高等級(jí)道路軟土路基特性分析及加固工藝研究

武 瑞

（山西省祁縣公路管理段，山西 祁縣 030900）

0 引言

瀝青混凝土和水泥混凝土路面構(gòu)成了目前國(guó)內(nèi)外高等級(jí)道路（我國(guó)將二級(jí)及以上等級(jí)的道路界定為高等級(jí)道路）的主要路面結(jié)構(gòu)形式，但無(wú)論何種路面形式，其路面及水泥穩(wěn)定基層都是鋪筑在道路基層之上。基層的材質(zhì)和種類很多，但基本上可分為高抗壓性和低抗壓性兩種，前者具有較高的抗壓強(qiáng)度，經(jīng)壓實(shí)處理后形成的路基能夠承載較大的荷載而不易變形；而后者與之相反，若將其作為路基就必須進(jìn)行必要的強(qiáng)化改造，以適應(yīng)高等級(jí)道路高碾壓荷載的強(qiáng)度要求。在我國(guó)北方的黃土高原地帶和南方多雨水（包括伴生的較高地下水位）等地區(qū)大量的軟土地帶就屬于后者。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外高等級(jí)道路基層的施工一直面臨軟土地基處理不當(dāng)引發(fā)道路沉陷的難題，如筆者所在山西晉中地區(qū)的國(guó)省道路就曾多處出現(xiàn)不規(guī)則超限沉降。究其原因，除了因煤炭運(yùn)輸經(jīng)常出現(xiàn)的超載運(yùn)輸外，軟土地基的抗壓強(qiáng)度不足亦是主要誘因之一。另外，縱觀國(guó)際道路施工領(lǐng)域也經(jīng)常出現(xiàn)因軟土地基處理不當(dāng)引發(fā)的道路沉陷事故，如2007年初路經(jīng)美國(guó)印地安那州（Indiana,USA）某州際高速，因軟土地基失穩(wěn)出現(xiàn)的水毀使路面出現(xiàn)300 mm以上的沉陷而緊急封閉必須進(jìn)行工程處置。類似的交通工程實(shí)例在國(guó)內(nèi)外經(jīng)常見諸報(bào)道，有鑒于此，探討并不斷完善軟土地基的硬化加固工藝，并根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)的不同不斷優(yōu)化施工方法、提高軟土地基的硬化質(zhì)量是十分必要的。

1 軟土地基基本特性分析

軟土（soft soil）亦稱松軟土，其主要物理特性是擾動(dòng)性大、透水性差、土層層狀分布復(fù)雜、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、各層之間物理力學(xué)性質(zhì)相差較大。軟土的形態(tài)具有多樣性，但主要包括淤泥、淤泥質(zhì)黏性粉土、松軟沙質(zhì)土和泥炭質(zhì)土等。軟土的含水量一般大于液限，天然孔隙比大于或等于1.0。主要分布在濱海、湖沼、谷地、河灘沉積、沙土丘陵和黃土高原松軟土等地帶。

有鑒于軟土的上述特性，在自然狀態(tài)下如果受到外力的作用，特別是剪切力和拉壓力的作用時(shí)很容易產(chǎn)生流動(dòng)變形。顯然，軟土路基材料的抗壓和抗剪能力較弱，如果受到較大的動(dòng)靜荷載，超過(guò)了其材料的穩(wěn)定極限，將會(huì)導(dǎo)致路基及其上部結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)而損毀。我國(guó)是一個(gè)大陸地區(qū)縱貫北緯22°～53°33′，從亞熱帶雨林到寒帶季風(fēng)氣候，特別是海岸線長(zhǎng)達(dá)數(shù)千公里的氣候各異且地形地貌廣大多樣的大國(guó)，軟土地貌復(fù)雜且多見。為了發(fā)展現(xiàn)代道路交通事業(yè)，研究軟土地質(zhì)的特性，不斷提高和逐步完善軟土地基處置的施工工藝和技術(shù)水平（包括專用機(jī)械設(shè)備），從而有效提升道路基層的穩(wěn)定性及承載能力[1]，對(duì)道路交通事業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義。

2 對(duì)軟土地基進(jìn)行加固是路基前期施工的主要內(nèi)容

根據(jù)不同等級(jí)的道路，我國(guó)對(duì)其基層的壓實(shí)強(qiáng)度規(guī)定了相應(yīng)的數(shù)據(jù)指標(biāo)（JTG B01—2019），其中二級(jí)及以上高等級(jí)道路的技術(shù)指標(biāo)相對(duì)較高。顯然，由于軟土地基物料組成的基本特性決定了其強(qiáng)度較低和穩(wěn)定性較差，在壓實(shí)過(guò)程中容易出現(xiàn)向四周散射的流動(dòng)性，材料的失穩(wěn)使得路基的壓實(shí)指標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。有鑒于此，對(duì)軟土地基進(jìn)行加固是十分必要的。加固工程應(yīng)當(dāng)提前在道路的設(shè)計(jì)和施工之前勘測(cè)和預(yù)知，并提出設(shè)計(jì)和加固的方案，完成施工圖設(shè)計(jì)和選擇決定合適的施工工藝（包括材料的選取、合理的礦料級(jí)配和專用設(shè)備的配套作業(yè)等），從而保證加固工程的質(zhì)量和有效性。

3 軟土地基的加固措施

大量實(shí)體工程表明，軟土地基的加固必須遵從的原則有二，一是工程方案的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量降低路基的設(shè)計(jì)標(biāo)高。眾所周知，自然（或人為建設(shè)）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的優(yōu)劣與其幾何高度的高低成反比，所以盡可能降低路基的設(shè)計(jì)標(biāo)高會(huì)有效提升路基的穩(wěn)定性。二是在保證路基抗壓強(qiáng)度的前提下，使用較輕質(zhì)量的材料（如筆者所在的山西地區(qū)大部為多品種石質(zhì)山區(qū)，但玄武巖、砂巖、青石、石灰石等礦料的比重通常為1.6～2.2，差別較大）填筑路基，能夠有效減輕路基的靜荷載。

當(dāng)然，軟土地基所處地段的地質(zhì)條件比較惡劣，除了上述工程遵從的主要原則，在某些難以施工或施工后仍難以達(dá)到抗壓強(qiáng)度的特殊路段，應(yīng)采取下述工程方法予以加強(qiáng)。

3.1 樁基礎(chǔ)作業(yè)

在條件較為惡劣的地段可采用樁基礎(chǔ)提升地基的承載能力，目前該方法大多以現(xiàn)場(chǎng)旋噴注漿樁或預(yù)制水泥樁打入為主要工藝選擇。雖然工程成本較高，但加固效果更為突出，故在高等級(jí)道路，特別是高速公路工程中應(yīng)用較為普遍。如山西省晉中公路分局在208國(guó)道的汾河水網(wǎng)軟土地基施工中采用旋噴注漿樁加固工藝收到了良好效果。

采用旋噴注漿樁工藝作業(yè)對(duì)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件有一定限制，一般要求地基為淤泥、砂礫、沙土或其混合物，這些物質(zhì)強(qiáng)度和硬度不大，能夠使鉆桿容易深入并旋轉(zhuǎn)注漿作業(yè)。使用的水泥不能低于425號(hào)的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)（即混凝土成樁養(yǎng)生期后的抗壓強(qiáng)度不低于42.5 MPa），同時(shí)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)赝临|(zhì)和含水量的不同進(jìn)行水灰比設(shè)計(jì)，其技術(shù)參數(shù)應(yīng)經(jīng)過(guò)試樁測(cè)試后確定。長(zhǎng)期以來(lái)，旋噴注漿樁的成樁因工藝和參數(shù)選擇問(wèn)題經(jīng)常出現(xiàn)廢樁或偏差較大，因此其施工工藝和技術(shù)參數(shù)應(yīng)進(jìn)行必要的優(yōu)化以保證施工質(zhì)量。首先，樁機(jī)的基礎(chǔ)必須穩(wěn)定并以水平儀校準(zhǔn)，這是保證鉆桿以鉛垂角度鉆進(jìn)的前提（鉆桿與水平線的鉛垂誤差應(yīng)小于等于1.5%）。樁機(jī)作業(yè)時(shí)，其鉆桿只能承受由電機(jī)或液壓馬達(dá)傳遞來(lái)用于旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的扭矩，而不能承受橫向彎矩，這是保證工程質(zhì)量，更是確保設(shè)備和作業(yè)人員施工安全的前提。21世紀(jì)初山西省某道路施工單位承擔(dān)的一項(xiàng)黃河支流軟土地帶注漿工程就曾因基礎(chǔ)欠穩(wěn)而使鉆桿受彎出現(xiàn)變形損壞的情況。國(guó)內(nèi)道路施工部門此類現(xiàn)象常見報(bào)道，所以必須引起高度注意。

有鑒于大量實(shí)體工程的作業(yè)分析，為了杜絕施工風(fēng)險(xiǎn)，筆者認(rèn)為應(yīng)對(duì)鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度進(jìn)行必要的工藝優(yōu)化，即改鉆進(jìn)恒速為漸進(jìn)速度，以使鉆桿對(duì)地基的鉆入初始階段有一個(gè)必要的適應(yīng)過(guò)程，易于在可能出現(xiàn)鉆桿受彎情況時(shí)及時(shí)修正（特別是對(duì)可能的基礎(chǔ)欠穩(wěn)及時(shí)進(jìn)行穩(wěn)定處置），這對(duì)于抗壓強(qiáng)度較低且地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的軟土路基施工是十分必要的（圖1）。

圖1 旋噴注漿鉆桿鉆入漸進(jìn)速度的優(yōu)化曲線示意

另外，當(dāng)遇到硬度較大的地層時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)低鉆進(jìn)速度以保證施工安全和作業(yè)質(zhì)量。

3.2 排水措施

大部分軟土地基中含水量較大并呈現(xiàn)較差的排水狀況，所以在其路基的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工中，必須采取措施加強(qiáng)和保證其施工過(guò)程中和完成后的路基具有良好的排水能力[2]，這是保證道路達(dá)到設(shè)計(jì)承壓能力和使用壽命（包括有效抵抗道路的早期損壞）的重要舉措。在設(shè)計(jì)和施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)保證排水板在軟土地基中的布置（插入）深度、相鄰布置間隔距離和四周砂石鋪層的厚度，以保證基層中的水分盡可能快速排出，促進(jìn)軟土地基固結(jié)可靠。

3.3 添加劑混合處理

如本文前述，由于軟土地基較高的含水量，加之黃土高原地區(qū)的砂質(zhì)土易于流動(dòng)，塌落度較大，如果在其中添加一些以石灰和水泥為主要成分的添加劑，使其與軟土材料混合后再實(shí)施壓實(shí)作業(yè)，將會(huì)有效改善軟土地質(zhì)自身的團(tuán)聚效應(yīng)而加速固結(jié)，從而有效提升其土質(zhì)的穩(wěn)定性。

與水泥穩(wěn)定層相較，軟土地質(zhì)的處置數(shù)量和工程規(guī)模較大，故采用在材料基地拌合后運(yùn)來(lái)攤鋪的作業(yè)工藝難以實(shí)施，因此可采用路上摻拌找平壓實(shí)方法完成作業(yè)，其作業(yè)工序如圖2。

圖2 采用添加劑摻拌提升軟土土質(zhì)穩(wěn)定性作業(yè)工序框圖

除了上述處置方法，軟土地基的加固方法還有很多可以選擇，如材料換置充填法、壓密碎石注漿和多種加固方式混合處置等[3]。采用何種方法進(jìn)行作業(yè)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)赝临|(zhì)、材質(zhì)及專用機(jī)械設(shè)備保有和投入情況對(duì)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩種可行性進(jìn)行綜合考量后決定。

4 結(jié)語(yǔ)

21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)道路交通事業(yè)的快速發(fā)展使得很多地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和偏遠(yuǎn)（特別是三北地區(qū)）地區(qū)高等級(jí)道路的建設(shè)列入國(guó)家規(guī)劃并實(shí)施。由于我國(guó)國(guó)土面積廣大且地形、地質(zhì)、地貌和落雨情況各不相同，且軟土地帶的分布十分廣泛，因此研究和探討軟土地基的加固技術(shù)和施工工藝并使之不斷完善，是我國(guó)道路交通事業(yè)高質(zhì)量快速發(fā)展的迫切任務(wù)。