]。

1.2.2 常見病害

1.2.2.1 路基穩(wěn)定性下降

當(dāng)路橋工程施工區(qū)域的土層為軟土?xí)r，如果在新舊路基銜接部位增加荷載，那么軟土層區(qū)域的地基就無法承擔(dān)該荷載，出現(xiàn)滑動的情況。通常出現(xiàn)這種情況的原因是由于軟土的特性，其具有流塑性，軟土在上方荷載的作用下會向兩側(cè)移動，出現(xiàn)變形，導(dǎo)致路基穩(wěn)定性下降。

1.2.2.2 沉降導(dǎo)致裂縫

出現(xiàn)沉降的原因主要是路基交接部位擴(kuò)建導(dǎo)致的，在長期荷載的作用下，老路基已經(jīng)處于固結(jié)狀態(tài)，在擴(kuò)建的過程中，新路基會改變原本的應(yīng)力，會增加地基的附加應(yīng)力，產(chǎn)生壓索變形和固結(jié)沉降等問題。

1.3 路橋施工軟土地基設(shè)計要點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)

1.3.1 設(shè)計要點(diǎn)

從設(shè)計要點(diǎn)角度而言，要保證路橋施工地基的穩(wěn)定性以及強(qiáng)度，使其在交通負(fù)荷的影響下也不會出現(xiàn)沉降和變形的情況，而且建設(shè)相關(guān)構(gòu)造物也不會對其造成影響，這些都是設(shè)計過程中需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容，并且要在具體施工過程中嚴(yán)格控制[3]。

1.3.2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2.1 沉降標(biāo)準(zhǔn)

一般路橋軟土地基的沉降標(biāo)準(zhǔn)為能夠維持其使用為15 a，一般針對使用年限以內(nèi)的公路所產(chǎn)生的沉降量不超過30 cm，頂涵洞通道處不超過30 cm，橋頭路段處不超過10 cm。

1.3.2.2 安全系數(shù)驗(yàn)算

在施工過程中，可以對地基固結(jié)進(jìn)行安全系數(shù)驗(yàn)算，采用直接快剪指標(biāo)的方式，容許值為1.1 kPa。在運(yùn)營期間對其進(jìn)行驗(yàn)算的過程中，采用直接快剪指標(biāo)的方式和固結(jié)快剪指標(biāo)的方式，容許值為1.2 kPa。

1.3.2.3 荷載設(shè)計

根據(jù)一級公路要求實(shí)施荷載設(shè)計，在土柱高0.9 m時，路基填料的容量為19 kN/m3。

1.3.2.4 預(yù)壓期

該期限是施工靜載之后進(jìn)行沉降等待時的時間，一般采用單純預(yù)壓或者應(yīng)用塑料排水板進(jìn)行預(yù)壓的路橋地基施工地段的預(yù)壓時間在9個月以上。

1.3.2.5 預(yù)壓高度

欠載預(yù)壓的高度為0 m，欠載高程是上路高程和預(yù)壓期間沉降量的集合；等載預(yù)壓的預(yù)壓高度與路面荷載當(dāng)量土柱高一致；等載預(yù)壓是預(yù)壓高度與路面荷載當(dāng)量土柱高一致的情況，等載高程是路面設(shè)計標(biāo)高、路面結(jié)構(gòu)層數(shù)與厚度之差以及預(yù)壓期間沉降量的集合[4]。

1.3.2.6 加載速率

在路橋施工時，以計算陸地沉降量為核心，對加載速度進(jìn)行有效把控，避免出現(xiàn)路堤穩(wěn)定性下降的情況。對路基中心表面而言，在復(fù)合地基處沉降速率低于8 mm/d，在堆載預(yù)壓區(qū)沉降速率低于15 mm/d。對坡腳處側(cè)向位移而言，復(fù)合地基處沉降速率低于5 mm/d，在堆載預(yù)壓區(qū)沉降速率低于8 mm/d。

2 軟土地基的沉降計算

2.1 分層總和法

在路橋施工過程中，軟土地基施工之前應(yīng)該對地基沉降進(jìn)行計算，沉降時間和沉降量是重要的計算內(nèi)容。一直以來，在計算地基沉降的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系中，廣泛地應(yīng)用了胡克定律。如果軟土地基的土體是線性彈性，就可以應(yīng)用分層總和法進(jìn)行沉降計算[5]。

該計算方法先設(shè)定軟土地基的主體具有線性和可變性，在外部荷載的作用下會在有限的范圍內(nèi)出現(xiàn)變形的情況。在壓縮層厚度范圍內(nèi)對地基層進(jìn)行分層處理，這時可以求出每層的應(yīng)力，進(jìn)而借助土層的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系求出每層的沉降變形，最后采用求和的方式獲取總體的地基沉降量。

對每層地基的平均自重應(yīng)力Pi1，平均自重力Pi2和附加應(yīng)力進(jìn)行計算，結(jié)合e-p曲線圖，查找對應(yīng)的孔隙比ei1和ei2，計算出分層壓縮變形量ΔSi，如公式（1）所示。

將計算出來的各分層的壓縮變形量疊加起來，進(jìn)而獲取總體地基沉降量S，如公式（2）所示。

式中：hi為各土層的厚度，n為計算沉降分層數(shù)。

2.2 考慮到不同變形階段使用的計算方法

該沉降計算方式在應(yīng)用過程中得出，路橋施工中軟土地基的土層在外力作用下會經(jīng)歷3個階段，并產(chǎn)生3種類型不同的變形特征，分別為瞬時變形產(chǎn)生的沉降量Si，固結(jié)變形產(chǎn)生的沉降量Sc，次固結(jié)變形產(chǎn)生的沉降量Ss，這時地基沉降總量為S=Si+Sc+Ss。

對于瞬時變形Si而言，在加載的瞬間，土壤中的孔隙水還無法及時排出，這時孔隙體積還未發(fā)生改變，土壤體積未發(fā)生改變，但是在載荷的作用下出現(xiàn)土體剪切變形情況。如公式（3）所示。

式中：p為路基地面平均壓力，b為路基寬度，Ei為彈性模量（Ei=（500-100）Cu，Cu是不排水時的抗剪強(qiáng)度值），ω為沉降影響系數(shù)，μ是土的側(cè)膨脹系數(shù)（泊松比），在此選擇0.5數(shù)值。

對于固結(jié)變形Sc而言，主要是在除去孔隙水之后，使孔隙壓力轉(zhuǎn)變?yōu)橛行?yīng)力，進(jìn)而壓實(shí)土體，讓土體產(chǎn)生壓縮變形，一般應(yīng)用分層總和法進(jìn)行計算。

對于次固結(jié)變形Ss而言，主要是在完全排出土壤中的孔隙水之后會產(chǎn)生固結(jié)，在結(jié)束土壤固結(jié)后產(chǎn)生了變形，目前研究認(rèn)為這種變形情況是由于土骨架粘滯蠕變所導(dǎo)致的，該變形可以用公式（4）計算。

式中：Ca1為第i分層土的次固結(jié)系數(shù)，t1為排水固結(jié)達(dá)到100%所需要的時間，t2為計算次固結(jié)需要的時間，hi為各土層厚度，ei1為孔隙比。

3 軟土地基施工技術(shù)在路橋施工中的應(yīng)用

3.1 排水固結(jié)施工技術(shù)

該施工技術(shù)是路橋施工過程中對軟體地基進(jìn)行處理最有效的技術(shù)，主要包括加壓和排水2個方面，其中加壓是借助建筑物自己的重量或者路堤土自己的重量進(jìn)行逐漸加載，或者借用外力加載實(shí)現(xiàn)預(yù)壓。排水是采用袋裝沙井和塑料排水管將土壤中的孔隙水排出。這2個部分缺一不可，相輔相成。在附加應(yīng)力的作用下，路基土?xí)霈F(xiàn)超孔隙水壓力，將軟土中的水分排出，然后進(jìn)行固結(jié)沉降操作。如果土壤中的有效應(yīng)力開始增加，那么地基抗剪力度也會提升，快速實(shí)現(xiàn)沉降。這種施工技術(shù)應(yīng)用了完善的理論經(jīng)驗(yàn)，使用的設(shè)備和操作都比較簡單，費(fèi)用投入比較少，適用于軟粘土、淤泥質(zhì)土和淤泥等土層施工中，如果深度超過了3 m，可以利用這種技術(shù)提升埋設(shè)深度[6]。但是深度越深，孔隙水排出的速度會越慢，在設(shè)計時需要考慮這一點(diǎn)。具體排水固結(jié)施工技術(shù)可以采用堆載法、降水預(yù)壓法和真空預(yù)壓法。

3.1.1 堆載法

軟土地基會在緩慢地增加荷載的情況下進(jìn)行排水固結(jié)，出現(xiàn)固結(jié)沉降后，土體強(qiáng)度提升，地基承載力也會提升。如果應(yīng)用超過工作荷載的預(yù)壓荷載，就可以減少次固結(jié)沉降，如圖1所示。該方式適用于壓縮性較大，透水性良好的泥炭質(zhì)地基上。

圖1 堆載法

在使用堆載法施工的過程中，盡可能地在通道和涵洞位置選擇合適的預(yù)壓材料，一般為土方，高度在2 m～3 m，壓實(shí)率大于90%，預(yù)壓范圍一般在施工兩側(cè)60 cm的位置，時間為5個月左右。然后進(jìn)行沉降觀測工作，計算軟土地基的沉降量，當(dāng)連續(xù)60 d沉降量在5 mm以內(nèi)，則表示地基趨于穩(wěn)定，可以進(jìn)行下一步的卸載操作。需要注意的是，在沉降觀測的過程中，需要合理規(guī)劃觀測的位置，通常在施工區(qū)域的中心位置設(shè)置，在道路中心線縱向之間的距離為500 m；路基填土的高度>5.0 m，軟土的厚度>4.0 m的地段，從橫向上選擇3個位置，分別在中心線和兩側(cè)路邊上，縱向間距為200 m；如果軟土位置有一定的坡度，那么也可以選擇3個位置，分別在中心線和兩側(cè)路邊上，縱向間距為300 m。

3.1.2 降水預(yù)壓法

該方法能夠使軟弱土層承受與所下降的水位高度一致的水柱重量的壓力，使地下水下降，加快固結(jié)和沉降。這種技術(shù)主要應(yīng)用路堤荷載預(yù)壓原理，并不會對地基造成破壞。該方法使用范圍較大，還可以與荷載堆載法結(jié)合應(yīng)用。

3.1.3 真空預(yù)壓法

該方法在使用過程中需要在軟土區(qū)域中放置排水通道和砂井，將排水砂墊層鋪設(shè)于地面上，然后在上方覆蓋密封膜，將砂墊和空氣隔離開，再與排水通道相連接，利用真空裝置進(jìn)行抽氣操作，這時密封的膜內(nèi)部壓力與外部壓力會產(chǎn)生一定的差距，進(jìn)而讓這種壓差成為地基荷載。該技術(shù)主要采用射流真空泵設(shè)備，在砂墊層中放置濾水管，以此形成回路，然后敷設(shè)砂層[7]。這樣處于真空狀態(tài)時，不會讓軟土區(qū)域產(chǎn)生剪應(yīng)力，可以保證地基的穩(wěn)定性。該方法適用于軟土性質(zhì)較差，施工較為緊張的情況下。

3.2 化學(xué)加固法

3.2.1 水泥土攪拌法

該方法主要應(yīng)用的材料為石灰或者水泥，再加上地基土，進(jìn)行攪拌使材料發(fā)生化學(xué)、物理變化，在凝固后形成柱體，該柱體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較強(qiáng)。如果攪拌足夠充分，還能產(chǎn)生固化的效果，使樁體和軟弱土硬化，形成復(fù)合地基，進(jìn)而加固地基。這種方法能夠顯著提升地基的承載力和強(qiáng)度，減少沉降。

3.2.2 高壓噴射注漿法

高壓噴射注漿法也被稱為旋噴法，主要是土體開挖后，將漿液經(jīng)過鉆機(jī)噴嘴鉆入到深層的軟弱土層中，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊流。利用高壓提升土層強(qiáng)度，這時土壤中的顆粒也會在噴射壓力的作用下逐漸隨著液體流出，其余顆粒會在作用力的影響下和漿液攪拌在一起，根據(jù)一定的比例均勻混合，等到混合土凝結(jié)硬化后，可以在土層中構(gòu)成混凝土樁，應(yīng)用該技術(shù)后可以增強(qiáng)地基支撐力度，減少沉降量，并起到一定的防滲效果。

3.3 加筋技術(shù)

在路橋軟土地基施工的過程中，加筋技術(shù)也是常用的技術(shù)，該技術(shù)采用的加筋材料主要是一些穩(wěn)定性強(qiáng)、有一定韌性的材料，包括天然材料和化工材料。在具體應(yīng)用該技術(shù)的過程中，主要是先將土工格柵埋設(shè)于砂石墊層中，采用檢測→清理→人工鋪設(shè)土工格柵→搭接、捆綁、固定→鋪設(shè)上層路基土→碾壓→檢驗(yàn)的流程，提升軟土地基的綜合強(qiáng)度，使排水更加通暢。在鋪設(shè)土工格柵時，應(yīng)注意材料的使用，確保其符合施工標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，為了避免由于受力不均勻出現(xiàn)的變形情況，需要在施工時檢查材料是否符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 快速分離夯實(shí)法

快速分離夯實(shí)法是新型加固技術(shù)，以管井降水的形式作為前提，運(yùn)用真空操作方法，將水氣有效分離，并聯(lián)合預(yù)壓方式，對傳統(tǒng)管井進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)節(jié)，從而更高效地處理淤泥質(zhì)土固結(jié)的問題[8]。一般在路橋施工中有3個環(huán)節(jié)，分別為水土分離、水氣分離和分離預(yù)壓。在第一個環(huán)節(jié)中，經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)計算出水氣分離群井的高度、直徑以及分布等，將管井埋設(shè)到土體內(nèi)一定高度，這時水會滲流到管井中，利用管井中的潛水泵設(shè)備將水排出，并進(jìn)入水氣分離控制管，和真空泵進(jìn)行連接，在真空抽水的過程中，會產(chǎn)生一定的壓力，土體內(nèi)的水會快速流入管井中，達(dá)到水土分離的目的。在第二個環(huán)節(jié)中，土體產(chǎn)生超靜孔隙壓力，應(yīng)用水氣分離技術(shù)可以將該壓力排出。在第三個環(huán)節(jié)中，在前2個環(huán)節(jié)已經(jīng)形成了8 m～10 m后的硬層，利用該硬層，插入厚度一致的水氣分離管進(jìn)行抽真空操作，這時上部硬層為堆載層，厚度為8 m～10 m，能夠形成120 kPa～160 kPa的荷載，在荷載的作用下，會進(jìn)一步壓縮固結(jié)軟土地基。

4 結(jié)語

總之，軟土地基中含水量較大，承載力較低，無法滿足路橋施工要求，在這種情況下，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際工程建設(shè)的情況，計算地基沉降，加強(qiáng)施工設(shè)計，并考慮地基的土質(zhì)狀況，有針對性地采用施工技術(shù)，保證施工順利進(jìn)行，提升軟土地基的穩(wěn)定性和承載力。