浅谈软土地基处理常用的方法及选择时应注意的问题

朱建军

(河北通达监理工程咨询有限公司)

1 前 言

在路基设计和施工中,常会遇到软土地基的处理,如果软土地基的处理方法采用不当,不仅浪费了资源,起不到应有的作用,还会造成路基的破坏。因此,在路基设计和施工中,对软土地基的处理方法的选择上要特别慎重。

2 选择软土地基处理方法应注意以下几个问题

2.1 软土地基处理后对路基作用的认识

(1)路基在施工和使用期间应该是稳定的,不因填筑荷载、施工机械和交通荷载的作用引起路基的失稳、破坏,也不应由于路基的过大变形,引起桥台、涵洞、挡土墙等构造物及沿线各种设施过大的变形。

(2)在可以不进行软土地基处理的情况下,为了避免路基沉降造成涵洞、挡土墙等构造物变形破坏,首先应考虑提前填筑路基,在其充分沉降后再修筑构造物的路基施工方案。

(3)高等级公路严格限制了路基在规定年限内的工后剩余沉降量,对工后 15～20年的剩余沉降量通常采用如下标准:一般路段 30cm,桥头 10cm,过渡段沉降坡差小于2‰。这样就可避免路面的变形破坏,以及连接桥梁、涵洞等构造物的引道路基产生不均匀沉降。

(4)在软土层较厚且沉降历时较长的地区及大范围的软土地区,有时将工后剩余沉降量控制在要求的范围内是很困难的,或者虽能控制但不经济时,则应考虑对路基进行堆载预压或超载预压、设置桥头搭板、铺筑临时性路面、加强养护等修建方案。

(5)在没有一定厚度硬壳层的软土地基上,不宜直接修筑填土高度小于 2～2.5m的低路基。这种低路基在交通荷载作用下,可使路面发生较大的不均匀沉降,特别是当软土层不均匀,重型车辆交通较大时,引起路面破坏。

2.2 软土地基处理方案确定的步骤

首先要进行水文地质堪察,搞清地基的工程地质和水文地质条件,这是搞好路基设计、施工的关键。地基处理方案的确定一般按下列步骤进行。

(1)搜集详细的工程地质、水文地质及地基基础的设计资料。如地形及地质成因、地基成层状况;软土层厚度、不均匀性和分布范围;持力层位置及状况;地下水情况及地基土的物理和力学性质。

(2)根据地基处理的目的(如解决路基变形或稳定性问题)、使用要求(如工后沉降量及差异沉降量)、结构类型、荷载大小等,并结合地形地貌、地层结构、土质条件、地下水特征、周围环境和相邻建筑物等因素,初步选定几种处理方案。

(3)对初步选定的各种处理方案,分别从处理效果、材料来源、机具条件、工程进度、环境影响等方面进行技术经济比较,根据安全可靠、施工方便、经济合理的原则选择最佳处理方案。

(4)对已选定的处理方案,根据道路等级和场地复杂程度,可在有代表性的场地上进行相应的现场试验,通过试验,检验设计参数和处理效果如达不到设计要求时,要查找原因,采取措施或修改设计。试验工程的修筑也可为大规模施工积累经验,提供设计依据和控制指标。在软土地基处理施工之前,如软土地基地质情况比较复杂、或水文条件变化较大、或工程规模很大、或沉降量控制的精度要求较高,有必要在施工前重新进行地质水文情况调查,如与设计不同,应重新确定软土地基处理方案,并报监理工程师及业主批准。在正式施工之前,应考虑在现场修筑试验路基,并对其稳定和沉降情况进行观测,以便根据观测结果选择适当的处理方案,或对原来的处理方案进行必要的修正。

2.3 软土地基处理方法和适用范围

高等级公路软土地基处理方法根据加固原理、所起作用及适用范围的不同可分为如下几种。

(1)清除换填法。此法适用于软土层较薄,底部为硬底的地基。换填的材料可根据地基底部的软弱程度换填砂砾、碎石、石灰土等材料。

(2)抛石挤淤法。适用于湖塘、河流或积水洼池、常年积水且不宜抽干,软土层厚度薄的情况。此法采用的片石不宜小于 30cm,抛填时,自中线向两侧展开,横坡陡于 1∶10时,自高向低展开抛填,使淤泥向两侧挤出,片石抛出水面后应用小石块填塞垫平,以重型压路机碾压,其上铺设反滤层,再进行填土。有时候为了防止水分浸入路基中,也要对路基边坡进行防护。

(3)排水固结法。适用于软粘土、淤泥和淤泥质土地基。此法是在软土地基中设置竖向排水系统(如插设塑料排水板、袋装砂井等)和水平横向排水系统(砂垫层),在逐层填筑路基,在路基荷载的作用下使土体排水固结、密实,强度增长,地基承载力提高,可有效减小工后沉降。若采用大于路基及工作荷载的超载预压方式预压,可进一步减少工后沉降,并可减小次固结沉降。排水固结法的竖向排水系统和横向排水系统必须同时发挥作用,这就要求施工过程中,不能出现断板、断井现象,地基表面一定要有一定的平整度和拱度,以确保水能够排出路基之外,充分发挥该体系的作用。

(4)超载预压法。可直接作为一种处理软土地基的方法,也可与其他处理软土地基的方法共用。直接作为一种处理软土地基的方法,适用于表面有硬壳层、软土下埋较深、较薄的软弱地基;与其他处理软土地基的方法共用,适合各种复杂的软基处理方法。在设计上对超载预压土的几何尺寸往往忽略,而且预压土的填筑要求要达到 90%的压实度,这对工期要求特别紧的高速公路来说是不现实的,也是不必要的,只需确定预压土的堆载重量和堆积范围就可以了,对其压实度可不做要求。另外,超载预压期按规范规定不应低于6个月,且必须进行沉降观测,地下水压力观测,地基侧位移观测,变形稳定后才允许卸载。

(5)反压护道法。反压护道是在路堤一侧或两侧填筑一定宽度和高度的护道,运用力学平衡原理,平衡路堤自重作用而产生的滑动力矩,以提高路基的稳定性。反压护道一般采用单级形式,其高度不应超过极限高度,适用于路堤高度不大于极限高度 5/3倍的情况,单级反压护道的高度宜采用路堤高度的 1/3～1/2,宽度通过稳定性计算确定,且应注意满足路堤完工后的沉降要求。

(6)强夯法。适用于碎石土、砂土、低饱和度的粉土、粘性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土地基。此法是采用质量为 10～40t的夯锤从高处自由落下,地基土在强夯的冲击力和振动力作用下振实、挤密,部分土体液化,水分从地基中排出,从而提高了地基的承载力,减少沉降。强夯法处理软土地基正式施工前必须进行试验,以确定加固深度、加固范围、最佳夯击能、夯击遍数、间歇时间等强夯参数。规范规定:最后两击夯沉量不应超过其平均值 5cm,在施工过程中一定要加强观测;强夯施工结束后间隔一定时间后必须对地基承载力进行检测,对于碎石土和砂土地基,间隔时间为最少7～14d,对于低饱和度的粉土和粘性土、湿陷性黄土地基间隔时间为最少 14～28d。

(7)深层搅拌法。适用于淤泥、淤泥质土和含水量较高、地基承载力标准值不大于 120kPa的粘土、粉土等软土地基,用于处理泥炭土或地下水具有侵蚀性时,应通过试验确定其适用性。此法是利用深层搅拌机将水泥或其他固化剂与地基土原位搅拌形成圆柱状、格栅状或连续墙状土的增强体,形成桩土复合地基以提高地基承载力,减小沉降。从深层水泥搅拌桩加固效果来看,浅部存在硬壳层时,其复合地基加固效果一般较好,为了减小不均匀沉降,最好在搅拌桩顶铺设砂垫层,砂垫层上增铺土工织物。深层水泥搅拌桩质量控制的重点是施工过程中要严格控制水泥用量、水泥浆的比重、复搅次数及成桩的均匀性,水泥桩的下部桩体由于地基下部软土的含水量高、土质差难以成型,或强度偏低;深层水泥搅拌桩施工完成 28d后,一定要按规范规定频率做钻孔取芯试验和复合地基承载力试验。深层搅拌法分喷浆搅拌法和喷粉搅拌法 2种。

(8)碎石(砂)挤密桩法。适用于不排水抗剪强度不小于 20kPa的粘性土、粉土、饱和黄土和人工填土地基。此法是利用机器在地基中成孔,在孔内填入砂、碎石等粗粒料,利用沉管的振动、抽插,使孔中的骨料密实,形成桩体,同时周围的土体也被挤密了。桩体与桩间土形成复合地基,以提高地基承载力,减小沉降。碎石(砂)挤密桩施工过程中,不允许出现断桩,规范规定灌入成孔中的粗粒料为大于成孔体积的2倍;碎石(砂)挤密桩完成后间隔一定时间必须做复合地基承载力试验,间隔时间一般最少为 7～14d。

(9)强夯置换法。适用于人工填土、砂土、粘性土、黄土、淤泥和淤泥质土地基。此法是边强夯边填粗粒料,粗粒料可为碎砾石、建筑垃圾等具有一定级配的坚硬颗粒,粗粒料被夯入地基中,在地基中形成粗粒料墩体,墩体与墩间土及砂垫层形成复合地基,从而提高地基承载力,减小沉降。

(10)石灰桩法。适用于软土层较浅的杂填土,软粘土地基。此法是通过机械或人工成孔,在软弱地基中填入生石灰或生石灰掺合料,通过石灰的吸水膨胀、放热以及离子交换作用,改善桩周围土的物理力学性质,并形成石灰桩复合地基,从而提高地基承载力,减少沉降。

(11)低强度混凝土桩复合地基法。适用于各类深厚软弱地基。在地基中设置低强度混凝土桩,与桩间土形成复合地基。

(12)加筋土法。适用于各种软弱地基,在土体中埋置土工合成材料(土工织物、土工格栅等)、金属板条等形成加筋土垫层,增大压力扩散角,提高地基承载力,减小沉降。

(13)轻质路基。适用于具有一定承载力的软弱地基,用粉煤灰等轻质材料填筑路基,达到减轻路基自重,以减少路堤沉降及提高路堤稳定安全系数的目的。

2.4 选择软基处理方法应考虑的条件

为保证路基稳定或控制工后剩余沉降在选择处理方法时,除了考虑处理方法的特点、对地基的适用性和效果外,还应考虑公路条件、施工条件、经济性、可靠性等。目前,新技术、新工艺、新机具、新测试方法不断涌现,当开发、引进新的软基处治方法或进行软基处治方法比较时,应在大规模施工前进行现场试验,以验证该处治方法的可靠性,并验证设计参数、工艺参数作为施工时的控制指标,掌握必要的施工经验和施工工艺。

3 工程实例

石黄高速公路沧州至黄骅港段三合同段按照施工图设计,软土地基处理方法为水泥搅拌桩和强夯,施工单位进场后对软土地基的水文地质情况进行了调查,并做了软土地基处理试验段。发现 K25+460处 0～4.2m深范围内为低液限粘土,4.2～9m深范围内为高液限粘土,该段设计的软土地基处理方法为强夯,施工单位在该处做了试验段,处理效果没有达到设计要求。施工单位进行了原因分析:该段软土地基土质为低液限粘土和高液限粘土,虽然进行了强夯,但是土基中的水分难以从地基中排出来,达不到振实、挤密效果,因此没有达到设计要求的地基承载力。施工单位要求对该处理方法进行变更,变为深层水泥搅拌桩,理由是该段0～4.2m深范围内为低液限粘土硬壳层,且低液限粘土和高液限粘土都适合用水泥固化。监理工程师对此变更进行了批复,并报业主批准。深层水泥搅拌桩施工完成后 28d,检测单位对水泥搅拌桩的成型情况及复合地基承载力进行了检测,水泥搅拌桩成型情况良好,复合地基承载力满足设计要求。可见,在软土地基处理方法的选择上一定要根据具体的地质情况,选择可靠的处理方法,才能达到要求的处理效果。

[1] 公路软土地基路堤设计与施工技术规范JTJ017-96.人民交通出版社.

[2] 建筑地基处理技术规范JGJ79-2002.中国建筑工业出版社.