城市道路軟弱地基的設(shè)計(jì)對(duì)策和方法

劉志平

（蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730030）

城市道路軟弱地基的設(shè)計(jì)對(duì)策和方法

劉志平

（蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730030）

軟弱地基是城市道路設(shè)計(jì)與建設(shè)的核心問(wèn)題，諸多道路由于沒(méi)有解決軟土路基的問(wèn)題，形成了路面塌陷、不均勻沉降等病害，對(duì)城市交通運(yùn)輸和基礎(chǔ)設(shè)施安全帶來(lái)很大影響。討論了城市道路軟弱地基的主要類(lèi)型和基本特點(diǎn)，分析了軟弱地基的主要危害和形成過(guò)程，并總結(jié)了目前軟弱地基的設(shè)計(jì)措施和處置技術(shù)，最后結(jié)合一個(gè)城市快速路建設(shè)的背景，提出了軟弱地基的水泥攪拌樁加固設(shè)計(jì)方法，對(duì)攪拌樁的布置、尺寸規(guī)格、施工要求進(jìn)行了設(shè)計(jì)，研究可為類(lèi)似工程提供參考借鑒。

城市道路；軟弱地基；軟土基礎(chǔ)；設(shè)計(jì)對(duì)策

0　引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快發(fā)展，城市道路等基礎(chǔ)設(shè)施也在不斷建設(shè)和完善，為了在有限的土地資源空間內(nèi)，最大程度地優(yōu)化建設(shè)道路的質(zhì)量，對(duì)城市道路的設(shè)計(jì)和建造提出了越來(lái)越高的要求［1，2］。

城市道路大都分布在水系發(fā)達(dá)的區(qū)域，部分城市的建設(shè)不可避免地遇到軟弱地基問(wèn)題，例如軟土、濕陷性黃土、砂土等不利的軟弱基礎(chǔ)，在道路建設(shè)中，需要對(duì)這些軟弱基礎(chǔ)給予充分的重視，在設(shè)計(jì)階段就需要考慮對(duì)軟弱基礎(chǔ)的施工處置方法和措施，以準(zhǔn)確估計(jì)軟弱基礎(chǔ)對(duì)于道路建設(shè)的安全威脅，并在施工階段將這些風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行合理控制和降低，保證道路后期的運(yùn)營(yíng)安全和長(zhǎng)期使用性能［2，3］。此外，城市道路的建設(shè)不僅僅是路基和路面結(jié)構(gòu)，為了方便城市基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃和排布，往往將城市給水排水管道、電力和煤氣管線等包括進(jìn)來(lái)，使得道路的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量要求更加嚴(yán)格。

軟弱地基下城市道路的主要問(wèn)題是安全性問(wèn)題和不均勻沉降問(wèn)題，如果軟弱地基處置不當(dāng)，很容易引發(fā)路面塌陷和不均勻沉降等病害［3，4］，這些病害不僅嚴(yán)重影響城市道路的使用功能和安全，還影響交通的運(yùn)輸，帶來(lái)較為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響。

本論文研究城市道路軟弱地基，分析軟土地基基本特點(diǎn)和主要危害，并分析目前軟土基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)對(duì)策和處置方法，提出不同處置方法的應(yīng)用條件和背景，最后結(jié)合一工程案例分析，在明確道路地質(zhì)條件等基本特點(diǎn)后，選擇適宜的軟土路基設(shè)計(jì)加固方法，提出設(shè)計(jì)對(duì)策和詳細(xì)方案，解決城市道路軟弱地基的危害，保障城市道路和交通等基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定。

1　城市道路軟弱地基基本特點(diǎn)和主要危害

軟弱基礎(chǔ)是地基基礎(chǔ)中包含不利于承載和受力的部分，例如濕陷性黃土、軟土、砂土等情形，這些土層在承載作用下，會(huì)出現(xiàn)承載力不足和變形過(guò)大的問(wèn)題，導(dǎo)致道路在使用過(guò)程中不斷發(fā)生變形和變化，引發(fā)道路設(shè)計(jì)高程變化，路面行車(chē)安全和使用均受到威脅。

城市道路的軟弱地基主要是軟土基礎(chǔ)，軟土是一種含水率很高、孔隙比大、壓縮性強(qiáng)、強(qiáng)度低的土層，具有易變形、承載低等特點(diǎn)。根據(jù)土質(zhì)類(lèi)型，大致可以把軟土分為淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土、粘土、粉質(zhì)粘土、粉土等，各種土的指標(biāo)參數(shù)及常用取值范圍見(jiàn)表1。軟土的這些物理構(gòu)成要素，使得軟土基礎(chǔ)在部荷載作用下很容易自行破壞，基本的特點(diǎn)是：受荷作用下具有非常顯著的流變性，導(dǎo)致受荷下產(chǎn)生緩慢的剪切變形，從而形成沉降，加上軟土的抗剪強(qiáng)度本來(lái)就很低，極容易發(fā)生突發(fā)性剪切破壞，導(dǎo)致路面坍塌破壞。

軟土地基的主要危害是路面塌陷和不均勻沉降。路面塌陷是由于地基土的承載力不足導(dǎo)致瞬時(shí)的地基土破壞或者過(guò)大變位，不均勻沉降則是受荷作用下地基土的長(zhǎng)期變形過(guò)程。實(shí)際上地基土的破壞時(shí)受荷和土體的耦合作用過(guò)程，首先由于軟弱土層的物理特點(diǎn)，受荷作用下土層發(fā)生較大變位和變形，變形的發(fā)生進(jìn)一步降低土層的抗剪承載力，導(dǎo)致土層變形進(jìn)一步發(fā)散，最終如果發(fā)散過(guò)程連續(xù)，就會(huì)形成路面坍塌和過(guò)大的不均勻沉降。這些造成路面不平，對(duì)行車(chē)安全形成很大威脅，同時(shí)引發(fā)交通擁堵、交通事故等問(wèn)題，進(jìn)一步對(duì)城市經(jīng)濟(jì)和社會(huì)環(huán)境形成影響。因此，需要在設(shè)計(jì)階段，充分考慮軟弱地基的影響，形成設(shè)計(jì)對(duì)策和方法。

表1　軟土的分類(lèi)及其指標(biāo)

2　城市道路軟弱地基設(shè)計(jì)對(duì)策和方法

城市道路的軟弱地基加固方法多樣，主要是針對(duì)軟弱地基存在特點(diǎn)和類(lèi)型進(jìn)行設(shè)計(jì)加固，按照市政道路軟弱地基的深度，可以分為表層加固設(shè)計(jì)和深層加固設(shè)計(jì)，兩種加固方法具有多種加固設(shè)計(jì)策略，而且適用條件不同。

2.1表層加固設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

（1）砂墊層加固

對(duì)于表層軟土地基分布范圍較小，厚度不大的軟弱地基表層，可以采用砂礫墊層的加固施工方法，改善排水固結(jié)特性，降低地下水對(duì)軟弱土層特性的削減，同時(shí)改善路基施工的作業(yè)條件。換填的砂礫一般可以選擇中砂或者粗砂，且有較好的級(jí)配，一般顆粒的不均勻參數(shù)不大于5，保證換填材料的結(jié)構(gòu)特性和承載安全。

（2）表層排水設(shè)計(jì)

軟土地基很容易受到雨水或者地下水的作用，而出現(xiàn)材料特性和結(jié)構(gòu)特性的變化，因而需要進(jìn)行表層有效排水。表層排水設(shè)計(jì)一般適用于軟弱地基在表層的情況，采用設(shè)置盲溝進(jìn)行排水，盲溝的設(shè)計(jì)需要考慮到縱向和橫向的排布。

（3）鋪墊材料加固設(shè)計(jì)

由于軟弱地基的承載性能差，可以采用承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定的土工材料進(jìn)行鋪墊加固設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮鋪墊材料的整體連續(xù)性好、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，有效降低軟弱土層的不均勻沉降和變形，相關(guān)部分的土工材料還能夠起到反濾和排水作用。鋪墊材料的加固一般適用于軟弱土層厚度不大，分布范圍不廣的情形，可以集中采用鋪墊材料進(jìn)行加固。

（4）化學(xué)添加劑加固設(shè)計(jì)

軟土在摻入石灰石和水泥后，可以有效改善粘性土層的物理特性，降低土壤含水量而產(chǎn)生團(tuán)聚效應(yīng)，并隨著時(shí)間的推移產(chǎn)生化學(xué)性固結(jié)，形成很好的穩(wěn)定土層。這種加固設(shè)計(jì)方法主要針對(duì)粘性土軟弱地層，適用于表層加固。

2.2深層加固的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

（1）排水固結(jié)設(shè)計(jì)

對(duì)于較大范圍的飽和軟土和沖填土地基，可以采用排水固結(jié)加固，設(shè)置排水井，采用抽水、抽氣、加壓等措施加速排水固結(jié)，從而提高軟弱土層的承載力，降低不均勻沉降。這種方法是最簡(jiǎn)單的措施，但是其效果不易控制。

（2）水泥粉煤灰碎石樁加固設(shè)計(jì)

水泥粉煤灰碎石樁是通過(guò)水泥的土層的水化反應(yīng)和凝硬反應(yīng)，形成結(jié)晶化合物而延伸到土層空隙中，加固土層的物理特性，從而提高承載力和強(qiáng)度，起到改善受力安全和降低變形沉降的目的，水泥粉煤灰碎石樁是加固深層大范圍軟土的一種較為經(jīng)濟(jì)、使用、可靠的方法。

（3）水泥攪拌樁加固設(shè)計(jì)

水泥攪拌樁加固的基本原理是通過(guò)水泥加固土的物理化學(xué)反應(yīng)，使得水泥和土層進(jìn)行作用反應(yīng)形成凝膠體，形成整體性很好的土層，提高土體強(qiáng)度和承載力，水泥攪拌樁有干拌和濕拌兩種方法，兩種方法的適用條件差異。

3　工程案例解析

3.1工程概況

某城市快速路建設(shè)中，道路的地質(zhì)狀況是剝蝕丘陵地貌，道路沿線具有水塘、農(nóng)田和其他軟質(zhì)疏松的堆積土，地表自上而下的土層參數(shù)：（1）耕植土，土質(zhì)松散，包含樹(shù)木根莖等腐蝕質(zhì)，厚度在0.5 m以內(nèi)；（2）堆積土，沒(méi)有壓實(shí)整體呈現(xiàn)干松狀態(tài)，分布范圍很廣，深度0.5～2.0 m不等；（3）淤泥層，含有豐富的有機(jī)質(zhì)、泥炭等，具有很大的孔隙率，壓縮性高，局部呈現(xiàn)流塑狀態(tài)，厚度很大，在4.0～10.0 m；（4）殘積土層，局部有粘性土，局部含有灰?guī)r礫石，分布1～12 m不等。

3.2軟弱地基設(shè)計(jì)處置措施

由于本道路建設(shè)范圍內(nèi)軟弱土層分布范圍和深度都很大，特別是淤泥層的分布厚度很大，需要采用深層加固設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過(guò)綜合分析，采用水泥攪拌樁加固設(shè)計(jì)，不僅能夠滿足設(shè)計(jì)要求，也符合本區(qū)域的建設(shè)條件和特點(diǎn)。

水泥攪拌樁采用樁徑0.5 m，樁長(zhǎng)10～14 m不等的進(jìn)行加固，縱向1.2 m設(shè)置一根，橫向1.2 m設(shè)置一排，設(shè)計(jì)水泥摻入比為1∶0.5，樁身水泥摻入量設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不低于10%。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)驗(yàn)算，樁身強(qiáng)度安全系數(shù)2.1，復(fù)合地基承載力176 kPa，大于下臥層的承載力標(biāo)準(zhǔn)150 kPa。整個(gè)水泥攪拌樁設(shè)計(jì)滿足安全性要求。

水泥攪拌樁的施工工藝設(shè)計(jì)如下：首先進(jìn)行水泥漿的制備工作，然后進(jìn)行樁位放樣和攪拌機(jī)定位，進(jìn)行水泥攪拌樁的預(yù)攪下層施工，重復(fù)進(jìn)行提升、噴漿、攪拌等工作，到達(dá)設(shè)計(jì)高程后進(jìn)行成樁養(yǎng)護(hù)和資料檢驗(yàn)，滿足要求后進(jìn)入下一批次的施工。目前道路運(yùn)營(yíng)良好，沒(méi)有出現(xiàn)路面不均勻沉降、塌陷等病害和安全問(wèn)題。

6　結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快發(fā)展，城市道路的建設(shè)質(zhì)量和要求越來(lái)越高。對(duì)于市政道路建設(shè)的軟弱地基問(wèn)題，需要在設(shè)計(jì)階段給予充分的重視和考慮，降低軟弱地基對(duì)道路運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)。

論文總結(jié)了城市道路軟土地基的主要類(lèi)型和存在特點(diǎn)，分析了軟弱地基所形成的主要病害和威脅，指出進(jìn)行城市道路軟弱地基的表層和深層加固設(shè)計(jì)對(duì)策，并對(duì)每種工藝的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)分析，最后結(jié)合一工程案例，通過(guò)分析道路沿線地質(zhì)條件和覆土特點(diǎn)，提出采用水泥攪拌樁加固設(shè)計(jì)方法，給出了設(shè)計(jì)方法和施工工法，目前該道路運(yùn)營(yíng)良好。

［1］羅杰慧.淺論市政道路工程軟基加固技術(shù)［J］.中國(guó)水運(yùn):下半月，2015（6）:237-238.

［2］鄭剛，龔曉南，謝永利，等.地基處理技術(shù)發(fā)展綜述［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2012，45（2）:127-146.

［3］陳秋南，張永興，王祥秋，等.某道路軟弱地基的治理技術(shù)［J］.建筑科學(xué)，2003（4）:13.

［4］孫寶雷.市政道路軟基處理現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)研究［J］.城市建筑，2014（4）: 250.

U416.1

A

1009-7716（2016）09-0105-03

2016-05-30

劉志平（1977-），女，甘肅會(huì)寧人，高級(jí)工程師，從事市政道路設(shè)計(jì)工作。