市政道路工程軟土地基處理研究

左陸軍

山西省第二地質工程勘察院，山西 臨汾 043000

隨著城鎮化的推進和基礎交通網絡的不斷完善，城市道路工程的建設規模日益擴大。道路是一種三維線形構筑物，沿線會穿過各種軟弱土層，這些軟弱土層往往含水量高、承載力性能差，如果處理不當，可能導致城市道路在運營期間出現路基沉陷、邊坡失穩等各種病害，造成巨大的經濟損失和不良的社會影響。

1 沉降計算理論

相對于碎石、沙礫土等優質路基填料，軟土具有承載力低、含水率大、流變性明顯等特點，屬于不良地質的范疇，不宜在軟土地基上直接分層填筑路基。在軟基上施工道路路基之前，必須先針對軟土地基采取合理的處理措施。

1.1 軟土固結理論

在進行城市道路設計的過程中，計算軟基變形數據需要采用“分層總和法”，其沉降變形基本可劃分為瞬時沉降（Sd）、主固結（Sc）和次固結（Ss）等多個階段。其中，Sd是在加載瞬間（t=0）出現的，此時超靜孔隙水壓力難以排出，外界荷載全部由水壓力承擔，土顆粒在這一過程中沒有產生任何作用，即使有形狀的變化，也對體積沒有影響。Sc是城市道路沉降的關鍵組成，可占軟基總沉降的80%以上。在主固結階段，受荷載因素的影響，土體會有較大變化，此時的水壓力會受固結時間（0＜t＜+∞）變化的影響而不斷消散，土地之間的孔隙也在不斷降低，承受壓力有所增加，此時土體的沉降變化就會變大，時間越長，沉降量越大。Ss發生在主固結基本完成之后（t=+∞），土顆粒所承擔的有效應力基本不再變化，土體產生蠕變而導致土體變形量繼續增加。

1.2 軟土屈服準則

軟土地基的沉降計算可選擇Druker-Prager本構關系，它在模擬巖土體變形時所需的參數容易測定，同時可以考慮填土的抗壓強度，還能夠解決摩爾-庫侖準則導數在節點處不連續的問題。D-P準則屈服時與破壞面函數為

式中：α、k為屈服材料常數；I1為第一應力不變量；J2為第二偏應力不變量；σ1為最大主應力；σ2為中間主應力；σ3為最小主應力。

2 城市道路軟土地基常見處理方法

2.1 換填法

換填法在軟土地基處理中的應用十分廣泛，該方法是將地基中的軟土挖除，再分層回填壓實強度大、顆粒級配良好、透水性好的砂石料作為路基持力層。換填法施工簡單，造價低，但處理軟基的深度一般≤3m。經過換填法處理的軟土地基的物理力學性能明顯提高，主要體現在以下兩個方面：一是地基沉降量減少，換填處理后軟基密實度高，能夠更好地擴散施加在土基上的荷載，以減小軟基變形；二是加快地基排水固結，砂石料孔隙大、透水性較好，土層間水壓力消散速度快，能加速軟基的排水固結。

2.2 注漿法

注漿法就是將能固化的漿液通過注漿孔注入軟土地基中，并通過擠壓周圍土體來改善軟土的強度指標，提高其承載能力和施工質量。軟土地基常見注漿材料包括水泥漿、硅化液、堿液等，注漿液具體用量Q可參考下式計算：

式中：V為待處理軟土的體積，m3；n為軟土孔隙率，%；d為注漿液的相對密度，無量綱；α為孔隙填充系數，與土體性質有關，一般取0.6～0.8。

2.3 拋石擠淤法

拋石擠淤法是向原淤泥面拋填石料，利用石料的重力將淤泥擠開，并破壞其原有土顆粒結構，這樣會在原有位置形成硬殼層，提高軟土地基的強度與承載力，以便后期路基填筑施工。拋石擠淤法主要適用于常年積水、軟土厚度不大的路段，但是由于清淤不徹底，一般不用于低路堤及高等級公路。在進行拋石擠淤法施工時，一般先沿著路基中線拋填石塊，隨后逐漸向道路兩側擴展。但是如果軟土地基橫坡較大，向道路拋填石塊時應從高點向低點擴展，石料拋填厚度應超出設計水位至少50cm，并沖擊碾壓密實，然后在石料表面鋪一層反濾層，再填筑路基。

2.4 水泥攪拌樁

水泥在軟土地基中攪拌形成復合地基，此時原軟弱土層可劃分成加固區和非加固區。根據施工方法的不同，水泥土攪拌樁有噴漿型、噴粉型，其中噴漿型攪拌樁施工較為簡單，只需在軟土地基中拌入一定配合比的水泥漿，將水泥漿攪拌均勻即可；而噴粉型在施工過程中不僅需要借助機械設備充分攪拌水泥粉體，還要壓縮空氣將粉體噴灑進軟基中，并依靠機械鉆頭或翼片將水泥粉和軟土均勻混合，從而形成具有一定強度和承載能力的粉噴樁。相關研究表明，影響水泥攪拌樁加固效果的因素包括內因和外因，如表1所示。

表1 水泥攪拌樁加固效果影響因素

3 市政道路軟土地基處理后的沉降變化

3.1 工程概況及計算模型建立

擬利用有限元軟件PLAXI8.0分析軟土地基的沉降變形規律及加固效果，研究對象為某城市主干路。路線全長為8.5km，路線起訖樁號為K2+360～K10+860，橫斷面寬度為30m。沿線的路面土質較軟，有淤泥等部分軟土層，這使得原本土質狀態下承載能力較差，無法達到路基填筑的要求。在實際操作過程中，需要添加水泥攪拌加固，按照梅花形布置，設計樁長12m、樁間距1.5m、樁直徑0.6m。計算斷面選擇樁號K5+690，模型中路堤邊坡最大高度為16m，另外使用碎石土進行填筑，共分為兩層，每級填土高度是8m，邊坡從上至下坡比分別為1∶1.5、1∶1.75，平臺寬2m。地基土層分兩層，分別為11m淤泥/淤泥質土和基巖。填料和地基土計算指標如表2所示。計算模型底部為不透水邊界，并對其X方向、Y方向、Z方向完全約束；路堤頂部和邊坡坡面為自由邊界，可發生豎向壓縮變形和水平位移；地基進行X方向約束，只產生豎向壓縮變形。同時，在充分考慮了土質影響下路基沉降的精準度以及計算機運行速度的情況下，利用PLAXI8.0中的PLANE42單元對路基進行網格劃分，網格尺寸一般選1.5m，對需要用水泥攪拌樁加固的部分網格進行加密，網格尺寸選1m，共劃分出單元1876個、節點2288個。還需要注意的是，土質結構本身材料硬度與水泥攪拌樁本身的硬度相差較大，不適合D-P屈服準則，可用采用科學的線彈性計算模型。樁-土接觸面采用罰函數模擬。

表2 填料和地基土計算指標

3.2 軟土地基沉降計算結果

從項目建設道路的中心線開始測繪，每隔2m需要布置一個監測點，這樣可以快速得出軟土路基加固前后各個監測點的壓縮變形大小。根據計算結果得出，城市道路軟土地基的變形與距離地基中心的距離有關。一般來說，中心處變形最大，而距離中心處越近，地基的沉降量越小，但是同時中心處變化速率很慢，距離中心處越近會越慢，而距離較遠時，變化速率越快。在沒有處理軟基之前，地基最大沉降量為22.6cm；在經過水泥攪拌樁加固之后，監測點的沉降量降低，最大沉降量為5.4cm，減小了76.1%。由此說明，使用水泥攪拌樁法，軟土的承載能力和整體穩定性都有一定提高。

4 結論

文章總結了城市道路軟土地基常見處理措施，并利用有限元軟件PLAXI8.0計算出城市道路軟基沉降規律，主要得到以下結論：（1）軟土地基具有承載力低、含水率高、流變性明顯等特點，常見的處理方法有換填法、注漿加固法、拋石擠淤法、水泥攪拌樁等；（2）受時間因素影響，軟土地基的沉降不斷變化，主要有瞬時沉降、主固結沉降和次固結沉降這三個階段；（3）水泥攪拌樁法加固的效果比較明顯，在經過加固后，檢測到的沉降量數據都降低了，軟土的承載能力和整體穩定性都有了一定提升。