软土地基施工技术在路桥施工中的应用

栾 静

（盛德路桥建设有限公司，山东 高密 261500）

0 引言

软土地基大多分布在在河岸和沼泽等区域，土壤多为松散土，沉积物含水量高，渗透性能较差，缺乏抗剪能力，在自然状态下会出现沉降现象，无法满足路桥工程的建设要求。施工人员应该采取有效的施工技术对软土地基进行处理，提升路桥施工中地基的稳定性和承载能力，避免出现沉降问题。现阶段，随着技术的不断创新和施工经验的不断总结，已经出现了很多软土地基施工技术，每个技术都有各自的优势和特点，在具体路桥施工过程中，需要结合实际情况进行选择，严格按照施工要求和标准完成施工，以保证路桥施工中软土地基的处理效果，保证工程质量[1]。

1 路桥施工中软土地基的设计

对于路桥施工而言，地基设计的好坏直接决定了施工的质量，在路桥施工中软土地基设计至关重要。由于一般路桥施工的软土地基所处环境的地质状况比较复杂，该地基大多数为软弱土层，会严重影响路基设计。因此，在路桥施工中，应该重点解决软土地基的设计问题。

1.1 软土定义及判别指标

根据《公路工程地址勘查规范》（JTG C20—2011）文件中的内容，对软土进行了明确的定义，即在静水中，或者流水速度较为缓慢的情况下，会沉积具有工程性质的土，这种土中的天然含水率较高，而且孔隙比e≥1.0，压缩系数也超过正常数值，即a0.1-0.2>0.5 MPa-1，标准贯入试验的锤击数低于3击，静力触探贯入阻力较低，Ps≤750 kPa，十字板抗剪强度Cu＜35 kPa。

结合上述相关指标，可以对软土结合表1进行分类。

表1 软体根据天然孔隙比和有机质含量分类

1.2 软土地基路桥工程的特性及病害

1.2.1 工程特性

在路桥施工中，软土地基会对整体施工造成影响，这种地基的结构所处的环境含水率较大，承载能力较低，压缩性较高。而且这种地基在施工过程中也容易出现一些问题，例如，孔隙内水分增加，还会出现粉土和沙土等情况，导致地基的稳定性明显下降。另外，软土地基的渗透性较小，存在土质分布不均匀的情况，会在很大程度上影响整体工程建设的质量[2]。

1.2.2 常见病害

1.2.2.1 路基稳定性下降

当路桥工程施工区域的土层为软土时，如果在新旧路基衔接部位增加荷载，那么软土层区域的地基就无法承担该荷载，出现滑动的情况。通常出现这种情况的原因是由于软土的特性，其具有流塑性，软土在上方荷载的作用下会向两侧移动，出现变形，导致路基稳定性下降。

1.2.2.2 沉降导致裂缝

出现沉降的原因主要是路基交接部位扩建导致的，在长期荷载的作用下，老路基已经处于固结状态，在扩建的过程中，新路基会改变原本的应力，会增加地基的附加应力，产生压索变形和固结沉降等问题。

1.3 路桥施工软土地基设计要点和标准

1.3.1 设计要点

从设计要点角度而言，要保证路桥施工地基的稳定性以及强度，使其在交通负荷的影响下也不会出现沉降和变形的情况，而且建设相关构造物也不会对其造成影响，这些都是设计过程中需要重点考虑的内容，并且要在具体施工过程中严格控制[3]。

1.3.2 设计标准

1.3.2.1 沉降标准

一般路桥软土地基的沉降标准为能够维持其使用为15 a，一般针对使用年限以内的公路所产生的沉降量不超过30 cm，顶涵洞通道处不超过30 cm，桥头路段处不超过10 cm。

1.3.2.2 安全系数验算

在施工过程中，可以对地基固结进行安全系数验算，采用直接快剪指标的方式，容许值为1.1 kPa。在运营期间对其进行验算的过程中，采用直接快剪指标的方式和固结快剪指标的方式，容许值为1.2 kPa。

1.3.2.3 荷载设计

根据一级公路要求实施荷载设计，在土柱高0.9 m时，路基填料的容量为19 kN/m3。

1.3.2.4 预压期

该期限是施工静载之后进行沉降等待时的时间，一般采用单纯预压或者应用塑料排水板进行预压的路桥地基施工地段的预压时间在9个月以上。

1.3.2.5 预压高度

欠载预压的高度为0 m，欠载高程是上路高程和预压期间沉降量的集合；等载预压的预压高度与路面荷载当量土柱高一致；等载预压是预压高度与路面荷载当量土柱高一致的情况，等载高程是路面设计标高、路面结构层数与厚度之差以及预压期间沉降量的集合[4]。

1.3.2.6 加载速率

在路桥施工时，以计算陆地沉降量为核心，对加载速度进行有效把控，避免出现路堤稳定性下降的情况。对路基中心表面而言，在复合地基处沉降速率低于8 mm/d，在堆载预压区沉降速率低于15 mm/d。对坡脚处侧向位移而言，复合地基处沉降速率低于5 mm/d，在堆载预压区沉降速率低于8 mm/d。

2 软土地基的沉降计算

2.1 分层总和法

在路桥施工过程中，软土地基施工之前应该对地基沉降进行计算，沉降时间和沉降量是重要的计算内容。一直以来，在计算地基沉降的应力和应变关系中，广泛地应用了胡克定律。如果软土地基的土体是线性弹性，就可以应用分层总和法进行沉降计算[5]。

该计算方法先设定软土地基的主体具有线性和可变性，在外部荷载的作用下会在有限的范围内出现变形的情况。在压缩层厚度范围内对地基层进行分层处理，这时可以求出每层的应力，进而借助土层的应力和应变关系求出每层的沉降变形，最后采用求和的方式获取总体的地基沉降量。

对每层地基的平均自重应力Pi1，平均自重力Pi2和附加应力进行计算，结合e-p曲线图，查找对应的孔隙比ei1和ei2，计算出分层压缩变形量ΔSi，如公式（1）所示。

将计算出来的各分层的压缩变形量叠加起来，进而获取总体地基沉降量S，如公式（2）所示。

式中：hi为各土层的厚度，n为计算沉降分层数。

2.2 考虑到不同变形阶段使用的计算方法

该沉降计算方式在应用过程中得出，路桥施工中软土地基的土层在外力作用下会经历3个阶段，并产生3种类型不同的变形特征，分别为瞬时变形产生的沉降量Si，固结变形产生的沉降量Sc，次固结变形产生的沉降量Ss，这时地基沉降总量为S=Si+Sc+Ss。

对于瞬时变形Si而言，在加载的瞬间，土壤中的孔隙水还无法及时排出，这时孔隙体积还未发生改变，土壤体积未发生改变，但是在载荷的作用下出现土体剪切变形情况。如公式（3）所示。

式中：p为路基地面平均压力，b为路基宽度，Ei为弹性模量（Ei=（500-100）Cu，Cu是不排水时的抗剪强度值），ω为沉降影响系数，μ是土的侧膨胀系数（泊松比），在此选择0.5数值。

对于固结变形Sc而言，主要是在除去孔隙水之后，使孔隙压力转变为有效应力，进而压实土体，让土体产生压缩变形，一般应用分层总和法进行计算。

对于次固结变形Ss而言，主要是在完全排出土壤中的孔隙水之后会产生固结，在结束土壤固结后产生了变形，目前研究认为这种变形情况是由于土骨架粘滞蠕变所导致的，该变形可以用公式（4）计算。

式中：Ca1为第i分层土的次固结系数，t1为排水固结达到100%所需要的时间，t2为计算次固结需要的时间，hi为各土层厚度，ei1为孔隙比。

3 软土地基施工技术在路桥施工中的应用

3.1 排水固结施工技术

该施工技术是路桥施工过程中对软体地基进行处理最有效的技术，主要包括加压和排水2个方面，其中加压是借助建筑物自己的重量或者路堤土自己的重量进行逐渐加载，或者借用外力加载实现预压。排水是采用袋装沙井和塑料排水管将土壤中的孔隙水排出。这2个部分缺一不可，相辅相成。在附加应力的作用下，路基土会出现超孔隙水压力，将软土中的水分排出，然后进行固结沉降操作。如果土壤中的有效应力开始增加，那么地基抗剪力度也会提升，快速实现沉降。这种施工技术应用了完善的理论经验，使用的设备和操作都比较简单，费用投入比较少，适用于软粘土、淤泥质土和淤泥等土层施工中，如果深度超过了3 m，可以利用这种技术提升埋设深度[6]。但是深度越深，孔隙水排出的速度会越慢，在设计时需要考虑这一点。具体排水固结施工技术可以采用堆载法、降水预压法和真空预压法。

3.1.1 堆载法

软土地基会在缓慢地增加荷载的情况下进行排水固结，出现固结沉降后，土体强度提升，地基承载力也会提升。如果应用超过工作荷载的预压荷载，就可以减少次固结沉降，如图1所示。该方式适用于压缩性较大，透水性良好的泥炭质地基上。

图1 堆载法

在使用堆载法施工的过程中，尽可能地在通道和涵洞位置选择合适的预压材料，一般为土方，高度在2 m～3 m，压实率大于90%，预压范围一般在施工两侧60 cm的位置，时间为5个月左右。然后进行沉降观测工作，计算软土地基的沉降量，当连续60 d沉降量在5 mm以内，则表示地基趋于稳定，可以进行下一步的卸载操作。需要注意的是，在沉降观测的过程中，需要合理规划观测的位置，通常在施工区域的中心位置设置，在道路中心线纵向之间的距离为500 m；路基填土的高度>5.0 m，软土的厚度>4.0 m的地段，从横向上选择3个位置，分别在中心线和两侧路边上，纵向间距为200 m；如果软土位置有一定的坡度，那么也可以选择3个位置，分别在中心线和两侧路边上，纵向间距为300 m。

3.1.2 降水预压法

该方法能够使软弱土层承受与所下降的水位高度一致的水柱重量的压力，使地下水下降，加快固结和沉降。这种技术主要应用路堤荷载预压原理，并不会对地基造成破坏。该方法使用范围较大，还可以与荷载堆载法结合应用。

3.1.3 真空预压法

该方法在使用过程中需要在软土区域中放置排水通道和砂井，将排水砂垫层铺设于地面上，然后在上方覆盖密封膜，将砂垫和空气隔离开，再与排水通道相连接，利用真空装置进行抽气操作，这时密封的膜内部压力与外部压力会产生一定的差距，进而让这种压差成为地基荷载。该技术主要采用射流真空泵设备，在砂垫层中放置滤水管，以此形成回路，然后敷设砂层[7]。这样处于真空状态时，不会让软土区域产生剪应力，可以保证地基的稳定性。该方法适用于软土性质较差，施工较为紧张的情况下。

3.2 化学加固法

3.2.1 水泥土搅拌法

该方法主要应用的材料为石灰或者水泥，再加上地基土，进行搅拌使材料发生化学、物理变化，在凝固后形成柱体，该柱体结构的稳定性较强。如果搅拌足够充分，还能产生固化的效果，使桩体和软弱土硬化，形成复合地基，进而加固地基。这种方法能够显著提升地基的承载力和强度，减少沉降。

3.2.2 高压喷射注浆法

高压喷射注浆法也被称为旋喷法，主要是土体开挖后，将浆液经过钻机喷嘴钻入到深层的软弱土层中，进而产生强烈的冲击流。利用高压提升土层强度，这时土壤中的颗粒也会在喷射压力的作用下逐渐随着液体流出，其余颗粒会在作用力的影响下和浆液搅拌在一起，根据一定的比例均匀混合，等到混合土凝结硬化后，可以在土层中构成混凝土桩，应用该技术后可以增强地基支撑力度，减少沉降量，并起到一定的防渗效果。

3.3 加筋技术

在路桥软土地基施工的过程中，加筋技术也是常用的技术，该技术采用的加筋材料主要是一些稳定性强、有一定韧性的材料，包括天然材料和化工材料。在具体应用该技术的过程中，主要是先将土工格栅埋设于砂石垫层中，采用检测→清理→人工铺设土工格栅→搭接、捆绑、固定→铺设上层路基土→碾压→检验的流程，提升软土地基的综合强度，使排水更加通畅。在铺设土工格栅时，应注意材料的使用，确保其符合施工标准和规范，为了避免由于受力不均匀出现的变形情况，需要在施工时检查材料是否符合设计标准。

3.4 快速分离夯实法

快速分离夯实法是新型加固技术，以管井降水的形式作为前提，运用真空操作方法，将水气有效分离，并联合预压方式，对传统管井进行优化和调节，从而更高效地处理淤泥质土固结的问题[8]。一般在路桥施工中有3个环节，分别为水土分离、水气分离和分离预压。在第一个环节中，经过现场试验计算出水气分离群井的高度、直径以及分布等，将管井埋设到土体内一定高度，这时水会渗流到管井中，利用管井中的潜水泵设备将水排出，并进入水气分离控制管，和真空泵进行连接，在真空抽水的过程中，会产生一定的压力，土体内的水会快速流入管井中，达到水土分离的目的。在第二个环节中，土体产生超静孔隙压力，应用水气分离技术可以将该压力排出。在第三个环节中，在前2个环节已经形成了8 m～10 m后的硬层，利用该硬层，插入厚度一致的水气分离管进行抽真空操作，这时上部硬层为堆载层，厚度为8 m～10 m，能够形成120 kPa～160 kPa的荷载，在荷载的作用下，会进一步压缩固结软土地基。

4 结语

总之，软土地基中含水量较大，承载力较低，无法满足路桥施工要求，在这种情况下，应该结合实际工程建设的情况，计算地基沉降，加强施工设计，并考虑地基的土质状况，有针对性地采用施工技术，保证施工顺利进行，提升软土地基的稳定性和承载力。