市政道路工程软土地基处理研究

左陆军

山西省第二地质工程勘察院，山西 临汾 043000

随着城镇化的推进和基础交通网络的不断完善，城市道路工程的建设规模日益扩大。道路是一种三维线形构筑物，沿线会穿过各种软弱土层，这些软弱土层往往含水量高、承载力性能差，如果处理不当，可能导致城市道路在运营期间出现路基沉陷、边坡失稳等各种病害，造成巨大的经济损失和不良的社会影响。

1 沉降计算理论

相对于碎石、沙砾土等优质路基填料，软土具有承载力低、含水率大、流变性明显等特点，属于不良地质的范畴，不宜在软土地基上直接分层填筑路基。在软基上施工道路路基之前，必须先针对软土地基采取合理的处理措施。

1.1 软土固结理论

在进行城市道路设计的过程中，计算软基变形数据需要采用“分层总和法”，其沉降变形基本可划分为瞬时沉降（Sd）、主固结（Sc）和次固结（Ss）等多个阶段。其中，Sd是在加载瞬间（t=0）出现的，此时超静孔隙水压力难以排出，外界荷载全部由水压力承担，土颗粒在这一过程中没有产生任何作用，即使有形状的变化，也对体积没有影响。Sc是城市道路沉降的关键组成，可占软基总沉降的80%以上。在主固结阶段，受荷载因素的影响，土体会有较大变化，此时的水压力会受固结时间（0＜t＜+∞）变化的影响而不断消散，土地之间的孔隙也在不断降低，承受压力有所增加，此时土体的沉降变化就会变大，时间越长，沉降量越大。Ss发生在主固结基本完成之后（t=+∞），土颗粒所承担的有效应力基本不再变化，土体产生蠕变而导致土体变形量继续增加。

1.2 软土屈服准则

软土地基的沉降计算可选择Druker-Prager本构关系，它在模拟岩土体变形时所需的参数容易测定，同时可以考虑填土的抗压强度，还能够解决摩尔-库仑准则导数在节点处不连续的问题。D-P准则屈服时与破坏面函数为

式中：α、k为屈服材料常数；I1为第一应力不变量；J2为第二偏应力不变量；σ1为最大主应力；σ2为中间主应力；σ3为最小主应力。

2 城市道路软土地基常见处理方法

2.1 换填法

换填法在软土地基处理中的应用十分广泛，该方法是将地基中的软土挖除，再分层回填压实强度大、颗粒级配良好、透水性好的砂石料作为路基持力层。换填法施工简单，造价低，但处理软基的深度一般≤3m。经过换填法处理的软土地基的物理力学性能明显提高，主要体现在以下两个方面：一是地基沉降量减少，换填处理后软基密实度高，能够更好地扩散施加在土基上的荷载，以减小软基变形；二是加快地基排水固结，砂石料孔隙大、透水性较好，土层间水压力消散速度快，能加速软基的排水固结。

2.2 注浆法

注浆法就是将能固化的浆液通过注浆孔注入软土地基中，并通过挤压周围土体来改善软土的强度指标，提高其承载能力和施工质量。软土地基常见注浆材料包括水泥浆、硅化液、碱液等，注浆液具体用量Q可参考下式计算：

式中：V为待处理软土的体积，m3；n为软土孔隙率，%；d为注浆液的相对密度，无量纲；α为孔隙填充系数，与土体性质有关，一般取0.6～0.8。

2.3 抛石挤淤法

抛石挤淤法是向原淤泥面抛填石料，利用石料的重力将淤泥挤开，并破坏其原有土颗粒结构，这样会在原有位置形成硬壳层，提高软土地基的强度与承载力，以便后期路基填筑施工。抛石挤淤法主要适用于常年积水、软土厚度不大的路段，但是由于清淤不彻底，一般不用于低路堤及高等级公路。在进行抛石挤淤法施工时，一般先沿着路基中线抛填石块，随后逐渐向道路两侧扩展。但是如果软土地基横坡较大，向道路抛填石块时应从高点向低点扩展，石料抛填厚度应超出设计水位至少50cm，并冲击碾压密实，然后在石料表面铺一层反滤层，再填筑路基。

2.4 水泥搅拌桩

水泥在软土地基中搅拌形成复合地基，此时原软弱土层可划分成加固区和非加固区。根据施工方法的不同，水泥土搅拌桩有喷浆型、喷粉型，其中喷浆型搅拌桩施工较为简单，只需在软土地基中拌入一定配合比的水泥浆，将水泥浆搅拌均匀即可；而喷粉型在施工过程中不仅需要借助机械设备充分搅拌水泥粉体，还要压缩空气将粉体喷洒进软基中，并依靠机械钻头或翼片将水泥粉和软土均匀混合，从而形成具有一定强度和承载能力的粉喷桩。相关研究表明，影响水泥搅拌桩加固效果的因素包括内因和外因，如表1所示。

表1 水泥搅拌桩加固效果影响因素

3 市政道路软土地基处理后的沉降变化

3.1 工程概况及计算模型建立

拟利用有限元软件PLAXI8.0分析软土地基的沉降变形规律及加固效果，研究对象为某城市主干路。路线全长为8.5km，路线起讫桩号为K2+360～K10+860，横断面宽度为30m。沿线的路面土质较软，有淤泥等部分软土层，这使得原本土质状态下承载能力较差，无法达到路基填筑的要求。在实际操作过程中，需要添加水泥搅拌加固，按照梅花形布置，设计桩长12m、桩间距1.5m、桩直径0.6m。计算断面选择桩号K5+690，模型中路堤边坡最大高度为16m，另外使用碎石土进行填筑，共分为两层，每级填土高度是8m，边坡从上至下坡比分别为1∶1.5、1∶1.75，平台宽2m。地基土层分两层，分别为11m淤泥/淤泥质土和基岩。填料和地基土计算指标如表2所示。计算模型底部为不透水边界，并对其X方向、Y方向、Z方向完全约束；路堤顶部和边坡坡面为自由边界，可发生竖向压缩变形和水平位移；地基进行X方向约束，只产生竖向压缩变形。同时，在充分考虑了土质影响下路基沉降的精准度以及计算机运行速度的情况下，利用PLAXI8.0中的PLANE42单元对路基进行网格划分，网格尺寸一般选1.5m，对需要用水泥搅拌桩加固的部分网格进行加密，网格尺寸选1m，共划分出单元1876个、节点2288个。还需要注意的是，土质结构本身材料硬度与水泥搅拌桩本身的硬度相差较大，不适合D-P屈服准则，可用采用科学的线弹性计算模型。桩-土接触面采用罚函数模拟。

表2 填料和地基土计算指标

3.2 软土地基沉降计算结果

从项目建设道路的中心线开始测绘，每隔2m需要布置一个监测点，这样可以快速得出软土路基加固前后各个监测点的压缩变形大小。根据计算结果得出，城市道路软土地基的变形与距离地基中心的距离有关。一般来说，中心处变形最大，而距离中心处越近，地基的沉降量越小，但是同时中心处变化速率很慢，距离中心处越近会越慢，而距离较远时，变化速率越快。在没有处理软基之前，地基最大沉降量为22.6cm；在经过水泥搅拌桩加固之后，监测点的沉降量降低，最大沉降量为5.4cm，减小了76.1%。由此说明，使用水泥搅拌桩法，软土的承载能力和整体稳定性都有一定提高。

4 结论

文章总结了城市道路软土地基常见处理措施，并利用有限元软件PLAXI8.0计算出城市道路软基沉降规律，主要得到以下结论：（1）软土地基具有承载力低、含水率高、流变性明显等特点，常见的处理方法有换填法、注浆加固法、抛石挤淤法、水泥搅拌桩等；（2）受时间因素影响，软土地基的沉降不断变化，主要有瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降这三个阶段；（3）水泥搅拌桩法加固的效果比较明显，在经过加固后，检测到的沉降量数据都降低了，软土的承载能力和整体稳定性都有了一定提升。