軟土地區(qū)路基處理技術(shù)研究

孫志遠

（中交遠洲交通科技集團有限公司，河北石家莊 050000）

0 引言

我國幅員遼闊，特殊地質(zhì)如軟土、膨脹土、濕陷性黃土、鹽漬土、巖溶等分布廣泛，是工程設(shè)計、施工的重點和難點，關(guān)系著路基的穩(wěn)定性和承載能力，影響著行車舒適度和行車安全性。本文著重討論軟基處理設(shè)計思路及目前應(yīng)用較廣的混凝土攪拌樁的相關(guān)計算問題。

1 軟土地基的主要特性及危害

主要特性有：（1）高孔隙比和觸變性。軟土是土顆粒緩慢沉淀并膠結(jié)形成的絮凝狀沉積物，其孔隙比同一垂直壓力下重塑土高20%～40%。一旦施工擾動，積木狀土顆粒潰散、強度迅速降低呈現(xiàn)出流體狀態(tài)，導致上覆物側(cè)向滑動、沉降，此特性稱為觸變性。（2）承載力低。其壓縮曲線前半段較平緩，當壓力超過限值時，壓力曲線陡降，之后接近重塑土的線型，陡降階段為土顆粒重新分布、膠結(jié)破壞的階段，承載力極低，此階段是軟土與重塑土的重要區(qū)別。（3）不均勻性。在靜水或緩慢流水環(huán)境中有機質(zhì)沉積并經(jīng)過生物化學作用，除有機質(zhì)外還夾雜粉細砂晶體，導致不均勻性。

危害：軟基壓縮性高、強度低、透水性差、沉降速度快。在軟土地區(qū)修筑路基，會造成路基沉降不均勻，形成局部坍塌、開裂，嚴重時會出現(xiàn)整體滑移，滑弧切入地基軟弱土層中。施工時發(fā)生路堤開裂、滑塌，將影響工程質(zhì)量和施工安全；運營期長期不斷地出現(xiàn)路堤下沉，輕者降低舒適性，重者造成交通事故及人員傷亡。

2 軟土地基處理技術(shù)

積極響應(yīng)國家技術(shù)創(chuàng)新的政策，現(xiàn)代工程技術(shù)發(fā)展日新月異，新的加固技術(shù)、新型材料不斷研發(fā)，使得軟土地基處理的質(zhì)量和效率大幅提高。針對不同的施工情況要運用不同的加固技術(shù)，淺層軟基處理以排水固結(jié)、清淤及強夯與強夯置換為主，深層軟基通常采用粒料樁、加固土樁、水泥粉煤灰碎石樁（CFG）、剛性樁復合地基等處理措施。

3 軟基設(shè)計

3.1 計算穩(wěn)定性

堅持預(yù)防為主在工程設(shè)計中尤為重要，通過計算并采取加強措施可大幅減少施工或運營中發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率。地基穩(wěn)定的影響因素是多方面的，主要有地基土性質(zhì)、地層分層情況、填土高度、加荷速度、橫向坡度等。《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）中的穩(wěn)定驗算方法主要以瑞典圓弧滑動法為主，其中包括有效固結(jié)應(yīng)力法、改進總強度法、簡化Bisshop 法和Janbu法，有效固結(jié)應(yīng)力法最為常用。

3.2 計算臨界高度

臨界高度為車荷載加路堤荷載計算得出的設(shè)計臨界高度。跟軟土性質(zhì)和分層情況，表層硬殼厚度，填料重度等有關(guān)。分均質(zhì)厚層軟土地基、均質(zhì)薄層軟土地基、非均質(zhì)軟土地基三種情況。

3.3 沉降計算

在附加應(yīng)力作用下，飽和孔隙水來不及排出，此時土體只發(fā)生彈性變形但沒有質(zhì)變，持續(xù)加載孔隙水排出發(fā)生的形變稱為主固結(jié)變形；超靜孔隙水完全消散，由土骨架的蠕動重新排列之后發(fā)生的變形稱為次固結(jié)變形。最終沉降值取決于附加應(yīng)力和基礎(chǔ)承載力。假設(shè)軟土各分層為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的彈性體，計算部位為基底形心且完全側(cè)限。

4 軟土地基加固處理技術(shù)

軟土地基處理分主動和被動處理。主動處理措施有排水固結(jié)、改良軟土結(jié)構(gòu)，被動處理則是改變路堤的形式。

4.1 排水固結(jié)

其固結(jié)時間與土層厚度成反比，與排水距離成正比。排水固結(jié)是在軟弱土地基中做垂直孔，插入排水材料，根據(jù)毛細水原理將深層水引至孔口，在孔口設(shè)置砂墊層疏水，以加速土體固結(jié)。此種方式在處理淺層軟基時應(yīng)用極為廣泛，較為常用的工藝為排水砂井、袋裝砂井、塑料排水板。

（1）排水砂井可減小縱橫向排水距離，實現(xiàn)快速固結(jié)。砂井制作較為簡單，用打樁機擊入鋼管并用螺旋鉆成孔，孔中填中粗砂，頂面設(shè)不小于15cm 砂墊層以形成排水體系，孔徑不宜過小，防止沉降過程中被剪切側(cè)移導致排水通道失效。

（2）袋裝砂井作用機理同排水砂井，主要區(qū)別是將中粗砂裝入透水性良好的編織袋再填入孔中。該砂井比排水砂井直徑小，成孔時對原基礎(chǔ)擾動小，袋裝砂井抗剪能力明顯優(yōu)于排水砂井，粗砂用量少。目前，袋裝砂井比排水砂井使用更為普遍。

（3）塑料排水板。塑料排水板是將扁口帶狀柔性塑料板通過插板機打入軟基覆蓋層之下，排水板表面有反濾小孔，軟土中的水通過小孔滲入塑料板，順著排水板溢出至地表砂墊層，達到排水固結(jié)的目的。

4.2 改變路堤形式

（1）設(shè)置反壓護道。作用機理是通過在路基兩側(cè)填筑護道作為壓腳，重力使路堤下軟基側(cè)向隆起的趨勢得以平衡。其施工簡便，不需要特殊的填筑材料，但占地較大，適用于非耕種區(qū)。反壓高度一般不大于路基高度的1/2，超過時應(yīng)設(shè)置多級護道，護道寬度應(yīng)大于圓弧滑面的寬度。

（2）鋪設(shè)一層或多層土工格室、土工格柵等聚酯類高分子土工材料。因其抗腐蝕、耐酸堿、抗拉強度高，使用壽命長。主要作用是有效地分配載荷，提高路基的穩(wěn)定性和承載力?？捎行фi住路基材料，防止路面塌陷或產(chǎn)生裂紋，保持地面美觀整齊。

（3）還可在路堤坡腳砌石，設(shè)板樁、混凝土樁等限制軟基側(cè)向位移。

4.3 改良軟土結(jié)構(gòu)

（1）淺層置換

將淺層軟基或不良土挖去，以透水性好、強度高、性能穩(wěn)定的碎石、砂、卵石、灰土等材料回填壓實，使其達到規(guī)范要求的密實度。

（2）拋石擠淤

利用拋石或其他材料的外力和自重，使硬殼層破壞后下層的流塑狀軟土被強行擠出，實現(xiàn)置換的目的。適用淤泥層較淺的地基。

（3）群樁改良

其原理是利用抗水性材料制成樁，與原地基構(gòu)成復合地基，增強其承載力。處置措施有擠密砂樁、碎石樁、生石灰樁、粉噴樁等。擠密砂樁直徑在30～200cm，有條件時，宜選用較大直徑。平面應(yīng)布置為梅花形或三角形，設(shè)置砂墊層，縱向上樁長應(yīng)大于軟硬結(jié)合面的深度。其原理是在外荷作用時，應(yīng)力在砂樁集中，軟弱土承受的荷載相對較小，沉降量也得到了控制，而且砂樁易于排水，加快了固結(jié)沉降速度，提高了承載力和穩(wěn)定性。碎石樁同砂樁，材料粒徑更大，由碎石填充，其剛度大于原狀土，約60%～80%應(yīng)力由碎石樁承擔，碎石樁擠壓周圍土體，且自身發(fā)生徑向變形。若黏土強度太低，樁得不到徑向支撐就達不到加固的目的，根據(jù)相關(guān)施工經(jīng)驗，抗剪強度大于20kPa時才考慮使用碎石樁。石灰樁是在軟土孔眼中填入生石灰，孔徑約20～40cm，平面布置為三角形或四邊形，待生石灰遇水后，體積增大，擠密周圍土體，并在膠凝作用下提高了孔周邊土體強度。粉噴樁是將水泥或生石灰粉利用壓縮空氣噴入土中，攪拌直至土與粉料膠凝形成柱體，其比石灰樁強度更大，水穩(wěn)性更好。

4.4 混凝土攪拌樁

隨著工程技術(shù)的發(fā)展，混凝土以高強、耐腐等特點被廣泛應(yīng)用。在軟土地基處置方面，混凝土攪拌樁優(yōu)勢越來越明顯，應(yīng)用也更加普遍，其有早期強度低易灌注，后期強度增長快，耐酸、抗水性好等特點。以下通過工程實例對混凝土攪拌樁的設(shè)計及施工方法進行深入分析與介紹。

項目概況：宜賓至彝良高速公路（四川境）是《四川省高速公路路網(wǎng)布局規(guī)劃》（2011年調(diào)整方案）規(guī)劃中新增的8條南北縱線之一。項目向南連接云南省昭通市，并通過昭通、昆明連接云南省其他地區(qū)，是通往滇中、東盟的高速公路通道。項目沿線聯(lián)通宜賓市翠屏區(qū)、高縣、筠連縣，增強了宜賓市對南部區(qū)域的輻射帶動作用。

不良地質(zhì)為：滑坡、崩塌及危巖體、巖溶、煤礦釆空、有毒有害氣體，特殊性巖土主要為軟土。

宜賓至彝良高速公路外業(yè)調(diào)查是2015 年11 月—2018年1月，正值旱季，雨水少，樁號K44+800工點位于田家村水庫紅線之外，施工圖設(shè)計外業(yè)調(diào)查時亦無積水，收集水庫資料顯示與路堤并無影響。發(fā)現(xiàn)問題時為2020 年雨季施工階段，水位上漲浸沒了堤腳，致填筑路堤開裂，坡腳滑塌。經(jīng)調(diào)查，田家村水庫在2017 年將壩頂筑高，致使水庫蓄水水位超過路堤坡腳標高，地基長時間浸泡，軟弱地基無任何加強措施，導致高路堤在重力和施工附加荷載作用下失穩(wěn)。圖1為K44+800工點軟基處理現(xiàn)場照片。

圖1 K44+800工點軟基處理現(xiàn)場照片

處治措施：因路基處于田家村水庫庫尾，淹沒高度約0.5m，考慮筑島的方式設(shè)置施工平臺。從路堤頂分層開挖清除滑坡體，層厚約0.5m，同時設(shè)置臺階，臺階寬約2m，直至開挖至原基底。因混凝土攪拌樁適用于加固飽和軟弱土地基，使軟土凝結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和高強度的優(yōu)質(zhì)地基，其加固效果顯著。該工點基底擬采用混凝土攪拌樁加固。

混凝土攪拌樁提高地基承載力計算：

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，天然地基承載力Rp為65kPa，要求復合地基承載力大于150kPa。原地面至下臥層軟弱層厚約7.2m，設(shè)計樁長按L=10m 計算，攪拌樁徑D取0.6m。容許側(cè)摩阻力f=7.6kPa。

水泥攪拌樁單樁容許承載力Rp1計算見式（1）

由樁身強度所提供的承載力Rp2計算見式（2）：

式（2）中：q為抗壓強度，試塊材料配合比同樁身混凝土，在標準養(yǎng)護條件下90d 無側(cè)限抗壓強度（kPa）；η為試塊的折減系數(shù)，η取0.40；Ap為樁截面積，計算公式見式（3）

根據(jù)實驗室混凝土試驗結(jié)果，水泥含量14%時90d無側(cè)限抗壓強度為1 500kPa，計算得式（4）：

因Rp1≤Rp2，取最小值，則水泥攪拌樁單樁容許承載力見公式（5）：

由水泥攪拌樁加固后復合地基承載力Rsp，求置換率及攪拌樁間距見公式（6）：

式（6）中：Rsp為復核地基承載力（kPa）；Rs為天然地基承載力（kPa）；m為樁的置換率；δ為樁間承載力折減系數(shù)，樁端為軟土時可取0.5～1.0，樁端為硬土時可取0.1～0.4，本工點δ= 0.5。

將Rsp、Rs代 入 式（6）( 1-m)× 65，得出置換率m= 0.248。

根據(jù)公式（7）：

得出S= 1.147m。

根據(jù)計算結(jié)果可知，該工點采用樁長L=10m，則樁間距小于1.147m時，方可保證復合地基承載力不小于150kN。

水泥攪拌樁實施方案：施工機械分為單軸攪拌樁、雙軸攪拌樁和三軸攪拌樁；按材料噴射狀態(tài)分為濕法和干法兩種。濕法以水泥漿為主，攪拌均勻，易于復攪，硬化時間長；干法以水泥干粉為主，因不含水分，混凝土硬化時間較短，強度提升快，但均勻性欠佳，難以復攪。本工點采用濕法攪拌，施工前先測量放線，樁平面布置成正方形或三角形，樁徑采用0.6m，間距1.1m。該處采用的施工設(shè)備有雙軸打樁鉆機，集料斗，灰漿攪拌機和灰漿泵。設(shè)備調(diào)試合格后，首次開動鉆機使攪拌軸攪拌至軟土下臥硬土層，再將水灰比為0.55的灰漿經(jīng)攪拌泵加壓從攪拌軸端噴出，鉆進速度約0.8m/min，距離地面0.5m 時停止提升連續(xù)噴漿30s，每孔復攪2 次。3d 后抽1%樁體進行輕型觸探檢測，28d后進行單樁及復合地基靜載荷試驗。經(jīng)檢驗合格，然后用中粗砂或集配砂石墊層滿鋪整個處理范圍，既利于排水又能保證結(jié)構(gòu)層的沉降均勻。

分層回填并在臺階上鋪設(shè)土工格柵，利用格柵表面與土的摩擦作用、格柵孔對土的鎖定作用及格柵肋的被動抗阻作用，幾種作用均能鎖住土顆粒，大幅提高土體穩(wěn)定性。

漿砌護坡：該工點由于壩頂筑高，雨季水位會超過路堤坡腳，因此不能做拱形格網(wǎng)植草護坡，應(yīng)采用漿砌片石護坡，并設(shè)置護腳墻，以起到更好的封閉作用，防止水的侵入而浸泡路基。

5 結(jié)語

軟基作為特殊路基的一種，地域分布較廣，如果處理不好后果極為嚴重。在各種工程事故中，往往地基問題是最主要的原因。路基處理得當，不僅能使行車舒適，還能提高公路使用的安全性。因此，要不斷研究軟土路基處理技術(shù)，從而提高路基施工質(zhì)量。