软土路基加固处理技术数值分析及在公路工程中的应用

牟俊杰

（宁夏公路管理中心银川分中心，宁夏 银川 750001）

在公路工程中，软土路基是一种比较常见的病害地质。由于路基土壤的含水量较高、流动性较强，在受到上部荷载的挤压后容易发生沉降、变形，进而导致路面开裂、错台。因此，无论是从保障行车安全，还是从延长公路使用寿命、降低公路养护成本角度，都需要做好软土路基的加固处理。现阶段行业内关于软土路基处理的技术体系已经比较完善，像强夯法、CFG桩法、超轻质料填土法、高压喷射灌浆法等，均在公路工程中得到了广泛应用。粉喷桩法属于深层搅拌桩法的一种，其原理是利用特殊的设备，钻入软弱土层一定深度后，使用压力喷射水泥粉料，然后通过搅拌让水泥与土体混合，在水泥硬化后得到具有一定强度的混合土。该方法操作简便，而且不会造成污染，符合绿色施工要求，是公路工程软土路基加固中比较理想的一种技术。

1 软土路基加固处理技术数值分析

1.1 软土路基模型的构建

本研究使用Plxais 软件建立软土地质条件下公路路基模型，在此基础上运用二维有限元分析方法探究影响软土路基稳定性的因素。该模型的路堤边坡坡度设定为1:1.3，路堤底部宽度为36.0 m。路堤断面自上而下分为4 层，依次是填料、软弱土层1、软弱土层2、下卧土层，见图1。

图1 有限元模型网格划分

在此基础上绘制软土路基有限元模型网格划分图，整个模型中共包含20 个节点三角形单元，形成非结构性网格。整个模型网格被划分成772 个单元、共计7 380 个节点数，每个单元的平均尺寸为1.05 m。该路基的土层参数见表1。

表1 软土路基土层参数

适用于软土路基的加固处理技术有多种，比较常见的有换填法、强夯法、排水固结法、粉喷桩法等。本研究以粉喷桩加固处理软土路基为例，利用Plaxis 软件模拟整个施工过程。

1.2 软土路基加固处理过程模拟

在Plaxis 软件中设定粉喷桩施工的相关参数，桩体直径为50 mm，桩的长度为10.0 m，相邻两根桩的间隔距离为1.8 m。完成粉喷桩的打桩施工后，开始填筑路堤。采用分步施工的方式，先后分4 次进行填筑，每一层的填筑厚度为1.5 m，两层路堤填筑的施工间隙为14 d。然后统计路基沉降量，并生成路基沉降增量矢量图。根据Plaxis 软件提供的矢量图，可以发现在填筑第一层路堤时，沉降量的最大值为5.36 mm，第二、三、四层路堤的沉降量最大值分别是6.36 mm、6.80 mm、8.17 mm。从整体上来看，沉降区域集中分布在粉喷桩周围，分析其原因是打桩作业引起了土体扰动，改变了原来软土地基的力学平衡状态，从而发生沉降[1]。对比来看，随着填土量的增多、填土自重的增加，路基沉降量也呈现出上升趋势，从第一层时的5.36 mm 增加至第四层的8.17 mm。

1.3 加固前后路基稳定性分析

使用粉喷桩加固软土路基前后的边坡安全系数见图2。

图2 粉喷桩加固前后安全系数对比

结合上图可以发现，在未采取加固处理措施前，软土路基的安全系数仅为1.22，略高于临界值1.0；而经过粉喷桩加固后，路基边坡安全系数达到了1.87，相比加固处理前提升了53.3%，加固效果明显。由此可见，使用粉喷桩加固软土路基，可以将水泥、石灰等材料作为固化剂，通过与富水软土搅拌的形式，提高复合土体的强度，从而将软土地基转变成具有一定强度的优良地基。

2 软土路基加固处理技术在公路工程中的应用

2.1 工程概况

某公路工程为城市I 级主干道，总长4 631.8 m，路幅宽度38.6 m，设计时速60 km/h。该路段内有2座桥梁和2 座涵洞，整体呈南北向。从地质勘察结果来看，该公路沿线地下水较为丰富，主要来源为地表水和大气降水，6-10 月份地下水位较高，其他月份地下水位较低，水量变化较为明显。该路段周边覆盖涂层以红粘土为主，部分低洼地区有淤泥。土层类型自上而下依次为杂填土（厚度0.8～7.4 m）、红粘土（厚度1.4～17.7 m）、砂土（厚度1.2～6.0 m）、基岩。下卧基岩有明显风化情况，质地较软、有蜂窝状溶蚀痕迹。结合该地区的水文特点和地质条件，判断该路段地基为软土地基，如果不采取加固处理措施极有可能导致路基和路面的不均匀沉降。为此，设计了以下软土路基加固处理方案：

对于低挖低填路段，采用换填法处理表层杂填土。使用挖掘机将表层杂填土挖出后，重新填入性状良好的素土，并使用压路机反复压实，作为路基持力层。素填土的放坡坡比为1:1.3，坡面使用“混凝土格构+绿化护坡”的方式，提高蓄水固土效果。在坡脚修筑挡墙，并设置排水沟。对于挖方路段，采用粉喷桩法处理红粘土，具体施工方法如下。

2.2 粉喷桩法施工方案

本次施工中所用水泥材料为42.5 级普通硅酸盐水泥，使用前应检查水泥质量，保证无过期、结块等情况。同时核对水泥标号，并对安定性等指标进行检测，确保符合施工要求后，按照50 kg/m 的剂量使用。该路段需要使用粉喷桩加固的软土路基共有1 100 m，其中超过80%的粉喷桩均设置在桥头区域，目的是减少桥头跳车情况[2]。粉喷桩采用正三角形布置，相邻两根桩的间隔距离统一设定为1.8 m，桩体直径为0.5 m。粉喷桩的布置见图3。

图3 粉喷桩布置平面图

本次施工使用到的设备主要有粉喷桩钻机，以及配套的粉体发送器、空气压缩机、储灰罐、搅拌钻头全站仪等。在正式施工前，要求监理工程师在施工区域附近选点进行成桩试验，并调节粉喷桩施工的各项技术参数，包括钻进速度、搅拌速度、喷气压力等。各项参数确定以后，方可正式开展粉喷桩施工。

2.3 粉喷桩法施工要点

施工前做好场地平整处理，对于部分低洼地区要使用粘性土填平。然后根据设计图纸进行桩位放样，标记处桩位点，并确保误差在20 mm 以内。各类施工机具到场后，启动粉喷桩钻机从1#桩位点开始钻掘。现场施工人员要密切观测钻进深度，在钻头下沉至桩底标高位置后，旋转喷射水泥干粉，保证水泥干粉能够与软土充分混合。在桩底停留喷粉60 s 后，开始提升钻头，每次提升高度为50 cm，然后在该位置处继续停留喷粉60 s[3]。按照上述方法，直到钻头提升至距离地面50 cm 后停止，可以避免水泥干粉喷出地面造成污染。然后重复搅拌下沉至桩底标高位置，重复提升至地面50 cm 处，完成1#桩位的粉喷桩施工。将粉喷桩钻机移动至2#桩位，重复上述施工操作。对于已经完成施工的1#桩位，现场施工人员还要继续进行回填、压实操作。

2.4 粉喷桩法施工质量燮制

在粉喷桩施工过程中，现场施工人员还要密切关注喷粉压力、喷粉计量等参数的变化，并加强施工误差燮制。其中，桩间距、桩体垂直度、单桩喷粉量等都是误差燮制的主要因素，具体要求见表2。

表2 粉喷桩施工允许误差

除了加强误差燮制外，在本次软土路基的粉喷桩法加固处理中，还重点采取了以下技术燮制：

（1） 施工期间灵活调节机械叶轮的转速与供料压差，改变粉喷桩钻机的出粉剂量。从而保证了连续、均匀出料，提高了成桩效果。随着钻掘深度的增加，同步增加出粉剂量，可以使底部淤泥质粘土的强度得到更好地提升。

（2） 在输送水泥干粉时，考虑到粉末的运动主要取决于气流的高低，因此施工期间要维持空气压缩机输出功率的恒定，保证气体流速均匀，从而实现水泥干粉的正常输送。同样的，随着钻掘深度的增加，土体压力上升，会导致粉喷桩钻机出料口的阻力变大。这是要注意适当增加空气压缩机的功率，避免气体流速太低导致机械管道阻塞的情况。

（3） 在粉喷桩加固软土地基中，水泥干粉与软土之间的混合均匀度，是决定桩体强度的关键因素。因此本次施工中选择了双头短螺旋叶片式钻头，能够有效克服地基土层软硬分布不均时水泥干粉与软土混合不一致的问题[4]。另外，在施工过程中，按照“预搅下沉——搅拌提升——复搅下沉——搅拌提升”的流程，让水泥粉料与软土充分混合，对进一步提高粉喷桩的成桩效果也有积极帮助。

2.5 软土路基加固处理效果

为了验证粉喷桩法在软土路基加固处理中的应用效果，在完成施工28 d 后，需要进行成桩检测。常用的检测方法有抽芯法、动测法、Nio 检测法等，本研究选择现场静载法测定成桩效果。该方法即可用于垂直承压桩，也能适用于水平受力桩，将该方法应用到粉喷桩复合地基的静载试验，其检测流程为：

首先确定最大承载力，通常为设计承载力的2倍。本次工程中粉喷桩的设计承载力为180 kN，那么静载试验中最大承载力即为360 kN。然后分9 级加载，每级加载为40 kN。在每一级加载后的第10 min、20 min、30 min 观测并记录读数。当最后一次读数完成后，开始分4 级等量卸载，每级荷载下维持60 min，并且在每级卸载后的第10 min、20 min、30 min 观测并记录读数。直到卸载为0 后，观测粉喷桩残余沉降量[5]。

粉喷桩静载试验结果表明，在荷载为360 kN 时，本级沉降量最大，为6.25 mm；累计沉降量达到了23.11 mm，满足相关规范要求，说明本次公路工程中应用粉喷桩法加固处理软土路基，取得了良好效果，保障了公路工程的质量安全。

3 结论

在公路工程的施工中，由于公路跨度较大，不可避免会遇到软土路基。如果未采取有效的路基加固处理，后期开放通车后，在车辆的反复碾压下路基会出现不均匀沉降，路面也会出现开裂等病害。因此，公路工程中必须要对软土路基采取针对性的加固处理。本研究提出了一种粉喷桩加固处理技术，利用专用钻机向软土喷射水泥粉料，并且反复搅拌使水泥干料与富水软土进行充分混合。两者发生物理、化学反应后，混合土体的强度得到大幅度的加强，从而提高了路基的强度。除此之外，相比于强夯法、换填法等常用的软土路基处理方法，粉喷桩法还具有噪声小、污染少，对周边建（构）筑物影响小等优点，可以作为公路工程中加固软土地基的首选方法。