軟基加固施工技術(shù)在市政道路施工中的應(yīng)用

詹宏偉

（廣東省水利水電第三工程局有限公司,廣東 東莞 523728）

0 引言

我國沿海城市存在大量的軟土，其物理力學(xué)性能較差，大多呈流塑狀。在軟土地區(qū)修建市政道路，需重視地基處理。如果軟土地基加固措施選擇不當(dāng)或施工質(zhì)量控制不合理，路基在車輛荷載作用下容易出現(xiàn)塌陷、失穩(wěn)等問題，給行車安全帶來了較大隱患。同時，目前施工單位在制定軟土地基施工方案時，大多是參考借鑒臨近項目，對不同加固措施的質(zhì)量控制要點理解不深入，且不重視相關(guān)理論計算。因此，進一步研究市政道路中的軟土地基施工要點意義重大。

1 軟土地基加固措施

不同專業(yè)領(lǐng)域?qū)浲恋鼗亩x不完全相同，在市政道路建設(shè)期間，淤泥、泥炭、雜填土、飽和軟黏土等均可視作軟土。軟土的抗剪強度低、可壓縮性高、透水性差，在路基填土重力和車輛荷載反復(fù)作用下，容易出現(xiàn)承載力不足或沉降過大問題，影響行車安全性和舒適性，故需對軟土地基及時處理[1]。根據(jù)《城鎮(zhèn)道路路基設(shè)計規(guī)范》（CJJ194—2013），市政道路軟土地基處理應(yīng)堅持“預(yù)防為主、防治結(jié)合”的原則，結(jié)合道路等級、施工進度、投資金額等要求選擇具體的加固措施。目前，市政道路常用的加固措施有換填法、強夯法、水泥攪拌樁、水泥粉煤灰碎石樁（CFG 樁）等，不同軟基加固措施的特征對比見表1。

2 工程概況

2.1 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

該文研究對象為某城市主干路，其全長2 500 m，起訖樁號為K0+000～K2+500，設(shè)計速度為40 km/h，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為雙向4 車道，路面為瀝青混凝土路面，路基寬度全寬32 m，具體橫斷面組合為：4 m 人行道+3.25 m 非機動車道+0.25 m 路緣帶+3.75 m 機動車道+3.5 m 機動車道+0.25 m 路緣帶+2 m 中分帶+0.25 m 路緣帶+3.5 m機動車道+3.75 m 機動車道+0.25 m 路緣帶+3.25 m 非機動車道+4 m 人行道。同時，道路以填方路堤為主，最大填高為6.5 m，最小填高為2.2 m（滿足基本洪水位要求），且路基兩側(cè)邊坡坡率均為1 ∶1.5。

2.2 地質(zhì)條件

由勘察資料可知，道路地基土從上至下分別為淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、粉土、中砂、強風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖，對應(yīng)的容許承載力分別為60 kPa、130 kPa、150 kPa、200 kPa、400 kPa、2 000 kPa。道路沿線的軟土分布厚度為1～8.5 m，厚度不均勻。軟土液性指數(shù)在1.3～1.5，塑性指數(shù)在18 左右，呈流塑狀態(tài)，孔隙比＞1，天然含水率較高，需對軟土地基進行處理。

2.3 氣候氣象條件

道路所在區(qū)域為溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明、光照充足、雨熱同季、降水集中、歷年平均降雨量755.6 mm。年降雨最多1 512.6 mm，最少只有396.6 mm。同時，區(qū)域內(nèi)的地下水受降雨季節(jié)支配，雨季期間地下水位上升，旱季則逐漸降低，但整體變化不大，水位年變化幅度為1～2 m，動態(tài)變化較小。

3 軟土加固施工技術(shù)要點分析

由于道路沿線的軟土厚度分布極不均勻，如果全部采用同一種處治措施，會導(dǎo)致道路整體造價較高，甚至超出業(yè)主投資預(yù)算。結(jié)合臨近項目的建設(shè)經(jīng)驗，建議對道路沿線的軟土地基分段處治：當(dāng)軟土厚度＜3 m，采用換填法處治；當(dāng)軟土厚度在3～6 m，采用強夯法處治；當(dāng)軟土厚度＞6 m，采用水泥攪拌樁復(fù)合地基處治。

3.1 換填法

（1）施工準(zhǔn)備。軟土換填施工前，要先放樣出換填范圍，用白灰線標(biāo)識。由于淺層軟土多分布在溝塘路段，換填前要在路基兩側(cè)開挖臨時排水邊溝，將溝塘內(nèi)的積水引出到路基外[2]。

（2）挖淤換填。利用挖掘機挖除溝塘內(nèi)的淤泥，將其及時用自卸汽車運輸至指定堆放位置。隨后，分層回填砂礫，每次卸料量不宜過多或過少，可用“方格網(wǎng)法”控制，方格網(wǎng)大小結(jié)合路基寬度、換填厚度、自卸汽車裝料量確定。同時，為了保證壓實效果，回填材料的含水率取最佳含水率±2%，且每層回填厚度宜≤30 cm。

回填料可選擇≥20 t 的振動壓路機由兩側(cè)向路中心碾壓6～8 遍，碾壓速度控制在1.5～2 km/h，確保做到無漏壓、無死角，且表面無明顯輪跡。

（3）換填效果評價。軟土地基的換填效果可用壓實度K評價，可用式（1）計算。以K2+000～K2+100 段軟土地基為研究對象，換填施工結(jié)束后，在換填區(qū)域內(nèi)隨機抽取6 個點（編號為1#～6#），利用灌砂法檢測了不同位置的壓實度，試驗結(jié)果如圖1 所示[3]。

式中，ρ、ρ0——回填料實測干密度和砂礫最大干密度（g/cm3）。

由圖1 可知：換填區(qū)域內(nèi)的不同位置壓實度的平均值為92%，且均大于設(shè)計文件要求的90%，說明軟土地基的換填施工質(zhì)量良好。

3.2 強夯法

（1）夯擊能選擇。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79—2012），強夯法的有效加固深度d按式（2）計算[4]：

式中，α——土體修正系數(shù)；m——夯錘質(zhì)量（t）；h——夯錘落距（m）。

由于同一夯擊能對不同土體的加固深度是不同的，故在道路強夯施工前要結(jié)合軟土特性和分布厚度按式（2）反算出合理的夯擊能，但一般不小于2 000 kN·m。

（2）夯擊點布置。由于道路沿線地下水位高，夯錘落下產(chǎn)生的夯坑會出現(xiàn)積水。為了避免夯坑積水影響施工，需在道路兩側(cè)挖臨時邊溝，降低地下水位。軟土地基劃分為點夯和滿夯兩個階段，夯點間距均為3.5 m，如圖2 所示。需注意，強夯宜采用“跳打”方式，以免軟土地基局部土壓力過大，導(dǎo)致路基局部隆起變形。

圖2 強夯夯點示意（十字表示主夯、方形表示滿夯）

（3）夯擊點布置。軟土地基夯擊完成后，應(yīng)采用強度高、水穩(wěn)定性好的碎石回填，含泥量不超過5%，嚴禁使用建筑垃圾或易膨脹、易溶性的巖石回填夯坑[5]。

（4）強夯效果評價。為了驗證強夯法的施工效果，開展了靜力觸探試驗，即利用液壓千斤頂將帶有圓錐形探頭（雙橋探頭）的鉆桿壓入土層中，根據(jù)測量出的錐尖阻力qc和筒壁摩擦力fs，計算出土層的比貫入阻力Ps=qc+6.41fs，并按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗公式推導(dǎo)出各土層地基承載力的壓縮模量。以K1+600～K1+800 段軟土地基為研究對象，分析了其底層在加固前后的承載力和壓縮模型變化規(guī)律，見表2。

表2 軟土地基強夯前后力學(xué)性能變化規(guī)律

強夯施工完成后，該道路軟土地基的基本承載力和壓縮模量都有明顯提升，提升幅度從上至下依次降低，說明施工質(zhì)量控制較好。

3.3 水泥攪拌樁

（1）施工工藝。該城市道路深厚軟土段采用的水泥攪拌樁樁徑為0.5 m，樁長取10 m，樁間距為1.5 m，平面布置為正三角形，其主要施工流程見圖3[6]，該文只針對關(guān)鍵工藝進行闡述。

圖3 水泥攪拌樁施工流程

試樁：水泥攪拌樁屬于隱蔽工程，對施工工藝要求高，在正式施工前要進行試樁且試樁根數(shù)≥3 根。通過試樁試驗，可確定水泥漿配比、鉆進速度、提升速度、泵漿壓力等施工技術(shù)參數(shù)，并修正水泥攪拌樁的水泥摻量、設(shè)計承載力、幾何尺寸等參數(shù)，經(jīng)過監(jiān)理工程師確認后方可正常施工。

水泥漿制備：水泥攪拌樁采用標(biāo)號為42.5 的普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量為20%，水灰比為0.5。水泥漿制備時應(yīng)嚴格按照設(shè)計配合比，確保制備好的水泥漿不得有離析現(xiàn)象，停置時間不宜過長。為防止水泥漿發(fā)生離析，應(yīng)將水泥漿留在灰漿拌制機中不斷攪動，直至送漿前再緩慢倒入集料斗中。對停置時間＞2 h 的水泥漿應(yīng)降低標(biāo)號使用。

預(yù)攪下沉：在攪拌機啟動之前，先檢查冷卻水循環(huán)是否能正常工作，確認正常后才能啟動攪拌機切土下沉。在此過程中，要安排專職人員動態(tài)觀察設(shè)備運行和地層變化情況，鉆頭下沉至設(shè)計標(biāo)高后，立即停止下沉。

提升噴漿攪拌：先在水泥攪拌樁樁端攪拌噴漿至少30 s，在勻速（0.5～0.8 m/min）提升鉆頭，鉆頭一邊旋轉(zhuǎn)一邊噴漿。當(dāng)鉆頭距地表1 m 左右時，應(yīng)減小鉆頭提升速度。為了使水泥漿在軟土中均勻分布，建議對樁體復(fù)拌一次。

機具清洗移位：樁體施工完成后，輸送水泥漿的管路中會殘留部分水泥漿，需將其清理干凈，并將施工機具移位至下一樁位。

（2）施工注意事項和常見問題。攪拌均勻性是影響水泥攪拌樁施工質(zhì)量的重要因素，與水泥固化劑摻入量和攪拌次數(shù)密切相關(guān)，固化劑在樁身任意一點的摻入量除應(yīng)滿足設(shè)計的要求外，還應(yīng)依據(jù)地質(zhì)條件調(diào)整每一段的摻入量，以保證樁身強度和樁體受力的一致性，具體調(diào)整的原則如下：樁身上部漿量多、下部少；土層好的少、差的多；含水量高的多、低的少。

水泥攪拌樁的單程攪拌次數(shù)N可按式（3）估計[7]：

式中，z——葉片總數(shù)；h、b——葉片寬度和厚度（m）；α——葉片與鉆桿夾角（°）；n1、n2——內(nèi)外鉆管的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/min）；v——鉆桿提升或下降速度（m/min）。

水泥攪拌樁施工完成后，樁頂0.3～0.5 m 范圍內(nèi)，因上覆土壓力較小，使土層變成蜂窩狀，應(yīng)對樁頂進行如理，處理的方法有兩種：一是將樁頂質(zhì)量較差的部分人工挖除；二是在樁頂1～1.5 m 的范圍內(nèi)進行二次噴漿攪拌，并人工修整。

此外，該文總結(jié)了水泥攪拌樁在施工期間常見問題的原因和處理方法，具體總結(jié)見表3。

表3 水泥攪拌樁常見問題分析

（3）施工效果檢測。除了檢測水泥攪拌樁樁體直徑、樁間距、垂直度等基礎(chǔ)參數(shù)外，從無側(cè)限抗壓強度和承載力兩方面檢測了水泥攪拌樁的施工質(zhì)量。

該文隨機抽取3 根水泥攪拌樁（編號為1#～3#），成樁28 d 后，在樁體的上、中、下三部分取3 個試樣，開展無側(cè)限抗壓強度試驗。同時，利用平板靜力載荷試驗測定復(fù)合地基承載力，試驗過程按照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020），具體試驗結(jié)果見表4。

表4 水泥攪拌樁試驗檢測結(jié)果

由表4 可知，試驗結(jié)果表明：檢測的水泥攪拌樁無側(cè)限抗壓強度平均值為1.3 MPa，復(fù)合地基承載力平均值為180 kPa，均滿足設(shè)計文件要求，這說明水泥攪拌樁施工質(zhì)量控制良好。

4 軟土地基施工后沉降變化趨勢

《城鎮(zhèn)道路路基設(shè)計規(guī)范》（CJJ194—2013）中分層總和法計算軟土地基沉降是基于各種假設(shè)條件，無法考慮應(yīng)力歷史對軟土地基沉降的影響，與實際情況不符。該文利用有限元軟件建立計算模型，分析了不同軟土路段在加固前后的沉降變化規(guī)律。

4.1 計算模型建立

屈服準(zhǔn)則：軟土地基和路堤填料均是抗壓不抗拉的三相物質(zhì)，可用Drucker—Prager 本構(gòu)來模擬其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，具體表達式如下[8]：

式中，α、K——計算參數(shù)；σ1、σ2、σ3——最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力、最小主應(yīng)力（kPa）。

邊界條件：計算模型的左、右邊界約束X方向位移，下邊界為固定約束，X、Y、Z三個方面均不能變形，上邊界為自由邊界。

網(wǎng)格劃分：計算模型用正四面體單元進行模擬，網(wǎng)格尺寸取1 m。同時，基于“對稱性”原則，計算模型只取一半，共劃分了869 個單元，966 個節(jié)點，見圖4。

圖4 軟土路基計算模型

施工模擬：為了模擬路基的分層填筑，應(yīng)用了生死單元功能，即先將路基部分的所有單元“殺死”，再預(yù)先設(shè)置計算步長，按施工順序逐漸激活路基單元。

4.2 軟土地基工后沉降變化

軟土地基處治的目的是控制路基的工后沉降，以免路基在運營期間沉陷或路面出現(xiàn)大面積裂縫。對于快速路和主干路，一般路段、涵洞通道處、橋臺與路堤相鄰處的容許工后沉降分別取30 cm、20 cm、10 cm。

利用上述模型，分別計算了換填、強夯法、水泥攪拌樁處置前后的工后沉降變化規(guī)律，計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 軟土地基加固前后沉降

圖5 計算結(jié)果表明：經(jīng)換填、強夯法、水泥攪拌樁措施加固后，軟土地基的沉降分別減少了12.5%、22.5%、63.2%，說明水泥攪拌樁對軟土地基的處治效果最好。同時，不同路段軟土地基經(jīng)處治后的工后沉降均小于30 cm，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

該文結(jié)合某城市道路詳細探討了粉土地基的判別、影響因素、常用處治措施及處治效果評價等，主要得到以下幾方面結(jié)論：

（1）市政道路軟土地基的抗剪強度低、可壓縮性高，選擇加固措施應(yīng)遵循“預(yù)防為主、防治結(jié)合”的原則。

（2）換填法要嚴格控制回填砂礫料的回填厚度、壓實機械重量、壓實變數(shù)等參數(shù)，且可用壓實度評價其施工質(zhì)量。

（3）強夯法處治軟土地基要先確定夯擊能和夯擊點，點夯一遍、滿夯一遍，可以根據(jù)基本承載力和壓縮模量評價施工質(zhì)量。

（4）水泥攪拌樁的關(guān)鍵施工流程包括水泥漿制備、預(yù)攪下沉、提升噴漿攪拌、機具清洗移位等，成樁28 d后要檢測其無側(cè)限抗壓強度和復(fù)合地基承載力。

（5）市政道路軟土地基經(jīng)換填、強夯法或水泥攪拌樁加固后，工后沉降都有明顯下降。