软土地基加固方法与支护技术的发展方向

李 波

(中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁 沈阳 110136)

1 引言

建筑物以及作用于其上的载荷通过基础传递到地基，因此，地基对于建筑有着举足轻重的作用。不规范处理地基会给建筑物造成危害。不均匀沉降导致建筑物倾斜，沉降过大等危害会造成严重的经济损失甚至危及生命。因此，地基的质量决定着一个工程的好坏。

软土是指天然含水率大，压缩性高，承载能力低的一种软塑到流塑状态的黏性土，如淤泥、淤泥质土、淤泥质粉土、泥炭、泥炭质土等具有高压缩性的饱和土。主要分布在湛江、宁波、温州、福州、泉州、香港、澳门、温州湾、舟山、连云港、天津塘沽、大连湾、长江中下游的上海地区、珠江下游的广州地区等沿海地区。当工程遇到软土时需要进行加固。

2 软土地基加固方法

软土地基加固的方法分为以下几种：(1)换填垫层法：挖出浅层性质不好的土，换填性质好的中粗砂，碎石等。(2)挤密压实法：有表层压实夯实振动密实法、重锤夯实法、强夯法、沙桩、震冲法几种。(3)排水固结法：砂堆载预压法、砂井、真空预压法、降低水位法、电渗法。(4)搅拌桩法：粉体喷射搅拌法、水泥浆搅拌法、高压喷射注浆法。(5)灌浆胶结法：硅化法、水泥灌注法。此外还有土工格栅、土工格室加筋法，热加固法，冻结法等。

某工程项目全长18.3 km，总投资达2.95亿元，其中三分之二的路基为软土路基，可能造成松胀、膨胀、冻胀翻浆、溶蚀及基床危害。针对这一情况，对于软土处于路基浅部且厚度不大的路段，采取换土垫层法加固。挖除一定厚度的软土层，用性质较好的中粗砂或者碎石进行分层回填，每层15～25 cm，达到最佳含水率时进行机械碾压或者振动夯实。黏土的粒度较小，由于电荷的作用，能将水吸附在其表面形成强结合水和弱结合水，其中弱结合水是黏土具有可塑的成因，因此当路基中含有大部分黏土颗粒时，土中水不容易排除，大大影响了路基的承载能力和刚度，需进行处理。中粗砂粒度较大，对水的敏感性小于黏土，而且在饱和情况下，固结时间远小于黏土，能够较快地在荷载下完成沉降，比黏土具有更高的稳定性。因此，用中粗砂进行软土地基处理效果好，而且可以就地取材，方便又经济。

对于饱和黏土厚度较大的区域，可以采取砂桩挤密，碎石桩挤密，混凝土桩挤密，或者粉喷桩进行加固。桩体对饱和黏土地基起到置换作用，软黏土地基具有颗粒细，摩擦力小，有黏聚力，透水性差，变形较大的特性，桩体打入土内后，由于其强度远远大于周边土体的强度，根据共同受力的原则，土体承受力小而桩体承受的力大，同时通过挤压作用，施加于软土路基的超静孔隙水压力，可以通过砂桩和碎石桩增加排水路径排除，不仅加快了土体的排水固结速度，而且增强了土体的稳定性，其抗剪强度远远高于不加桩土体。但砂桩和碎石桩由于强度靠桩和土共同承受，其强度低于混凝土桩。根据本工程的实际情况，选用水泥搅拌桩加固，通过优化浆液配比，降低水泥用量，增加可泵性。添加具有防腐防侵蚀的粉煤灰，既保证了水泥桩的质量也减少了成本。掺量如下：水泥41.6 kg/m，粉煤灰掺量22.4 kg/m，水灰比：0.54，喷浆搅拌下沉速度0.6～1.0 m/min，搅拌提升速度0.8～1.0 m/min ，送浆压力保证0.4～0.6 MPa，采用单向深层搅拌桩机及其配套设备进行施工，水泥搅拌桩的施工机械按照试桩工艺进行。

另外一些饱和软黏土较厚的路段，还可以采用排水固结法对软土地基加固处理，其原理是通过排除土中水来增加土体的密实度，增大土的承载极限。主要方法有真空预压法，该法通过真空形成的压力差，促使土中水通过管道排出。还可与堆载法联合使用，通过堆载给土体施加了超静孔隙水压力，加快土体水的排除，还可以通过挤密砂桩或碎石桩结合垫层进行排水，既加固了地基，提高承载力，又能排水，改善地基土的性质。应用新开发的抗液化刚性排水桩在刚性桩的侧面沿竖向设置凹槽，在凹槽中设置排水管，形成竖向排水通道。这一方法的优点是改善了碎石桩排水，而且在防止沙土液化方面效果显著，但其强度低，仅依靠土体的禁锢作用才能产生强度。

土体的破坏属于剪切破坏，因此考虑使用土工格栅形成加筋土提高路基的稳定性和提高承载能力。

现代加筋土技术是利用土中掺入的纤维材料来提高强度。

加筋土的破坏有两种，一种是筋材拉坏而使筋材和土体分离。由于筋材与土体之间的相互作用，加筋土的强度和稳定性较无筋土有极大的提高。而提高的原因有各种不同的理论和假说。筋土之间的作用机理可以分为两大类，一类是摩擦加筋，二是黏聚力原理，还有均值材料原理、弹塑性板层理论等。

土体在受力状态下产生向下位移，因为受力不均匀或者土体刚度小，力的扩散性不如木材或者混凝土类大，导致不一致沉降，在荷载作用下的中心位置沉降最多，向两边逐渐减少，这样就会产生一个反拱，会使筋材受到土体的压力，从而使筋材产生轴向拉力反作用于土体，相当于对土施加了一定的侧向约束，增强了土体的刚度和整体性，使得上部传来荷载的扩散作用明显增强，软弱下卧层的竖向附加应力分布更加均匀，使得软弱下卧层顶面的竖向位移与不加筋土体的比明显减少，且位移分布比较均匀、平缓，降低了软弱地基中的剪应力水平，抑制地基塑性区的扩展，从而提高了地基承载力，减小地基沉降量，增强地基及路堤结构稳定性，提高了稳定性和整体的刚度。

对于土质相对较好的路基，仅仅依靠土工格栅和碎石桩等加固方法效果就可能很好。但是，对于地质情况十分复杂的路基，效果会有限。因此可以碎石桩和土工格栅联合使用形成桩网复合地基，地基既有水平方向加强，也有竖向加强。实践表明，利用桩网符合地基处理，效果较好。因此，在软土厚度较大的地方使用桩网复合地基能够提高承载力，竖向变形减小且均匀，侧向变形减小。

软土地基中掺入水泥、石灰等，用喷射、搅拌等方法使之与土体充分混合和固化。或把一些能固化的浆液(水泥浆、水玻璃、氯化钙等)注入到地基土中空隙，以改善地基土的物理力学性质，达到加固土体的目的。加入化学试剂使土胶结，其强度和稳定性大大提高，提高了地基的抗剪能力。

3 支护技术的发展方向

虽然支护技术在近些年有了较快的发展，但对位置较深，地应力较大，地质情况复杂的地区的支护仍是施工中的难题，所以我们需要在现有的基础上研究出行之有效的支护方法。

3.1 理论完善

需进一步完善软岩的支护理论，虽然现在已经有了一些解析和经验理论，但这些理论还停留在初步的计算和模拟上，还不能完全精确地描述软岩支护的效果。所以，有必要在围岩支护理论进一步完善软岩的支护理论，分别描述不同的支护形式下的变形，根据不同的地质和现场情况选取合适的支护方法。目前大多基于经验和工程对比，产生很大支护冗余，造成材料浪费，间接地增加了工程投资和减慢了施工进度。

3.2 设备研发

软岩支护依靠支护机械的发展。常用支护技术影响施工进度的主要因素有两方面：一是喷射混凝土的速度及效果；二是锚杆机打眼及安装速度。混凝土喷射机分为粉喷，潮喷，湿喷三类，实际施工中常用湿喷机，相比之前的设备，不仅减少了喷射的反弹，节约了材料，同时避免了污染更多的环境。在以后的设计施工中，应更倾向于设备组装化，轻型化，多功能化方向发展。

3.3 支护材料研发

由于支护施工是一项长时间的工程，所以要求支护材料的强度必须具有一定的长久性、稳定性，但支护材料长期在岩体中受到空气、水、水中化学物质的腐蚀时强度会逐渐降低。在施工中采用有抗腐蚀性的材料——玻璃钢，但是情况不是很理想。抗腐蚀和支护强度是矛盾的两个方面，采用抗腐蚀性材料的时支护强度减小，支护刚度却增大了，不能满足应力较大处的支护要求，因此对支护材料有了更高的要求。

3.4 支护后监测

工程支护是一个长期过程，对于支护体在施工后乃至运营试用期间的必要的受力情况还了解不足，监测很少。提前预测不但可以保障工程的安全，还可类比优化支护施工，既满足支护要求又满足经济要求。以锚杆为例，井下锚杆支护后，要进行综合监测，来验证初始设计的合理性和可靠性，并为修正初始设计提供依据。目前锚杆支护的综合监测内容有：采用十字布点法监测表面位移，采用顶板离层指示仪测试顶板岩层锚固范围内外位移值，锚杆测力计测量锚杆锚固端部和全长的工作阻力。日常监测的内容有：锚杆锚固力抽检、顶板离层、锚杆预紧力矩检测。但在日常生产中，一些必要的监测工作没有发挥应有作用。因此，应在大力宣传的基础上，进行强制约束，进一步加强上述方面的监测工作，以保证安全生产。

4 结论

根据软土孔隙率高，含水量大，在荷载作用下极易产生破坏的特征，可结合工程的要求、地质情况、周围环境科学合理选择软土地基加固的方法。在本项目施工中，根据工程实际情况，进行了高压喷射水泥浆处理，并在浆液中加入粉煤灰进行调配，增加了浆液的可泵性，在满足质量要求后，减少了水泥用量，节约了工程成本。