市政路橋工程軟土地基處置方法研究

雷芳芳

（廣東省建科建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

軟土地基在我國分布廣泛，主要分布于江、河、海水系周邊，在濱海地區和水系發達的長江中下游平原地區更為常見。軟土顆粒粒徑小，外觀呈灰色，天然孔隙比大于或等于1.0，天然含水量大于液限。它具有天然孔隙比大、高的特點壓縮性差，透水性差，土層層狀分布復雜，作為工程材料其抗剪強度較低，在市政路橋建設項目中難以直接被作為路基填料。因此，往往需要對軟土進行物理或化學改性，從而提高軟土強度，滿足設計施工要求。

對于軟土地基而言，由于土壤的高壓縮性和低滲透性，沉降會持續很長時間并積累到相當大的規模。因此，地基加固方法對控制路基的工后沉降起著重要的作用。

1 軟土地基常見處理方法

在工程建設中，傳統的軟土地基加固方法可以被分為置換法、加筋法、膠結法和加密法四大類。其中置換法是將砂或者碎石摻入軟土地基中的軟弱土層，用砂或碎石在土層中形成粗骨架結構，軟土作為細料填充骨架結構使土層形成整體的骨架密實結構，從而提高整體強度。加筋法則是在土層埋設一定的結構部件（如土工聚合物、拉筋、受力桿件等）從而提高整體土層的穩定度，減小沉降。膠結法的主要是通過水泥或者石灰改良，由于水泥在遇水后會產生一系列水硬性產物，如水化CaSiO3和水化Ca3Al2O6等，這些水化產物填充土體結構的孔隙，并進一步強化土顆粒之間的粘結作用，從而提高了土體自身的強度和抗水損害的能力。加密法在工程中的應用主要為強夯法，通過將10～40t 的重錘，以6～40m 的落錘距離下落給地基以沖擊力和振動，從而密實土層，使軟土的壓縮性降低，承載力提高。

2 軟土地基處理新方法

淺層軟土的地基改造技術包括清除和置換軟弱土、使用石柱、脫水技術、使用砂壓實樁、砂排水管或預制垂直排水管等。這些方法是根據所遇到的土壤類型、地下水位位置和場地中提出的結構類型選擇的。最近在一些研究表明微生物誘導碳酸鹽沉淀（MICP）等新方法表明，某些微生物可以改變土壤的力學性質。這主要適用于砂粒，因為砂粒的滲透性非常高，粒度也很大。但在軟粘土中的實驗表明，這一技術也可以用于軟粘土中作為黏合劑。在這種方法中，微生物被用來增加土壤顆粒之間的粘結，從而增加剪切強度，降低壓縮性。

2.1 微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）技術

微生物誘導碳酸鈣沉淀（Microbially induced calcium carbonate precipitation, MICP）是自然界中廣泛存在的一種生物礦化過程，而巴氏芽孢桿菌產生的尿素水解是最常見的礦化過程之一。巴氏芽孢桿菌可以利用環境中的尿素作為氮源，水解尿素產生大量自身代謝產生的活性較高的脲酶。氨（NH3）溶解到水中，產生銨離子（NH4+）和氫氧根離子（OH-），從而使局部pH 升高，形成堿性環境，導致鈣離子（Ca2+）和碳酸鹽離子（）發生化學反應，最終形成碳酸鈣沉淀。

具體反應過程如下：首先，巴氏芽孢桿菌在自身的代謝過程中會產生脲酶，在脲酶的催化作用下，尿素會加速水解形成氨和氨基甲酸鹽（NH2COOH），反應過程如式（1）所示。

由于甲基氨酸鹽及其容易水解，因此在溶液中會發生自發水解，生成碳酸與氨。由于氨極易溶于水，在溶于水后會電離出銨根離子和氫氧根離子，同時由于碳酸分子在環境中發生解離，形成氫離子和碳酸根離子，結合這兩種反應，整體pH 呈現出上升趨勢，溶液呈堿性，其過程如式（2）～式（4）所示。

最后，膠結液中摻入的可溶解性鈣鹽或土中游離的金屬離子（Ca2+、Mg2+等）與尿素水解產生的碳酸根離子（）產生化學反應，生成碳酸鹽沉淀。相應的反應過程，如式（5）所示。

在這些生化反應過程中，巴氏芽孢桿菌主要有以下兩個作用：①細菌。表面帶有大量負電荷，可吸附環境當中游離的金屬離子，并為碳酸鹽的沉積結晶提供晶核，以利于其生成碳酸鹽沉淀。②細菌分泌的脲酶有較高的活性，可催化細菌內部尿素水解，提高細菌周圍環境中的碳酸根濃度和溶液的pH 值，對細菌所需的堿性溶液環境進行良性調節。

國內外學者在MICP 方法的工程應用方面，展開了大量的研究。近幾十年來，微生物誘導碳酸鈣沉淀方法，被廣泛用于治理重金屬污染、修補裂縫、防滲、固砂和軟土改良等領域，并取得了很好的效果。蟻曼冰[1]開展了MICP 技術加固軟土性能的試驗研究，結果表明軟土在經過MICP 技術處理后，其抗剪強度提高1.15～4.86 倍。同時，其壓縮性隨養護時間的增多，降低愈發明顯，并且即使采用低濃度（0.3%）的菌液濃度對軟土進行加固，其壓縮特性也低于泥漿固結重塑軟土。

2.2 膠體二氧化硅處置法

隨著納米技術的發展，許多研究人員提出將納米材料引入地基處理，以改善土層的力學性能并降低液化風險。用于土壤處理的最便宜和最廣泛的是膠體二氧化硅（膠體二氧化硅）。膠體二氧化硅是一種功能強大的材料，膠體二氧化硅被用來穩定地面，通過注入土壤來減緩液化。膠體二氧化硅是二氧化硅顆粒在液相中的懸浮體，它們能夠形成氫鍵。通過調節溶液的pH濃度，可將二氧化硅顆粒轉化為凝膠。膠體二氧化硅在被誘導進入土壤時起吸水作用，因此防止土壤液化。也可用作高溫粘結劑。這是一種非常經濟有效的技術，因為膠體二氧化硅具有低粘度和無毒的特性，因此它不會污染地下水資源。

采用膠體二氧化硅處置軟土，需要在結構主體的兩側構造注入井和排出井，借助于地下水流和水力梯度，從地下水的上游方向注入膠體二氧化硅。膠體二氧化硅沿著地下水流方向流動，分布在地下土層中。從而對土顆粒形成了膠結和保護作用，同時，排出井的抽水會降低土層的含水率，形成排水固結效應。土層整體的承載能力得到提高，沉降量降低（圖1）。

圖1 膠體二氧化硅處置軟土結構

Zhao 和Wong[2-3]等人均對膠體二氧化硅處置土開展了試驗研究，研究結果表明，在較低的應力值（100kPa）下，膠體二氧化硅的存在減小了體積變形，增加了剛度。這是因為膠體二氧化硅灌漿粘土保持著土和膠體二氧化硅的不同子區域，這些子區域爭奪孔隙水，導致材料更加致密和堅硬。這種水分含量的差異隨著壓縮量的增加而減小，水被排出。

膠體二氧化硅的存在增加了峰值和極限抗剪強度，但不影響排水黏聚力。這可能是因為膠體二氧化硅的子區域阻礙了剪切面的形成，從而增加了峰值剪切應力，并且二氧化硅對二氧化硅接觸比土顆粒之間的接觸具有更高的摩擦阻力，從而增加了極限剪切強度（圖2）。

圖2 膠體二氧化硅混合土顆粒

2.3 化學電滲法

軟土地基處理的化學電滲法是在傳統電滲法的基礎上發展而來的。它的主要工作原理是在陰極和陽極電極附近分別注入化學溶液。在直流電場作用下，化學溶液發生化學反應，產生相應的沉淀物來加固土體，從而提高土體的強度，加快土體的固結速率。Ou[4]等人開展了一系列的化學溶液濃度、適宜土壤類型和處理效果的室內試驗，并豐富和完善了相應的施工技術。這項技術在國內的研究和應用仍處于起步階段。

3 軟土地基處理綜合處理方式

3.1 軟土地基處理材料

材料方面的發展主要體現在土工合成材料和灌漿材料方面。土工材料主要體現在土工合成針刺土工布、非織造土工布、PVC、EP、EVA 等新型土工膜、粘土襯墊（GCL）、塑料排水板等。注漿材料主要體現在超細、干磨、濕磨水泥、穩定漿體、膏體漿體等無機注漿材料的研究上。丙烯酸酯、酸性水玻璃、環氧樹脂、聚氨酯等已發展成為有機灌漿材料[5]。

3.2 復合負壓固結技術

在工程中面對含水量大、滲透能力差、零承載力的軟土體時，常規的地基處理方法無法進行，地基處理面臨諸多困難。針對這一問題，許多學者提出了復合負壓固結技術。該工藝包括改良真空預壓、電滲透脫水和動態固結三道工序。改良真空預壓可使基礎初步固結并具有一定強度，為后續工作做好準備。

電滲脫水可以有效降低夯筑前的地下水位和土壤含水量，促進夯筑后超孔隙水壓力的消散。

采用電滲脫水和動力固結多次耦合的方法對挖泥船填筑地基進行加固。研究結果表明：將改良真空預壓法應用于挖泥船填方地基處理時，可迅速提高地基承載力，電滲法可迅速降低地下水位，有效避免強夯過程中“彈簧土”現象的發生，從而提高最佳夯擊能。復合負壓固結技術可有效地應用于新填軟土地基。

3.3 表面預處理竹網技術

在生態環境建設的大背景下，軟土處理的材料逐漸向生態化，可再生化發展，鑒于此，表面預處理竹網技術被應用于處理表層軟土，實現了工程需求和生態環境發展的有機結合。

表層軟土常用的預處理技術有多層土工格柵+土工布+砂墊層技術、荊棘和竹套預處理技術、無砂真空預壓等。表面預處理竹網技術是一種基于筏板技術的表層預處理技術，它將垂直的竹子插入軟土中，使竹網成為框架竹網結構。由于該技術使竹筏成為三維框架，竹網絡趨于在平面內穩定。表面預處理技術對于改良含水量大于100%的流動性軟土和軟土地基具有很強的現實意義。

超軟地基表層竹網加固技術的主要工藝流程如下：①在軟土表面鋪設一層編織布。編織布的作用主要是在軟土表面形成工作面。②鋪設垂直竹網。竹網間距相同。竹的厚實部分重疊在竹網中較細的部分。搭接長度大于1m。用鋼絲綁扎搭接段。綁扎鐵絲的方向必須相反。③首先，在竹網上鋪一層編織布。隨后，在竹網上鋪設沙墊層。鋪設砂墊層需要使用小型設備。在中間區域鋪設道路后，鋪設兩側。同時，要防止竹網邊緣隆起。

在汕頭某工程試驗段的原位試驗結果表明，在竹網鋪設前，軟土表層承載力平均為7.7kPa。3 個月后表層承載力平均為32.6kPa。根據上述計算值，3 個月后軟土表層承載力比早期處理提高323%，比未處理提高695%。結果表明，表層承載力改善效果突出。

4 結語

本文通過對一系列軟土地基處理方法的簡要介紹，著重介紹了新技術、新方法、新材料的研究和使用前沿，得出以下結論和建議。

（1）隨著加固方法的不斷改進和發展，軟土地基處理從單一的加固方法逐漸發展為多種方法的復合形式，并從單一的物理加固方法逐漸轉變為物理加固法和化學加固法的結合。

（2）隨著材料科學的發展和國家節能環保管理的加強，軟土地基處理手段正從高能耗、高污染技術逐步向低碳、人與自然和諧發展的新技術發展。

（3）隨著管理方法的創新，軟土地基處理從消耗大量人力、材料和費用逐步發展到實現機械、經濟的方法。

（4）隨著沿海城市填海工程和跨海橋梁工程的興起，在建設中會面臨更的軟土的問題，需要相關工程技術人員和單位加大技術經濟投入。