市政道路施工中软基加固技术及其应用效果分析

程强

（河北广通路桥集团有限公司，河北邯郸 056000）

0 引言

在市政道路建设过程中，地基的结构对整个项目的承载能力和使用寿命都有很大的影响，道路地基主要由岩基和软基构成，岩基的材料主要根据地势环境和施工要求选择。软基设计的目的是提高道路结构的坚固性，防止地基出现下沉和凸凹。软基处于岩基的高一层次，主要类型为有机土、松土、硬土、软土等小型土壤分子，此类型的土壤分子长时间暴露在空气中，会与空气中的水蒸气进行反应，形成大量的水分子，导致市政道路地基内部结构软化，另外，在道路上车辆运行的外力作用下，道路地基便会出现下沉、坍塌现象，产生重大的道路安全隐患[1-2]。

为避免以上安全隐患的发生，市政道路施工中的软基加固成为道路地基施工的重要步骤。本文设计并模拟了一种新型的市政道路施工软基加固技术，并基于烟台某市政配套工程项目，对实施效果进行验证，结果表明：该加固技术能提高道路地基的整体稳定性，还可提高道路施工的工作效率，提高道路施工的经济效益。

1 新建市政道路软基加固机理

随着市政道路的通行，在道路荷载的作用下，软基结构内部的散态固结桩（如砂砾桩）会逐渐挤压进入不属于固结桩层次的软土内，使道路软基内部结构出现轻微变化，并产生额外的压力、负载力，导致软基下沉或水平延长，降低软基的稳定性，使道路工程埋下安全隐患（如图1）。

图1 市政道路软基结构示意

为延长市政道路中软基的有效使用寿命，本文提出新型的道路软基加固技术，此技术的工程目标如下：

（1）保证道路施工过程中其他工序的正常施工，道路软基内部结构复杂并且分层多，立桩之间关联密切，在软基加固过程中不得破坏道路软基的结构[3-4]。

（2）达到市政道路施工中软基加固的效果，保证行车安全。

市政道路软基加固技术的原理是利用振动器的振动工作模式，缩短道路软基内部的散态固结桩的相对距离，提高软基结构的密度，每次振动波动的程度微小，以防止破坏软基结构内其他桩体。但是软基桩体的密度一旦提高，就会增加软基的摩擦力，提高软基沉降速率。为此，通过本文设计的软基加固技术，使移入软基结构内部的桩体具有排水孔，以平衡桩体之间的摩擦力。该加固技术将软基的承受力压缩在中心结构的散态固结桩内，防止在加固过程中承载力降低[5-6]。

针对优化后需加强处理的道路软基结构，通过适当增加固结桩的数量，优化提高软基的基本稳定性。施工道路软基布桩结构图如下图2所示。

图2 道路软基布桩结构示意

布桩完成后，进行道路软基信息数据的测量，将所有的信息数据经过计算，得到道路软基需要加固的程度，具体计算公式为：

式（1）中：fnk为砂砾承载力（kPa）；fpk为单桩复合地基承载力（kPa）；β为土地承载力（kPa）；m为承载力比重；fuk为承载力极限值（kPa）。

将计算得到的数据对照道路软基桩体承载力经验取值表（见表1），获得道路软基需要加固的程度。

表1 道路软基桩体承载力经验取值

最后，按照计算的道路软基结构内散态固结桩间的加固程度，完成市政道路软基加固处理。加固处理分为沉管成孔、分层填料和成桩三个工序。

（1）沉管成孔主要是根据需要加固软基的结构和内部桩体的材料，将准备好的桩体进行切割，并在每个桩体上设计3个排气孔，排气孔的间距和位置按照规定切割。

（2）分层填料工序为沉管成孔工序的一个完善，填料采用软基原先采用的材料进行处理，其他材料会与软基出现排异现象，此工序的目的是提高软基加固技术的振密效果。

（3）成桩工序的目的是将新移入软基内部的散态桩体顶口进行密封处理，此工序结束后，软基的加固处理即完成。

2 软基承载力模拟

市政道路软基的承载力主要取决于软基结构内桩体的承载状态，桩体的承载状态受到软基桩体的桩长、布桩结构、桩体材料、桩体夯实深度等的约束，不断调整软基承载因素的数值，并建模计算，最终得到软基承载力的最大值。道路软基承载力分为桩体极限承载力和桩间土极限承载力，两种承载力处于互相约束的状态。为提高软基承载力数值模型的精度，本文分别模拟桩体极限承载力和桩间土极限承载力的负荷承载力，然后进行承载的复合计算，实现承载力的模拟计算[7-8]。

首先计算桩体的极限承载力。桩体的承载力本质是桩体内侧摩擦力与支撑阻力合成的作用力。为降低计算误差，本文在计算过程中将以上两个介质因素的结果取最小值。在分析桩体极限承载力过程中，桩体的强度既为桩体提供了一部分的承载力，又提供了一部分的压力，综合以上桩体的受力分量，然后计算桩间土极限承载力。由于桩间土结构的特殊性，施工过程中经常取天然地基的承载力作为桩间土的极限承载力。在软基加固过程中，桩间土的极限承载力会出现波动，计算时要剔除桩间土之间的作用分力，并充分考虑各个桩体间存在的微膨胀现象，本文通过地基微膨胀系数完成计算。

最后，借助桩体软基的实际极限承载力修正系数和复合地基置换率，得到最终的市政道路软基承载力模拟值。

3 软基散态固结桩沉降模拟

采用Abaqus 软件对软基结构中散态固结桩的沉降特性进行数值模拟，Abaqus 软件的作用是对软基桩体的部分数据信息进行多维有限元仿真，还原出真实的软基结构，为软基结构中散态固结桩的沉降特性模拟奠定数据基础，提高模拟的真实性[9-10]。

道路软基散态固结桩的实际沉降结构存在隐性沉降和真实沉降。传统的软基散态固结桩沉降计算往往会忽略固结桩的隐形沉降，使模拟结果出现偏差。

软基散态固结桩的真实沉降区域也被称为加固区沉降，因为道路软基结构中内置许多的立桩，立桩的数量越多，软基立桩间的负载密度越大，软基所承受的压力越大，出现的沉降现象也就越明显。本文采用应力修正法完成散态固结桩的真实沉降计算，由于软基散态固结桩的受力状态是实时变化的，即使波动很小，但经过模拟计算，所呈现的结果偏差也较大。应力修正法在计算过程中涉及软基散态固结桩的测量数据量越少，所计算的数据结果误差就越小。

软基散态固结桩的隐形沉降与真实沉降存在线性关系，可以说隐形沉降是由外力和散态固结桩的承载压力共同合成的作用力导致的，市政道路施工规范中规定，道路软基的散态固结桩在道路通行阶段可以出现一定的沉降。

软基加固技术的应用目的是解决道路软基结构中散态固结桩的沉降现象。目前道路软基由三个层次构成，故为保证软基散态固结桩沉降特性数值模拟的精度，本文将软基结构分为三个层次进行模拟，分别设定为试验段1、试验段2以及试验段3。然后利用软件对三个试验段进行多维有限元仿真建模，得到每个层次的软基散态固结桩的三维有限元模型。对三个施工道路的试验段完成建模后，分别对每个试验段施加相同的荷载力，模拟通行状态的道路，运行一段时间后，再利用软件计算此时三个测试路段的软基散态固结桩沉降情况，根据试验结果即可检验软基加固技术的实施效果。

4 技术应用及其效果分析

4.1 工程概况

烟台海上世界项目位于山东省烟台市核心地带，占地面积约8km2，项目建成将为全国第三个“海上世界”。项目规划建设为世界级新湾区，集“船、港、城、游、购、娱”于一体的高端商旅综合体，打造面向全国、比肩世界的烟台新核心，效果图如图3所示。

图3 烟台海上世界一期工程效果图

本工程的一个重要建设目标是建设质量优、档次高的烟台海上世界市政道路，为此，需翻建和新建道路共29条，总长度16 534m。但在本工程的填海环境条件下，如何实现市政道路软基的有效加固成为了一大难点。

4.2 模型建立

为检验本文设计的市政道路软基加固技术的可靠性，对海上世界项目中的某段新建市政道路进行软基加固技术应用，并分析加固结果。为保证工作效率和成本，选择市政道路施工软基长度为1 000m，复合地基宽度方向的砂砾桩13 列，桩间距30m，桩径8m，基础地表以下深度为100m，加固区深度50m，垫层采用中密砂垫层，厚度为30m。试验过程中，道路软基的一部分采用本文设计的软基加固技术，另一部分不采用任何的软基加固技术。在对比试验进行前，对道路加固区域按照1∶1.5 的比例进行刷坡，对应用道路区域的软基进行布桩建模。

按照本文设计的方法计算道路软基的极限承载力，然后将相关数据补录到Abaqus 软件内，进行道路软基的多维有限元仿真建模。

4.3 效果分析

建模完成后，按照软件计算的数据，对需要施工的道路软基进行加固处理。在试验路段增加300Pa 的压力，模拟通行道路的运行状态，观察24h后，得出试验数据如下：

（1）市政道路软基散态固结桩的沉降程度通过水平位移和竖直位移两方面体现，其中施加了加固技术的软基散态固结桩竖直位移为0.23mm，没有出现水平位移。而没有进行加固技术处理的软基散态固结桩则出现了水平位移和竖直位移，且沉降程度大于0.23mm。

（2）通过专业的道路软基承载力检测工具，得出应用软基加固技术的路段区域的极限承载力高于没有任何处理的软基路段，且施加加固技术的软基立桩稳定性高于传统软基结构内的立桩。

通过以上市政道路软基加固技术的应用效果分析，认为本文设计的市政道路软基加固技术具有可靠性，可以投入使用。

5 结语

随着我国城市道路施工方式的不断进步及施工技术的完善，新建市政道路软基的加固技术不仅应保证地基稳定性和工程质量，还应适应道路施工技术的发展，提高道路施工的效率。

本文依托海上世界项目中新建市政道路的施工实践，在填海环境下，不仅解决了传统道路软基加固技术存在的弊端，而且整体的加固技术方案满足规范要求，有效保证了新建市政道路的软基施工质量。通过对软基加固技术应用效果的对比分析表明，本文设计的市政道路软基加固技术达到了预期的目的，可为此类填海环境下的新建市政道路软基处理提供参考借鉴。