公路施工中的软土路基处理技术分析

2021-04-04吴燕青

建材发展导向 2021年5期

吴燕青

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830002）

公路作为带状构造物，连绵数十甚至成百上千公里，穿越各种不同的地形地貌单元，路基作为路面结构的支撑体，对路面的受力均匀和变形控制起到直接的影响，路基质量的好坏、病害的类型及严重程度与其所坐落的地基密切相关。当公路无可避免需要在软土地基上穿越时，软土路段的路基施工处理措施往往对整个道路质量起到控制作用，一般对于局部软土区域，并且对于软土埋藏较浅的情况，可以采取挖除后换填法，换填材料包括片（块）石、碎石土等，当遇到软土埋深较大，区域较广时，通常可根据不同需要采取不同的软基处理措施，根据加固机理的不同分为排水固结法、化学加固法、挤密置换法以及新兴的加筋土法［1］。不同的软基处理措施有其各自的适应性以及相应的施工质量控制方法，妥善的进行软基处理可以大大减少运营期的工后沉降，优化地基与路基底面的受力状态，减少路基由于沉降变形过大或沿着软弱面滑动产生的病害。

1 排水固结法

1.1 排水固结法的构成与作用机理

排水固结法通常由排水和加压两套系统共同作用，配合形成完整的软基处理措施，原有软基中含有大量的水分，但由于软黏土的颗粒小，颗粒之间引力较大，供水分排出的空隙很小，甚至由于颗粒表面的粘附力，水分大多滞留在软黏土内无法自由流动。排水系统就是通过对软基中设置袋装砂井或塑料排水板形成竖向排水体，并在软基表面铺设一层砂垫层与周边临时排水沟衔接，这种方法改变了原软基的排水边界条件缩短水的渗流路径，增加了排水空隙，为水分的排出创造良好的条件。而加压系统就是在软基顶面施加一定的附加应力，使软基中的水分在压力下形成水头差，加速水分进入设定的排水系统，加速软基的排水固结，加压系统常包括堆载预压法、真空联合预压法以及电渗法等，目前均有较为成熟的工艺［2］。排水固结法是一种综合多项施工工艺的软基处理措施，没有排水系统，则软基中的水分在压力下只会不断累积超静空隙水压力，而无法达到预期的加速固结，若没有加压，则软基空隙中的水无法加速排出。值得注意的是，对于堆载预压系统，无论堆载的材料是水、土方还是预制块体，其本质都是为软基提供一个正向的堆重，是挤水的过程，而真空联合预压则是通过真空泵、密封膜等形成一个封闭负压的区域，使得周围软土中的水根据压力差向作业区汇集，是吸水的过程，其横断面布置及预压效果如图1所示。排水固结适用于具有大面积深厚软土层的地基，造价少但需要一定的时间，最终的目的都是为了排除软基中的水分，提高有效应力，减小孔隙比，加速路基施工前的沉降固结，从而达到降低工后沉降，增加土体抗剪强度和承载能力的作用。

图1 真空预压横断面布置

图2 预压前后软土十字板剪切强度曲线

1.2 排水固结法的施工控制

根据排水固结的作用机理，施工时也应该从竖向和水平排水系统以及加压系统三各方面来保证施工质量。砂井施工时一般采用先在地基上成孔，再在孔内灌砂的方式，砂井的长度、直径和间距等参数对排水效果影响很大，应严格按设计文件施工，同时应尽量减少对周边土的扰动，避免出现颈缩、错位或中断等现象，保持砂井在竖向的整体连续和密实，水平向的排水垫层主要用来迅速排出从软基内部排出的水分，避免土颗粒堵塞竖向排水系统，在铺设砂垫层之前应注意对竖向砂井顶面的淤泥或杂物进行清理。随着工程实践的增加，现在也有越来越多的项目采用袋装沙井或塑料排水板代替砂井形成排水系统，这种方法可以有效的保证砂井的连续性，提高了施工速度。其中袋装砂井大装袋材料必须满足透水性好，柔韧性强，抗拉裂和抗腐蚀等特点，灌入的砂应采用干砂，相比于砂井设计长度，每孔砂袋长度应长50cm，以便埋入水平砂垫层形成整体。塑料排水板的施工很大程度上取决于施工机械的工作性能，应按设计要求选择合适的插板机械和管靴，在软基中插入塑料排水板时要求机械准确定位，尽量减少接地压力以及对地基土的扰动，并保持足够的稳定性。塑料排水管的施工工艺流程主要包括平整场地、挖临时排水沟，铺设下层砂垫层并压稳，插板定位，排水板套靴并插入套管，拔出套管并切割排水板，铺设上层砂垫层。

2 石灰粉煤灰碎石桩法

2.1 石灰粉煤灰碎石桩法的构成与作用机理

石灰粉煤灰碎石桩（CFG桩）是一种近些年普及的新技术，从材料构成来看，是在传统的碎石桩中加入石屑作为填充的中小粒径，与粗粒径碎石形成良好级配，并掺入粉煤灰和一定量的石灰，加水拌合后形成桩身强度达到C15左右的竖向加固体，与桩间土和桩顶的褥垫层共同承载形成复合地基。虽然CFG桩也属于符合地基范畴，但由于其桩身强度相对于碎石散体桩以及低强度的石灰桩等具有明显更高的强度，因此导致桩土应力比偏高，甚至可达到25以上，为避免桩体承受过大的附加应力，需要设置由散体材料构成的褥垫层起到协调变形和分布应力的作用。合理的设置褥垫层可以确保桩与土共同承载，否则虽然桩体能在刚开始加载时提供很高的承载作用，但随着时间的延长，桩体会发生沉降变形，继而逐渐将桩所承担的应力向桩间土转移，失去复合地基效应［3］。与一般的碎石桩的置换率0.2～0.4相比，CFG桩的置换率明显提高，在同等工况下可以提高复合地基承载力4倍以上，其中主要是以置换效应为主，兼顾挤密产生的效应，增加桩长可以更加明显的减少沉降变形，并且对桩间土的围压并没有过大的依赖，特别适用于涵洞、桥头以及挡墙等对沉降要求更为严格的结构物路段，主要发挥其桩体效应，但天然土层的承载力太弱的路基段，由于桩间土承载力太小导致所分担的附加应力太低，并不适用于复合地基的设计思路，或者以求起到明显的挤密效果，则CFG桩往往不够经济。由相关研究可知，CFG桩加固前后软土路基物理力学指标对比如表1所示。

表1 CFG桩加固前后软土路基物理力学指标对比

2.2 石灰粉煤灰碎石桩法的施工控制

CFG桩的施工设备以及处理效果和软土的特性、设计要求达到的承载力以及变形水平等情况密切相关，通常有长螺旋钻孔灌注成桩，该法具有成孔过程中不易发生塌孔，以及地下水埋设较深，对污染、噪声等控制较严格的市区，遇到有砂层分布情况时可采用泥浆护壁钻孔灌注桩，该类施工工艺的成桩适宜范围为400～600mm。对于软黏土厚度较深的郊区并且无探明的硬土层时，从施工效率和造价的角度，国内多采用振动沉管灌注成桩，其管端采用混凝土桩尖或活瓣桩尖，成桩适宜范围为600～800mm。CFG桩的桩间距应根据桩的分布形式以及被加固地基土的可挤密性来确定，并与桩径直接相关。桩顶褥垫层材料多为碎石、碎石砂或中粗砂，并限制最大粒径不大于30mm，厚度根据需要设为150～300mm。CFG桩施工主要分四步进行，垂直稳定的沉管、投放混合料并充分搅拌混合、边振动边拔管、桩头处理，为确保施工质量，施工顺序应考虑隔排隔桩跳打，新旧桩时间间隔不应小于7d。

3 其他常用方法

软土路基处理其他方法中，水泥搅拌桩是化学加固法的一种，适用于软土地基承载力不超过120kPa的黏土、粉土地基，水泥粉浆与软基搅拌后形成横向具有一定影响范围的水泥浆体，也是一种人工硬壳层，可显著提高地基承载能力，减少沉降，施工速度快。高压旋喷桩具有比水泥搅拌桩更强的适应性，能在存在高压线横穿道路及高架桥下路基处理等特殊路段施工，并且可以通过喷嘴将水泥浆液以不同角度喷射到所需要的地层中，桩侧的影响范围更广。土工织物往往在软基处理中与其他方法配合使用，特别是加筋砂垫层利用土工织物高抗拉强度，高韧性的特点，可以优化砂垫层中的应力分布，减轻桩顶的竖向附加应力。强夯法多适用于对噪声要求不大以及埋深3～6m的浅层软基处理，主要是靠落下重锤的势能对软基注入能量，强行使土颗粒彼此挤紧提高强度。