橋梁施工中軟土地基施工技術研究

陽 希

（中交四航局第一工程有限公司,廣東 廣州 510420）

前言

橋梁施工中，軟土地基處理是重要施工部分，直接影響橋梁工程施工質(zhì)量和使用安全性。軟土地基處理不當將導致路面塌陷、裂縫等風險增高，威脅交通運輸安全。軟土地基存在的主要問題是抗剪強度較低、土質(zhì)具有較大孔隙及具有較大壓縮性等，導致橋梁施工難度較高。應采用科學技術手段處理軟土地基，改善地基承載力。

1 工程概況

本次項目中，建設目標橋梁總長度約為110 m，計算跨徑約為45 m。工程施工前期勘察結(jié)果顯示，土層結(jié)構(gòu)以膨脹性亞黏土為主，除該土層外，還可見部分沖洪積累形成的卵石層。在施工地段，其基層主要為石炭砂泥巖土層。分析施工地段土層總體結(jié)構(gòu)，地基層堅實度較差，軟土層中含有大量粉土，缺少良好的透水透氣性能?；鶎訌姸葯z測顯示，該處地基土層壓縮比例較大，實際承載力不符合橋梁工程設計承重要求。綜合分析認為，應對該處地基進行換填土等加固處理，改善軟土地基承載力與穩(wěn)定性，緩解該處地基所處土層高滲透性缺陷。實地考察顯示，工程建設區(qū)域地基主要存在高觸變性、高壓縮性、抗堿強度弱、透水性不足等問題。結(jié)合上述問題制定施工方案，通過排水、加固、換填土等技術應用增強地基承載力。常見軟土地基分類、特性見表1。

表1 常見軟土地基分類和特性

2 軟土地基處理技術施工應用方案

2.1 工程作業(yè)分析

采用地基加載法改善促進地基固結(jié)沉降，解決地下水上滲問題，改善土壤周圍環(huán)境，降低地基沉降率。確定施工方案、完成技術交底后，對建材、設備和施工人員資質(zhì)等進行質(zhì)檢監(jiān)控，勘察水文地質(zhì)條件，嚴格按照規(guī)范施工流程進行地基施工（見圖1）。

圖1 道路橋梁軟土地基示意圖

2.2 表層排水處理

軟土地基施工中，先行處理軟土地基表面。設備檢測顯示，該處軟土地基穩(wěn)定性較差，地基硬度較低，必須增強軟土地基強度，促進橋梁順利施工。在施工作業(yè)中，使用填料對地基進行加固夯實處理，增強作業(yè)區(qū)域地質(zhì)表面強度，構(gòu)建穩(wěn)定的施工條件，然后開展后續(xù)施工。針對地基中含水量過高的問題，采用排水處理方法在施工現(xiàn)場修建排水溝，將軟土內(nèi)部水分盡量排出，降低地基土壤含水量，改善地基強度[1]。

橋梁地基施工重點環(huán)節(jié)之一是針對地基表層進行排水處理。在軟土地基施工中，前期進行溝槽開挖作業(yè)，將地表水盡可能排出，降低地基區(qū)域土層含水量，從而改善軟土地基土壤環(huán)境。通過表層排水作業(yè)改善橋梁地基排水質(zhì)量。在進行表層排水作業(yè)中，根據(jù)橋梁自身坡度促進排水，避免非必要土層擾動，提高排水質(zhì)量。此外，在地表沉降填平作業(yè)環(huán)節(jié)，根據(jù)施工區(qū)域坡度變化設計調(diào)整施工方案，保證排水時地表水可順利流入溝槽，盡可能降低地表水對其他施工部分的不良影響（見圖2）[2]。

圖2 排水示意圖

2.3 基層處理

工程建設中需要重點解決沉降問題，本次施工采用加載法緩解沉降影響。通過地基固結(jié)沉降技術，利用大氣壓改善地基承載力。軟土地基處理作業(yè)中，地基上層建設為砂層地基，其目的是減少地下水，施工作業(yè)時使用鋼板處理該部分地基，促進作業(yè)區(qū)域地下水位降低，盡可能減少對周圍環(huán)境的消極影響。采用填土加載施工方法處理地基時，科學分析沉降時間和重量，對路面質(zhì)量進行有效控制，緩解沉降影響。在實際施工中發(fā)現(xiàn)，地基平穩(wěn)度較低，控制難度較高，因此在作業(yè)中采用緩速加載法作業(yè)，平穩(wěn)、謹慎施工，逐層建設地基。

2.4 排水固結(jié)處理

由專業(yè)施工檢測人員采用先進儀器設備勘察施工現(xiàn)場，全面了解施工區(qū)域內(nèi)地表水情況，綜合收集信息后提交至工程設計部門。設計人員結(jié)合實際勘察報告設計地表水處理施工方案。綜合既往同類施工經(jīng)驗，決定采用固化劑處理作業(yè)過程中產(chǎn)生的地表水。固化劑是常用工程物料，總體應用價值較高，固化效率較高，固化質(zhì)量較好。在傳統(tǒng)施工時期，橋梁軟土地基施工通常使用石灰、碎石和粉煤灰等作為固化處理材料，但是采用此種施工方法需要耗費大量礦產(chǎn)資源，而且容易引起環(huán)境退化等，工程遠期效益、環(huán)境效益較差。當前工程建設倡導綠色施工，為響應生態(tài)文明要求，提高工程環(huán)境效益和社會效益，本次施工采用新型固化劑，新型固化劑可很好地替代傳統(tǒng)建筑材料，使用后固化劑成分可與地基內(nèi)部的水發(fā)生反應，成為結(jié)晶水，結(jié)晶水具有穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，可在軟土地基中附著，進而優(yōu)化基層土壤結(jié)構(gòu)，增強承載力。

豎井排水法固結(jié)處理地基時，其計算方法為：

式中：dw—砂井直徑，單位為mm；

b —基礎底面邊長，單位為mm；

δ—固結(jié)壓力，單位為N。

例如，固結(jié)度計算中，已知所需要處理的地基為淤泥黏土層，x 軸向滲透系數(shù)描述為kh=1×10-7cm/s，砂料kh砂料=2×10-2cm/s，kh涂抹區(qū)土=0.2×10-7cm/s，袋裝砂井采用等邊三角形布局，s=2，砂井深度H=20 m，間距L=1.4 m，砂井施工中穿透受壓土層。P=100 kPa，土層厚度為20 m，砂井直徑為dw=70 cm，通過計算可知，qw=0.769cm3/s，F(xiàn)n=2.29，F(xiàn)r=1.28，F(xiàn)=6.34 N，分兩級等速加載。固結(jié)度計算如下：

式中：

qw—砂井滲水流量，單位為cm3/s；

kw—彈性作用力，單位為N;

Fn—反作用力，單位為N;

Fr—剪切力，單位為N;

Fs—軟土地基造成的位移，單位為mm；

F—總作用力，單位為N。

3 施工技術要點

3.1 換填土技術

軟土地基透水性較差，此種特性導致其內(nèi)部水分無法良好滲出，在該類地基結(jié)構(gòu)中垂直層面透水性極差，對排水固結(jié)產(chǎn)生不良影響，在橋梁軟土地基施工中，此類路段建設后沉降時間較長。此外，加荷初級階段孔隙水壓力過高風險較高，導致地基強度減弱。通過排水和換填等操作改善透水性具有必要性。該項目建設中部分軟土地基較淺，存在暗溝、雜填土地帶以及低洼水源區(qū)域等。經(jīng)過檢測分析，認為上述區(qū)域不符合地基承載力要求，地基結(jié)構(gòu)形變風險較高，需要對其進行重點處理，以保證達到工程建設要求。換填施工中墊層厚度計算方法為：在進行換填計算時，換填后要求符合如下關系式：

圖3 換填施工墊層

式中：

σz—墊層底部土附加應力，單位為N;

σcz—墊層底部土自重應力，單位為N;

faz—修正墊層底面位置軟土層厚度后承載力特征值，單位為N。

本次換填土作業(yè)中使用粗砂礫作為填充材料。作業(yè)前進行礫類土場材料取樣分析，確定材料中有害物質(zhì)含量、含沙量等，結(jié)合實際工況需求科學選擇換填砂。對施工場地進行平整處理，清除施工現(xiàn)場雜物。換填并且平整基底后，對施工部分進行驗收，根據(jù)設計方案要求控制施工參數(shù)，采用適量砂礫石等材料，將填料進行逐層回填和壓實，壓實厚度為25 cm。使用推土機將填料推平，然后再使用刮平機進行填料平整處理，根據(jù)設計要求填充層厚度，保證表層平整。對填料含水量進行控制，含水量較高的部分通過自然晾曬降低含水量，含水量不足時適當使用灑水車提高濕度。完成換填施工后進行機械碾壓處理，保證墊層具有良好密實度。對底層地基系數(shù)和壓實系數(shù)進行檢測，確保符合設計要求，然后進行規(guī)范驗收。為保證施工過程中及時排水，需要砂墊層兩側(cè)設置臨時排水溝進行排水處理，同時應全面控制地基建設質(zhì)量，從而有效提高橋梁施工質(zhì)量[3]。

3.2 振密法施工技術

在軟土地基處理中，應使用填土等方法增強抗剪強度。抗剪強度不足影響橋梁地基承載力，基于此種原因，在實際施工中應開展現(xiàn)場原位試驗，動態(tài)監(jiān)控施工區(qū)域抗剪強度，加強施工質(zhì)量控制。為提高抗剪強度，可采用振密法施工，通過爆破、夯擊、擠壓和振動，促進局部土體密實，有效提高地基抗剪強度。應用此種方法也有利于降低軟土地基壓縮性[4]（見圖4）。

圖4 振密法施工

4 結(jié)論

綜上所述，在橋梁軟土地基施工中，應結(jié)合實際工況設計和實施施工方案，明確施工中需要重點解決的問題，應用科學的計算方法對軟土地基進行逐層處理，加強排水、換填等操作，有效提高土層承載力，積極解決沉降問題，改善透水性，增強地基抗剪強度，改善其高壓縮性問題等。施工后驗收評估顯示，本次施工質(zhì)量符合工程建設預期，顯著增強了軟土地基承載力，施工質(zhì)量較高。