軟土地基條件下的公路工程施工技術(shù)研究

徐禮偉

（安徽中橋建設(shè)集團(tuán)有限公司,安徽 合肥 230051）

0 引言

軟土地基結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、含水率等均與普通地基存在一定的差異[1]。在公路工程施工及后續(xù)應(yīng)用中，受環(huán)境的影響，軟土地基結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)不同程度的變形及沉降現(xiàn)象，不利于公路的安全施工與使用[2]?，F(xiàn)階段，我國(guó)在公路工程施工技術(shù)方面的研究日益成熟，然而，傳統(tǒng)的公路施工技術(shù)，無(wú)法有效地提高軟土地基結(jié)構(gòu)的使用強(qiáng)度與承載能力[3]?；诖耍槍?duì)這一問(wèn)題，該文以M公路工程為例，進(jìn)行了施工技術(shù)的全面研究，為促進(jìn)我國(guó)公路工程的可持續(xù)化發(fā)展、保障行車(chē)安全作出貢獻(xiàn)。

1 工程概況

該文選取某地區(qū)M 公路工程作為研究目標(biāo)，M 公路工程屬于一級(jí)公路工程，對(duì)公路路基、結(jié)構(gòu)的要求較高。公路路線(xiàn)全長(zhǎng)約為12.508 km，呈東南至西北走向。該公路工程起點(diǎn)樁號(hào)與終點(diǎn)樁號(hào)分別為K0+000、K12+508。公路軟土地基上面層的容重為26.8 kN/m3，中面層容重為26.4 kN/m3，下面層容重為26.1 kN/m3。M 公路工程所在區(qū)域地形起伏較大，地勢(shì)呈現(xiàn)北高南低，為傾斜狀。地區(qū)氣候?qū)儆跓釒Ъ撅L(fēng)氣候，無(wú)霜期較長(zhǎng)，全年氣候溫和，溫差較小，春季與秋季較短，夏季與冬季較長(zhǎng)。M 公路工程地表土大多數(shù)為黏性土，富水性相對(duì)較差，滲入地下的水分較少。為了提高公路工程的施工質(zhì)量，在設(shè)計(jì)施工技術(shù)前，對(duì)公路施工區(qū)域的地下水進(jìn)行了全方位的勘察，得知其地下水位埋深在3.55～8.85 m，主要為大氣降水與下滲的地表水。

該公路工程于三年前完工，然而，在去年公路工程檢修過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)公路部分軟土地基結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的變形現(xiàn)象，嚴(yán)重部分甚至出現(xiàn)地基沉降問(wèn)題，降低了車(chē)輛行駛的安全性與穩(wěn)定性。為解決公路結(jié)構(gòu)變形及沉降問(wèn)題，該文針對(duì)軟土地基，進(jìn)行公路工程施工，具體施工技術(shù)方案如下：

1.1 軟土地基條件下工程施工技術(shù)

1.1.1 軟土地基表面處理

在進(jìn)行公路工程軟土地基施工前，參照公路施工相關(guān)的技術(shù)規(guī)范與要求，對(duì)公路軟土地基表層進(jìn)行處理，為后續(xù)工程施工的順利開(kāi)展提供基礎(chǔ)保障?；诠饭こ趟诘貐^(qū)地基表層的實(shí)際情況與特征，清理施工范圍內(nèi)的雜質(zhì)，檢查公路路基軟弱層滑動(dòng)的穩(wěn)定性是否符合施工要求。測(cè)定軟土地基基底的壓實(shí)度，保證壓實(shí)度超過(guò)90%，利用分層回填的方式，壓實(shí)公路軟土地基基底。

連續(xù)測(cè)定公路路基表面的平整度與路基高程是否符合填筑施工要求，若不符合施工要求，則及時(shí)調(diào)整公路路基支架頂板的平整度與高程。使用測(cè)量?jī)x器，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量公路路基結(jié)構(gòu)標(biāo)高，分別利用人工初平與長(zhǎng)尺刮平的方式，進(jìn)行公路路基標(biāo)高的收面處理。

1.1.2 公路工程土方開(kāi)挖

在公路軟土地基表面處理結(jié)束后，根據(jù)公路工程圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，設(shè)定土方開(kāi)挖深度，利用挖掘機(jī)，按照標(biāo)高分臺(tái)階進(jìn)行自上至下的土方開(kāi)挖。在公路軟土地基坡面與基床處，預(yù)留厚度約為25 cm 的土方，避免出現(xiàn)超挖的情況[4]。在開(kāi)挖過(guò)程中，若地基中出現(xiàn)地下水，則根據(jù)地下水的流向，鋪設(shè)排水溝，并做好邊坡防護(hù)工作[5]。

在公路軟土地基中設(shè)置水準(zhǔn)點(diǎn)，實(shí)時(shí)測(cè)量開(kāi)挖標(biāo)高。土方開(kāi)挖結(jié)束后，對(duì)公路軟土地基進(jìn)行加固處理，在地基內(nèi)注入膠凝材料與固結(jié)劑，通過(guò)加壓設(shè)備對(duì)地基進(jìn)行加壓處理，人工改變公路軟土地基的物理性質(zhì)，提高地基的加固效果[6]。為了提高公路路基橫斷面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在路基橫斷面中布設(shè)剪刀撐，支撐路基橫斷面。該文布設(shè)剪刀撐的支撐材料選用D=46.5 mm 的鋼管，使用強(qiáng)度與承載能力均較高，能夠起到牢固的支撐作用。在布設(shè)過(guò)程中，控制剪刀撐布設(shè)的間距不超過(guò)4.85 m，保證支撐材料鋼管間連接的緊密性。將剪刀撐與公路路基橫斷面之間的角度控制在45°～60°，若連接角度超出范圍，則可能存在破壞公路路基結(jié)構(gòu)承載能力的隱患。

加固處理結(jié)束后，在軟土地基表面鋪設(shè)塑料排水板與土工布，進(jìn)行公路路基吹砂填筑施工，加設(shè)兩層吹砂層，利用土護(hù)腳與砂護(hù)腳，提高吹砂層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[7]。采用路基分格的方式，碾壓整平公路軟土地基。公路軟土地基吹砂填筑示意圖如圖1 所示。

圖1 公路軟土地基吹砂填筑示意圖

吹砂填筑后，在吹砂層上鋪設(shè)封層土及堆載預(yù)壓土，對(duì)公路軟土地基的吹砂填筑進(jìn)行封層處理。

1.1.3 軟土地基動(dòng)力夯實(shí)施工

上述公路工程土方開(kāi)挖結(jié)束后，完成了公路軟土地基吹砂填筑。在此基礎(chǔ)上，引入強(qiáng)夯法，對(duì)軟土地基進(jìn)行動(dòng)力夯實(shí)施工處理。首先，根據(jù)M 公路工程施工要求與特征，選取重錘設(shè)備，該文選取10～45 t 的重錘。設(shè)定重錘自由落下的高度為35 m，不斷將重錘從高處落下，夯擊軟土地基，減少地基土體孔隙內(nèi)的氣體，全面降低地基的壓縮性，進(jìn)而提高地基的強(qiáng)度[8]。實(shí)時(shí)測(cè)定并計(jì)算重錘下落后，軟土地基的應(yīng)力變化，公式為：

式中，——公路軟土地基第i層土的重度；hi——軟土地基第i層土夯擊后的厚度；Ka——軟土地基夯擊后靜止土壓力系數(shù)。根據(jù)夯擊處理后公路軟土地基應(yīng)力變化情況，設(shè)置一定數(shù)量的CFG 樁，作為公路的復(fù)合地基，其承載能力較強(qiáng)，約為200 kPa，能夠有效地提高軟土地基的變形模量與緊密程度。首先，將CFG 樁布設(shè)在公路與周邊地區(qū)的交匯處，插入釬子，定位CFG 樁的布設(shè)位置。使用旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)，對(duì)CFG 樁進(jìn)行鉆孔處理，鉆孔后，連續(xù)向孔內(nèi)灌注混凝土，直至灌注到樁頂。成樁后，在軟土地基與樁間鋪設(shè)碎石墊層，起到緩沖荷載的作用。

針對(duì)部分軟黏土層，采用真空預(yù)壓法，夯擊軟土地基。軟土地基真空預(yù)壓示意圖如圖2 所示。

如圖2 所示，在軟土地基中，豎向布設(shè)排水通道，根據(jù)軟黏土地基的面積與規(guī)模，設(shè)置一定數(shù)量的排水體。在軟土地基表面均勻鋪設(shè)海砂與碎石，形成一層砂墊層，連接排水體與軟土地基。設(shè)置砂墊層鋪設(shè)的厚度不超過(guò)35 cm，利用推土機(jī)將砂墊層均勻平鋪在公路軟土地基上，在存在局部沉陷的公路軟土地基處加設(shè)2.5 cm 厚度的鋼板，使整個(gè)公路軟土地基工作面保持平整。

圖2 軟土地基真空預(yù)壓示意圖

為了提高砂墊層的使用性能，在其上方覆蓋一層密封膜，保證砂墊層內(nèi)含有充足的氣體。使用真空泵，抽取軟土地基中的氣體，通過(guò)孔隙水排出，提高軟土地基的預(yù)壓能力。針對(duì)部分鋼筋布設(shè)密集的公路軟土地基區(qū)域，例如橫隔板、路基齒板等埋入?yún)^(qū)域，應(yīng)當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆的方式，進(jìn)行夯實(shí)施工，加強(qiáng)公路軟土地基預(yù)應(yīng)力混凝土的振搗力度，減少鋼筋與公路軟土地基埋入孔道之間的碰撞。

以上施工步驟結(jié)束后，利用攪拌樁機(jī)，向軟土地基內(nèi)噴入水泥固化劑，提高軟土地基的硬度，進(jìn)而增強(qiáng)公路地基強(qiáng)度。

2 實(shí)證分析

上述內(nèi)容為該文針對(duì)軟土地基設(shè)計(jì)的公路工程施工技術(shù)方案的整體流程。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步驗(yàn)證該施工技術(shù)的可行性，獲取實(shí)際應(yīng)用效果，對(duì)M 公路工程軟土地基結(jié)構(gòu)的沉降與位移情況作出了全方位檢測(cè)。采用對(duì)比分析的實(shí)驗(yàn)方法，將該文設(shè)計(jì)的施工技術(shù)與傳統(tǒng)的公路工程施工技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而更加直觀地驗(yàn)證施工技術(shù)的有效性。

首先，依據(jù)胡克定律，建立公路工程軟土地基沉降應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系。采用分層總和方法，通過(guò)壓縮地基層的內(nèi)分層，計(jì)算公路軟土地基在加載瞬間，每一層地基結(jié)構(gòu)的壓縮剪切沉降變形量。軟土地基每一層結(jié)構(gòu)壓縮剪切沉降變形量的計(jì)算公式為：

式中，Ki——公路加載瞬間，軟土地基土體的剪切變形量；pa——公路軟土地基底面受到的平均壓力；ba——公路路基寬度參數(shù)；Ei——公路彈性模量；——軟土地基結(jié)構(gòu)沉降影響系數(shù)；——軟土地基分層土固結(jié)系數(shù)。以求和的方式得出公路整體軟土地基的總沉降量，計(jì)算公式為：

式中，W——M 公路工程軟土地基總沉降量；qa1、qa2分別表示軟土地基發(fā)生變形對(duì)應(yīng)的孔隙比；ha——軟土地基平均沉降高度；n——軟土地基沉降范圍內(nèi)的分層總數(shù)。通過(guò)以上計(jì)算公式，得到公路軟土地基的沉降量與剪切變形量。以M 公路軟土地基表面作為斷面，隨機(jī)布設(shè)6 組沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并進(jìn)行標(biāo)號(hào)處理，分別標(biāo)號(hào)為JCD01、JCD02、JCD03、JCD04、JCD05、JCD06。設(shè)定沉降監(jiān)測(cè)周期，利用上述計(jì)算公式，繪制兩種公路工程施工技術(shù)應(yīng)用后，軟土地基沉降量的變化趨勢(shì)圖，并進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 兩種施工技術(shù)軟土地基沉降量對(duì)比

根據(jù)圖3 的地基沉降量對(duì)比結(jié)果可知，該文設(shè)計(jì)的施工技術(shù)，在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，各個(gè)軟土地基監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量均在0.03 m 以?xún)?nèi)，沉降量變化趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)明顯波動(dòng)，與傳統(tǒng)施工技術(shù)相比，公路軟土地基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較高。

利用MATLAB 分析軟件，測(cè)定兩種施工技術(shù)，在距離公路路基中心線(xiàn)距離不斷增加的趨勢(shì)下，公路路堤底部的水平位移變化，結(jié)果如圖4 所示。

根據(jù)圖4 的路堤底部水平位移對(duì)比結(jié)果可知，在兩種公路工程施工技術(shù)中，該文設(shè)計(jì)的施工技術(shù)在離路基中心線(xiàn)距離逐漸增加的情況下，其公路路堤底部水平位移較小，最大位移為1.25 cm，傳統(tǒng)施工技術(shù)路堤底部水平位移最大為2.75 cm。證明該文設(shè)計(jì)的施工技術(shù)能夠有效地控制公路路基的水平側(cè)向位移，提高公路路堤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與牢固性。

圖4 公路路堤底部水平位移對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究，得到以下兩個(gè)方面的結(jié)論：

（1）通過(guò)圖3 的公路軟土地基沉降量對(duì)比結(jié)果可知，在應(yīng)用該文設(shè)計(jì)的施工技術(shù)后，軟土地基的最大沉降量不超過(guò)0.03 m，公路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到了顯著提升，沉降量不會(huì)對(duì)公路整體結(jié)構(gòu)形成安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）通過(guò)圖4 公路路堤底部水平位移對(duì)比結(jié)果可知，該文設(shè)計(jì)的施工技術(shù)，能夠有效地增強(qiáng)公路路堤底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減小其水平位移量，優(yōu)化了公路軟土地基的應(yīng)力分布水平，具有重要研究意義。