公路工程設(shè)計中軟土地基處理方法分析

何棟材

（安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230094）

0 引言

軟土地基之上建設(shè)公路，因為密實度較差，在長期地質(zhì)水文因素和長期交通荷載影響下，較易發(fā)生沉陷、塌陷、路面開裂等公路病害，影響公路使用壽命和交通運行安全，為此必須加強地基密實度，促進公路長期、安全運行。通過科學(xué)應(yīng)用地基處理技術(shù)，可達到良好的建設(shè)效果。

1 軟土地基的主要特點

1.1 高壓縮性

軟土地基具有高壓縮性，相關(guān)研究認為，軟土具有較大孔隙和較高含水量，同時容重顯著低于常規(guī)地基，在此類地基土壤中存在豐富腐殖質(zhì)、微生物與可燃氣體等，受此影響，地基壓縮性較高，而且需要較長時間才能具有較好穩(wěn)定性。在一定條件下，通常軟土塑限值與地基壓縮性呈正相關(guān)。

1.2 透水性差

此外，軟土地基透水性不理想，地基中水分不易滲出，垂直層面基本無透水，因此不利于排水固結(jié)，在實際建設(shè)中，此類路段需要更長時間沉降。不僅如此，在加荷初期，較易發(fā)生孔隙水壓力過高的情況，對地基強度造成消極影響。

1.3 觸變性

觸變性也是軟土地基常見缺點，因為軟土屬于絮凝狀沉積物，具有顯著結(jié)構(gòu)性特點，當(dāng)外界因素破壞原狀土后，其結(jié)構(gòu)強度也受到顯著消極影響，因此此類地理環(huán)境在受到多因素擾動后較易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，降低原有強度，嚴(yán)重時可在短期內(nèi)呈現(xiàn)稀釋狀態(tài)，此種特點即為觸變性，是軟土的典型特點之一。因此，一旦軟土地基受到振動荷載影響，發(fā)生側(cè)向滑動、沉降的風(fēng)險較高，此外還可能發(fā)生底面兩側(cè)擠出的情況。軟土地基除上述特點外，還具有流變性，即持續(xù)受到一定荷載影響，軟土地基變形逐漸加重，表現(xiàn)為瞬時強度較高，長期強度較低。此種結(jié)構(gòu)不利于建設(shè)穩(wěn)定的邊坡、堤岸或者碼頭等，公路要求具有較高荷載量，因此更需要針對性處理此類問題，加強抗剪強度和地基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。不均勻性也是該類地基常見特點，軟土層內(nèi)部含有大量粉細砂透鏡體等，垂直方向、水平方向具有顯著差異，在此種環(huán)境中建設(shè)公路工程，較易發(fā)生不均勻沉降。

除上述特點外，軟土地基還具有抗剪強度低的特性，因為具有此種特性，必須在施工過程中進行現(xiàn)場原位試驗，測量抗剪強度。

2 改造軟土地基的必要性和基礎(chǔ)計算方法

2.1 改造的必要性

在公路工程建設(shè)中，應(yīng)針對其上述特性采取技術(shù)性措施，增強地基穩(wěn)定性，以保證工程投入使用后的安全，促進工程長期服役，節(jié)約養(yǎng)護成本，促進高質(zhì)量交通運輸。公路工程建設(shè)環(huán)境多樣化，其中有許多路段為軟土地基，在優(yōu)化處理軟土地基時，應(yīng)科學(xué)選用合適方法，結(jié)合地基實際情況進行綜合處理，提高公路地基穩(wěn)定性，提高建設(shè)質(zhì)量。在施工中靈活選擇處理方法和規(guī)范應(yīng)用處理技術(shù)具有必要性。與常規(guī)地基相比，軟土地基具有獨特的結(jié)構(gòu)和特性，分析其力學(xué)特性對于改善軟土地基應(yīng)用效果具有積極意義。

2.2 基礎(chǔ)計算方法

在評估地基承載力時，通常通過載荷試驗，聯(lián)合使用公式或者原位測試等方法，并綜合工程實踐經(jīng)驗進行評估。對于基礎(chǔ)寬度超過3m，或者基礎(chǔ)埋深超過0.5m 的，通常需要予以分析修正。完成修正的地基承載力特征值描述為fa，地基承載力描述為fak，基礎(chǔ)寬度修正系數(shù)描述為b，基礎(chǔ)埋深修正系數(shù)描述為d，基礎(chǔ)底面下方土重度描述為γ，基礎(chǔ)底面寬度描述為ηb，基礎(chǔ)底面上土平均加權(quán)重度描述為γm，基礎(chǔ)埋深描述為ηd，則采用式（1）進行修正：

3 軟土地基處理常用技術(shù)

3.1 強夯法

所謂強夯法，即在建設(shè)公路工程時利用夯實作用增強地基結(jié)構(gòu)緊密度和穩(wěn)定性，增強公路承載力。公路工程中地基的最重要性能是其承載力。公路工程建設(shè)中如果地基松軟度較高將影響公路使用性能，因此必須對地基松軟區(qū)域進行強夯法加固，從而增強地基承載力，提升公路建設(shè)質(zhì)量。在采用強夯法進行地基處理施工時，根據(jù)地基松軟程度和土層結(jié)構(gòu)，科學(xué)控制落錘高度和力度，使用重錘設(shè)備向下用力砸擊路面。落錘對土地結(jié)構(gòu)造成影響，從而有效提高地基土層密度，降低地基松軟度，夯實地基。強夯法是軟土地基處理中應(yīng)用比較廣泛的處理方法，施工效果較好。此種處理方法的主要缺點是施工噪音和振動較大，不宜在人口密集地區(qū)使用，并且對飽和的粉土和黏性土無明顯加固效果。

3.2 排水固結(jié)法

在公路工程地基建設(shè)中，排水固結(jié)法也比較常用。應(yīng)用該處理方法時，需要在地基內(nèi)部插設(shè)塑料排水板，也可使用袋裝沙井，構(gòu)建此類結(jié)構(gòu)設(shè)施后，排水體垂直作用于建筑物的重量提升，通過此種方法夯實地基。在建筑物建設(shè)之前也可采用排水固結(jié)法，通常采用此法加強場地壓力。應(yīng)用該處理技術(shù)后，基層土中水分持續(xù)通過小縫隙流失，在此過程中土壤逐漸固結(jié)。土壤固結(jié)過程中，土地強度持續(xù)提高，同時地基相應(yīng)沉降，對地基沉降進行科學(xué)控制，同時聯(lián)合使用鋪筑沙土層等施工工藝進行處理，應(yīng)用效果較好。此種處理方法的局限性是預(yù)壓耗時較長，因此對于工期緊張的工程而言適用性相對較差。

3.3 換填法

換填法屬于地基處理中比較特殊的處理技術(shù)。應(yīng)用該技術(shù)清除局部地區(qū)軟性黏土，使用其他材料對該部位進行回填。在此種施工中，回填材料通常為具有較高硬度的砂土和碎石材料，回填后夯實處理，可保證地基具有較好的強度和穩(wěn)定性。換填處理方法通常不會優(yōu)先使用，在實際工程建設(shè)中，采用其他地基處理方法未能達到良好效果時可采用此種方法。采用此種方法時，需要首先清除路段中的軟土地基，然后重新回填砂石材料，后續(xù)聯(lián)合使用強夯法或者排水法提高地基強度。換填法通常在黃土、淤泥地基中使用，作業(yè)流程比較復(fù)雜（見圖1）。

圖1 換填法施工

3.4 振密法

振密法也稱為擠密法，在此種處理方法中，通常需要根據(jù)工程實際情況綜合實施爆破、夯擊、擠壓以及振動等手段，通過針對性處理提高區(qū)域土體密實度，從而增強土體抗剪強度等。通過應(yīng)用此種地基處理方法，可縮小地基壓縮性。在應(yīng)用此類技術(shù)時，首先使用機械振動樁管使其深入土層形成孔洞，然后灌入砂、碎石、石灰等材料，灌注材料后保證材料擠入土中，從而構(gòu)建大直徑擠密樁。在土層中建設(shè)此種樁管，可對周圍土壤造成擠壓，從而改善骨架強度，降低局部地基壓縮性，同時增強抗剪強度。此種方法應(yīng)用后具有較大規(guī)格的擠密樁斷面，承載力較強，變形模量比較理想，當(dāng)施工區(qū)域含有大量黏性土?xí)r，需要設(shè)置排水通道，促進擠密樁快速固結(jié)（見圖2）。

圖2 振密法施工

3.5 加筋法

此種方法適用于沉降量較小的路堤類工程，在高路堤建設(shè)中，適宜使用土工布墊隔后填土。通過加筋處理，可預(yù)防軟土地基向側(cè)向發(fā)生嚴(yán)重位移，促進地基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對地基產(chǎn)生側(cè)向約束作用，緩解應(yīng)力水平。應(yīng)用此種處理方法后，可提高地基剛度，促進地基穩(wěn)定性。通過此種處理可顯著增強地基橫向排水效果，促使荷載作用在整個地基中均勻分布。土工布覆蓋攤鋪處理基底法在改善地基剛度的同時，能有效維護邊坡，加速工程排水，促進地基穩(wěn)定。

4 案例分析

4.1 工程概況

某公路工程項目需要處理軟土地基路段長度為1750m。分析土層構(gòu)成情況，其中占比較高的是膨脹性亞黏土，含有部分卵石層，為沖洪積累而成。施工區(qū)域基層是石炭砂泥巖。總體結(jié)構(gòu)方面，軟土層中粉土較多，透水透氣性不良，具有較大壓縮比例，承載力顯著低于公路建設(shè)需求。在地基施工中必須加固軟土，根據(jù)建設(shè)目標(biāo)優(yōu)化軟土地基，增強其穩(wěn)定性，降低滲透性。

4.2 設(shè)計施工方案

4.2.1 作業(yè)分析

勘察施工現(xiàn)場水文地質(zhì)情況，劃分工程地質(zhì)分區(qū)，根據(jù)施工現(xiàn)場實際地質(zhì)條件和建設(shè)施工條件科學(xué)設(shè)計施工方案。全面分析設(shè)計方案可行性，對于施工中難以執(zhí)行的方案，相應(yīng)開展勘察勘探工作，結(jié)合勘察結(jié)果優(yōu)化設(shè)計方案。通過工程分析認為，該工程軟土地基處理方案適宜采用綜合處理方法，即進行換填砂墊設(shè)基層，使用碎石樁進行加固處理，以及使用土工格柵加固等。施工前，全面分析工程建設(shè)需求，對建設(shè)材料進行檢測和質(zhì)控，確保建材數(shù)量和質(zhì)量符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，檢測設(shè)備性能狀態(tài)，同時要求操作人員符合設(shè)備使用資質(zhì)，然后按照規(guī)范流程施工。

4.2.2 換填土處理

該工程中部分建設(shè)區(qū)域軟土地基較淺，其中包括低洼水源地帶、雜填土區(qū)域以及暗溝等。上述區(qū)域地基承載力較差，較易發(fā)生結(jié)構(gòu)形變，不符合工程建設(shè)預(yù)期。此外，軟土層厚度不足，根據(jù)工程實際情況，決定通過換填加固方法處理軟土地基。設(shè)計施工流程為，首先平整場地，做好施工準(zhǔn)備，然后分層換填材料，攤鋪整平，最后灑水、晾曬并且采用機械予以碾壓處理，壓實地基。完工后檢測砂墊層，保證地基建設(shè)穩(wěn)定。

建設(shè)中換填土采用中粗砂礫，施工前取樣分析礫類土場，測定其中含砂量和有害物質(zhì)，根據(jù)實際施工需求選擇換填砂。平整場地后將施工區(qū)域雜物清除，換填區(qū)域兩側(cè)開挖邊坡，坡度為1∶0.5，總體上平整基底。基坑施工完工并且驗收后，以設(shè)計方案工藝參數(shù)為依據(jù)，分層填筑填料，壓實厚度要求為25cm。根據(jù)設(shè)計方案對砂礫石用量進行控制。推土機推平填料后，刮平機二次平整填料，使填層厚度規(guī)格和表層平整度達到設(shè)計要求。按照設(shè)計要求監(jiān)控填料含水量，當(dāng)含水量過高時自然晾曬一段時間降低含水量，反之則使用灑水車補水提高含水量。換填結(jié)束后實施機械碾壓操作，提高墊層密實度。儀器檢測底層地基系數(shù)、壓實系數(shù)，按規(guī)范執(zhí)行工程驗收。并在砂墊層兩側(cè)建設(shè)臨時排水溝促進施工過程中順利排水。

4.2.3 碎石樁加固

在碎石樁加固施工中，主要是處理黏性土路段。在施工時，首先平整場地并鋪設(shè)砂墊層，其次設(shè)置定位樁，以樁基為基礎(chǔ)打設(shè)鋼管柱，然后將碎石樁埋入，最后填筑地基。在此施工環(huán)節(jié)中，平整場地和鋪設(shè)砂墊層和前述砂礫土換填操作方法一致。完成上述步驟后，觀察碎石樁布設(shè)間距和建設(shè)范圍，采用小木樁進行單個樁定位。布設(shè)機械設(shè)備時，采用從低處向高處的布設(shè)原則。利用設(shè)備定位樁錘中心，確保其與地面間距合理。采用機械打樁法打樁，吊起樁管后準(zhǔn)確定位打樁位置，然后開錘。在施打作業(yè)時科學(xué)控制錘擊頻率，通常控制為30～70kN，輕緩落錘，監(jiān)控落錘角度，確保樁管垂直插入地面。拔管時應(yīng)持續(xù)使用振動棒對管中碎石進行搗實，提高碎石密實度。在此作業(yè)中一旦發(fā)生碎石量不足或者碎石樁斷裂的情況，后續(xù)應(yīng)在原施工點實施復(fù)打操作。拔出樁管后，在砂墊層豎直埋入碎石樁，要求樁頂露出井口不低于30cm，根據(jù)具體設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)鑿除超高部分。完成碎石樁施工后實施地基填筑作業(yè)。

4.2.4 土木格柵作業(yè)

土工格柵作業(yè)中，基礎(chǔ)步驟為首先平整場地，然后測量土地放樣，最后采用平鋪作業(yè)方法進行土工格柵鋪設(shè)施工，要求嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)流程。場地平整中確保地基整潔，在測量放樣過程中使用白石灰標(biāo)記界線，選擇寬幅筋材，土工格柵鋪設(shè)時依據(jù)垂直堤軸線進行鋪設(shè)。根據(jù)設(shè)計長度裁制材料，通常應(yīng)避免出現(xiàn)拼接縫。采用搭接法橫向連接材料，搭接重合部位規(guī)格通常控制為40cm 左右。在進行土工格柵鋪設(shè)施工時，嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙要求，人工拉緊材料并且使用插釘進行固定，保證鋪平，防止出現(xiàn)褶皺以免影響平整度。鋪設(shè)土工合成材料后，檢驗鋪設(shè)質(zhì)量，驗收合格后在規(guī)定時間內(nèi)進行填料填筑作業(yè)，通常應(yīng)在48h之內(nèi)完成材料鋪筑。如果材料鋪筑不及時，將導(dǎo)致太陽長時間暴曬土工合成材料影響材料性能和使用壽命，因此應(yīng)及時完成后續(xù)施工。使用輕型推土機攤鋪第一層填土，將填料卸在目標(biāo)區(qū)域后應(yīng)及時攤鋪，預(yù)防局部下陷。

5 結(jié)語

綜上所述，公路工程中為提高軟土地基穩(wěn)定性，構(gòu)建結(jié)實穩(wěn)定的地基結(jié)構(gòu)，需要科學(xué)處理軟土地基。在實際工程建設(shè)中可選擇多種技術(shù)方法加固地基，應(yīng)綜合分析工程情況，根據(jù)具體地質(zhì)環(huán)境與施工條件等，科學(xué)應(yīng)用技術(shù)和控制工期進行高質(zhì)量施工。