天津滨海新区西外环高速公路软土路基处理技术研究

魏鹏

（天津城建设计院有限公司，天津市 300122）

0 引言

在公路工程施工中软土路基的施工是较为常见的地基问题，其施工质量的好坏与整个公路的运行寿命有着紧密的关系。目前伴随着我国公路建设规模的不断扩大，软土路基的施工也呈现增长趋势。因为软土路基的构成比较特殊，主要成分为黏土颗粒和淤泥，并且相互之间有较大的孔隙，具有易流变、含水量高、压缩性高、抗剪强度低、渗透性差等特点，使得其承受力和稳定性不能满足公路交通运输的要求。所以在公路的施工中，应采取科学的施工技术，加固软土路基并提高其稳定性，进而避免软土路基给公路质量造成不良影响。通过科学的施工技术，改变软土路基的结构、环境等，以强化软土路基，促进公路交通事业的健康发展。

1 西外环高速公路软土路基的特点

该项目路线走廊位于天津市东部滨海新区，K18～K32段由北往南主要跨越滨海新区塘沽的广大冲积、海积平原地区，境内地势低平，地表以人工填土及耕植土为主。地面标高一般在1.06～3.40 m（大沽标高，下同）。工程沿线地处海河下游，河流渠道纵横，坑塘洼淀广布[1]。场地内微地貌主要以人工开挖的鱼塘、耕地、水库、灌溉水渠、公路、沟垄为主，地表主要为人工填土及耕植土。在海潮进退和河流冲积的共同作用下，该地区广泛沉积了厚层的海陆交互相软土，其软土层一般夹有薄层粉细砂层，砂层的厚薄不同，层次有多有少，具有一定的水平层理。该区分布于地表硬壳层之下的一般多呈现淤泥和淤泥质土。大部分地区分布一层软土，局部地区分布有两层软土，其下卧层多为砂层，少数为黏土层。软土层平均厚度为4～6 m，局部厚度可达到15 m，基底为第三系红色岩系软岩质。软土的主要矿物为伊利石和高岭土，伊利石和高岭土多呈片状，具有较强的表面活动性和亲水性，沉积多为片堆组，因而沉积为絮状结构。天津滨海软土具有下列工程特性：

（1）含水量较高。淤泥的平均天然含水量为76%，少部分大于100%，淤泥质土的平均天然含水量为48%。所以其土体一般均呈流塑状。

（2）孔隙比大。淤泥天然孔隙比为1.80，少数大于2.0，淤泥质土的天然孔隙比为1.25。

（3）高压缩性。软土的天然孔隙比与其压缩性成正比，天然孔隙比大，其压缩性就高。淤泥质土的压缩系数为0.73 MPa，淤泥的压缩系数为1.34 MPa，均属于高压缩性土。

（4）凝聚力小。淤泥质土快剪凝聚力平均为12.4 MPa，淤泥快剪凝聚力平均为9.1 MPa，所以土体剪切变形能力较差。施工中经常碰到路堤填筑到一定的高度就出现滑塌，导致路堤失稳。

（5）固结系数小。固结系数通常在4.0×10-3cm2/s左右，因此土体完成固结沉降所需要的时间就较长，对施工工期影响较大。

2 西外环高速公路软土路基处理技术及原理

根据天津地区经验，道路工程岩土工程问题重点是路基沉降和路基土的稳定性，主要涉及软土路基和坑塘的处理。

2.1 天然浅层地基基本情况

浅层地基土除了对桥梁桩——承台基础产生一定作用外，还将作为该工程引桥路基的主体。因此浅层地基土性质的好坏将直接对该工程产生影响。现将K28～K32段有关浅层场地土层的情况描述如下（见表1）。

表1 K28～K32段场地土层分布情况及承载力基本容许值

根据以上工程沿线路孔勘探资料分析，对存在上部陆相冲积层，当承载力能满足要求的前提下，可以考虑采用全新统上组陆相冲积层黏土作为引桥部位浅基的天然持力层。但在涉及的软土地段，应注意软土对路基沉降的不利影响。

2.2 地基处理方法及其加固机理

在引桥的初段，填土较少，对承载力的要求相对较低；随着引桥的延伸，填土高度逐渐增加，在承载力能满足的条件下，尚应验算路基沉降；当沉降量过大，不能满足工程需要，应对地基进行加固处理。

该工程对地基加固处理主要采用了以下几种方法。

2.2.1 CFG桩

近年来复合地基理论的研究和应用发展较快，一些新的桩型、施工设备和施工工艺应运而生。复合地基可分为两大类：一类是由散体材料（如砂、碎石、土、钢渣等）组成的桩与天然地基复合；另一类是由水泥与土结合而成的桩与天然地基复合。CFG桩按其性质属于后者，适用于软土处理，且是一种较为经济合理的地基处理方法。

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，它是由中国建筑科学研究院提出的一种新型桩体。桩身的材料是在素混凝土桩的基础上发展而来，主要是碎石、石屑、粉煤灰掺适量水泥和水拌和而成，具有良好的和易性。碎石是该桩的粗骨料；石屑是填充碎石孔隙、改善骨料级配的次骨架材料；粉煤灰具有粗骨料和低标号水泥的作用。CFG桩和桩间土一起通过由碎石或石屑组成的褥垫层形成CFG复合地基。

CFG桩弥补了碎石桩和桩基础的缺点，与两者相比，CFG桩复合地基具有以下优点：

（1）CFG桩同时具有碎石桩对地基的挤密加固和置换作用。由于CFG桩桩体强度较高，在黏性土地基上挤密效果不佳时，CFG桩可有效地将地基荷载传递到深处土层，确保桩对地基的置换加固作用。

（2）CFG桩复合地基通过在桩和基础间设置柔性褥垫层，使调整桩土相对变形的问题从根本上得到解决。

（3）CFG桩复合地基的强度和模量比较均匀，对上部结构、受力结构抗震等极为有利。

（4）褥垫层使桩间土的有效接触增加，提高了桩周土的抗剪强度，使得桩体承载力得到提高。

（5）褥垫层对于地基的不均匀沉降也有一定的补偿作用。

2.2.2 薄层加载预压排水固结

所谓加载预压就是指超过理论路基面（和边坡）的附加填料，它将在沉降期间沉降，成为永久路堤的一部分。薄层加载就是控制每层填料的厚度。

饱和软黏土基础在荷载作用下，孔隙水慢慢排出，软土孔隙体积减小，固结变形，同时超静水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土强度逐渐增加。软土中的孔隙水主要从水平向通过径向排出，加快了地基的固结速度。薄层加载预压是通过增加软土的总应力，并使空隙水压力消散来增加有效应力的有效办法，使沉降提前进行，软土层在使用荷载作用下的变形大大减小，这就是薄层预压排水固结法加固软土地基的机理。

但在软土地基加载过程中，若一次加载过大，超过软基极限承载强度，软土地基就会失稳，产生破坏性变形。故软土路基填筑过程中如何加载预压，达到减少填筑时间，争取较长的预压期是软基处理成败的关键，薄层加载预压就是充分利用每次加载后的强度增长，根据沉降、位移等观测数据来确定填筑速率、填筑厚度和间歇时间，有效地指导路基施工，缩短路基施工时间，增加预压时间，减少工后沉降量。采用薄层预压方法可以增加施工的安全性，保证路基稳定；另一方面也可以达到增长预压时间的效果。它是建立在认真、细致、准确、及时的动态观测基础之上的，是利用地基土强度增长来指导路基填筑的有效施工方法。

3 西外环高速公路软土路基施工技术要点

3.1 西外环高速软土路基施工技术要求

在设计中虽然采用了合理的地基处理方案，但由于施工管理不善，造成地基处理失败或未达到预期效果的工程也不少见，因此软基处理施工必须确保施工质量，科学地做好施工组织设计，加强工地技术管理，严格按照有关操作规程实施，认真做好工程质量检查和验收工作。

软基处治和其他土工问题的解决一样，包括以下四个环节：

（1）对地质资料、土工试验的详细检查，对设计图和实践经验的调查研究。

（2）室内试验和现场试验。

（3）施工现场检测和观测数据收集。

（4）反复分析，验证设计，监测工程安全。

上述四个环节是解决土工问题最理想的方法，即近年来国际岩土工程界提出的观测方法，称其为“边观察、边分析”方法。在施工中，如发现现场地质情况与设计提供资料不符或原设计的处治方法因故不能实施，需改变设计时，应及时报告并根据有关规定报请变更设计。

软基处治施工前，应完成以下工作：

（1）收集并熟悉有关施工图、工程地质报告、土工试验报告和地下管线、构造物的布设等资料。

（2）编制施工组织设计或施工大纲。（3）原材料、半成品、成品的检验。

（4）施工机械设备的调试。

（5）必要的成桩试验。

总之，在施工中应遵循“按图施工”的原则和“边观察、边分析”的方法，做到经济、可行、安全、创新并有利于环保。

3.2 西外环高速软土路基施工关键技术及其要点

3.2.1 垫层施工

垫层是指地面上设置的砂垫层、砂砾垫层、灰土或素土垫层、矿渣垫层以及其他性能稳定、无侵蚀性材料垫层。虽然材料不同的垫层，其应力分析有所差异，但从适用经验分析，其作用和特征都可近似地按砂垫层进行计算。垫层的厚度以保证不至因沉降发生断裂为宜，日本常用1 m，国内一般为0.3～0.5 m，以0.5 m居多。垫层的宽度适当大于路堤宽度，以防止在施工过程中由于施工机械的破坏影响垫层的有效作用。

对砂垫层下设置土路拱的问题，各地看法不尽一致。一种看法认为，孔隙水是在地基中孔隙水压力消散过程中排出的，是有压水，只要排水通道不断开，孔隙水就能排出地基，因而认为做土路拱无效果。另一种看法认为，砂垫层的排水作用会因地基下沉、砂垫层弯曲而受到影响，所以主张在地基上做土拱。实践证明，做土拱给施工带来很大的困难，土拱也无明显效果。

垫层施工分为砂垫层施工和石灰上垫层施工，其详细的施工过程及要点可参见有关文献。

3.2.2 土工合成材料施工

3.2.2.1 施工要点

土工合成材料加筋路堤的施工，主要在于保证合成材料能充分发挥作用。其施工要点可参见我国行业标准《公路土工合成材料应用技术规范》（JTG/T D32—2012）。

填成施工通道后，再由两侧向中心平行于路堤中线对称填筑，宜保持填土施工面呈U形。

第一层填料宜采用推土机或其他轻型压实机具进行压实；只有当已填筑压实的垫层厚度大于60 cm后，才能采用重型压实机械压实。

3.2.2.2 质量检验

质量检验参见我国行业标准《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80—2017）。

4 结语

随着沿海城市经济的快速发展，对高等级道路的建设需求也不断扩大。由于沿海道路地质形成的特殊性和复杂性，沿线路基下经常存在深厚的海滨相软土层，若处理不当，在道路的运营过程中将出现不可估量的沉降量，极大地影响着道路的长期稳定性和安全使用。因此本文结合天津西外环高速软土路基的处理工程，对滨海软土地基的工程特性、处理技术以及沉降分析方法等进行较深入的研究，取得了如下研究成果及结论：道路工程地基处理技术方法多种多样，应因地制宜地做出正确选择，以便在保证工程质量的同时尽可能降低工程造价。因此本文针对滨海软土地基的自身特点，在现有的软土地基处理方法中，经过比较选择了适合滨海软土地基处理的方法，并发展和提出了滨海软土地基处理的一系列新技术，如CFG桩法、薄层加载预压排水固结等，并经过天津西外环高速的实际应用，得到了令人满意的结果。