软土地区路基处理技术研究

孙志远

（中交远洲交通科技集团有限公司，河北石家庄 050000）

0 引言

我国幅员辽阔，特殊地质如软土、膨胀土、湿陷性黄土、盐渍土、岩溶等分布广泛，是工程设计、施工的重点和难点，关系着路基的稳定性和承载能力，影响着行车舒适度和行车安全性。本文着重讨论软基处理设计思路及目前应用较广的混凝土搅拌桩的相关计算问题。

1 软土地基的主要特性及危害

主要特性有：（1）高孔隙比和触变性。软土是土颗粒缓慢沉淀并胶结形成的絮凝状沉积物，其孔隙比同一垂直压力下重塑土高20%～40%。一旦施工扰动，积木状土颗粒溃散、强度迅速降低呈现出流体状态，导致上覆物侧向滑动、沉降，此特性称为触变性。（2）承载力低。其压缩曲线前半段较平缓，当压力超过限值时，压力曲线陡降，之后接近重塑土的线型，陡降阶段为土颗粒重新分布、胶结破坏的阶段，承载力极低，此阶段是软土与重塑土的重要区别。（3）不均匀性。在静水或缓慢流水环境中有机质沉积并经过生物化学作用，除有机质外还夹杂粉细砂晶体，导致不均匀性。

危害：软基压缩性高、强度低、透水性差、沉降速度快。在软土地区修筑路基，会造成路基沉降不均匀，形成局部坍塌、开裂，严重时会出现整体滑移，滑弧切入地基软弱土层中。施工时发生路堤开裂、滑塌，将影响工程质量和施工安全；运营期长期不断地出现路堤下沉，轻者降低舒适性，重者造成交通事故及人员伤亡。

2 软土地基处理技术

积极响应国家技术创新的政策，现代工程技术发展日新月异，新的加固技术、新型材料不断研发，使得软土地基处理的质量和效率大幅提高。针对不同的施工情况要运用不同的加固技术，浅层软基处理以排水固结、清淤及强夯与强夯置换为主，深层软基通常采用粒料桩、加固土桩、水泥粉煤灰碎石桩（CFG）、刚性桩复合地基等处理措施。

3 软基设计

3.1 计算稳定性

坚持预防为主在工程设计中尤为重要，通过计算并采取加强措施可大幅减少施工或运营中发生地质灾害的概率。地基稳定的影响因素是多方面的，主要有地基土性质、地层分层情况、填土高度、加荷速度、横向坡度等。《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）中的稳定验算方法主要以瑞典圆弧滑动法为主，其中包括有效固结应力法、改进总强度法、简化Bisshop 法和Janbu法，有效固结应力法最为常用。

3.2 计算临界高度

临界高度为车荷载加路堤荷载计算得出的设计临界高度。跟软土性质和分层情况，表层硬壳厚度，填料重度等有关。分均质厚层软土地基、均质薄层软土地基、非均质软土地基三种情况。

3.3 沉降计算

在附加应力作用下，饱和孔隙水来不及排出，此时土体只发生弹性变形但没有质变，持续加载孔隙水排出发生的形变称为主固结变形；超静孔隙水完全消散，由土骨架的蠕动重新排列之后发生的变形称为次固结变形。最终沉降值取决于附加应力和基础承载力。假设软土各分层为连续、均质、各向同性的弹性体，计算部位为基底形心且完全侧限。

4 软土地基加固处理技术

软土地基处理分主动和被动处理。主动处理措施有排水固结、改良软土结构，被动处理则是改变路堤的形式。

4.1 排水固结

其固结时间与土层厚度成反比，与排水距离成正比。排水固结是在软弱土地基中做垂直孔，插入排水材料，根据毛细水原理将深层水引至孔口，在孔口设置砂垫层疏水，以加速土体固结。此种方式在处理浅层软基时应用极为广泛，较为常用的工艺为排水砂井、袋装砂井、塑料排水板。

（1）排水砂井可减小纵横向排水距离，实现快速固结。砂井制作较为简单，用打桩机击入钢管并用螺旋钻成孔，孔中填中粗砂，顶面设不小于15cm 砂垫层以形成排水体系，孔径不宜过小，防止沉降过程中被剪切侧移导致排水通道失效。

（2）袋装砂井作用机理同排水砂井，主要区别是将中粗砂装入透水性良好的编织袋再填入孔中。该砂井比排水砂井直径小，成孔时对原基础扰动小，袋装砂井抗剪能力明显优于排水砂井，粗砂用量少。目前，袋装砂井比排水砂井使用更为普遍。

（3）塑料排水板。塑料排水板是将扁口带状柔性塑料板通过插板机打入软基覆盖层之下，排水板表面有反滤小孔，软土中的水通过小孔渗入塑料板，顺着排水板溢出至地表砂垫层，达到排水固结的目的。

4.2 改变路堤形式

（1）设置反压护道。作用机理是通过在路基两侧填筑护道作为压脚，重力使路堤下软基侧向隆起的趋势得以平衡。其施工简便，不需要特殊的填筑材料，但占地较大，适用于非耕种区。反压高度一般不大于路基高度的1/2，超过时应设置多级护道，护道宽度应大于圆弧滑面的宽度。

（2）铺设一层或多层土工格室、土工格栅等聚酯类高分子土工材料。因其抗腐蚀、耐酸碱、抗拉强度高，使用寿命长。主要作用是有效地分配载荷，提高路基的稳定性和承载力。可有效锁住路基材料，防止路面塌陷或产生裂纹，保持地面美观整齐。

（3）还可在路堤坡脚砌石，设板桩、混凝土桩等限制软基侧向位移。

4.3 改良软土结构

（1）浅层置换

将浅层软基或不良土挖去，以透水性好、强度高、性能稳定的碎石、砂、卵石、灰土等材料回填压实，使其达到规范要求的密实度。

（2）抛石挤淤

利用抛石或其他材料的外力和自重，使硬壳层破坏后下层的流塑状软土被强行挤出，实现置换的目的。适用淤泥层较浅的地基。

（3）群桩改良

其原理是利用抗水性材料制成桩，与原地基构成复合地基，增强其承载力。处置措施有挤密砂桩、碎石桩、生石灰桩、粉喷桩等。挤密砂桩直径在30～200cm，有条件时，宜选用较大直径。平面应布置为梅花形或三角形，设置砂垫层，纵向上桩长应大于软硬结合面的深度。其原理是在外荷作用时，应力在砂桩集中，软弱土承受的荷载相对较小，沉降量也得到了控制，而且砂桩易于排水，加快了固结沉降速度，提高了承载力和稳定性。碎石桩同砂桩，材料粒径更大，由碎石填充，其刚度大于原状土，约60%～80%应力由碎石桩承担，碎石桩挤压周围土体，且自身发生径向变形。若黏土强度太低，桩得不到径向支撑就达不到加固的目的，根据相关施工经验，抗剪强度大于20kPa时才考虑使用碎石桩。石灰桩是在软土孔眼中填入生石灰，孔径约20～40cm，平面布置为三角形或四边形，待生石灰遇水后，体积增大，挤密周围土体，并在胶凝作用下提高了孔周边土体强度。粉喷桩是将水泥或生石灰粉利用压缩空气喷入土中，搅拌直至土与粉料胶凝形成柱体，其比石灰桩强度更大，水稳性更好。

4.4 混凝土搅拌桩

随着工程技术的发展，混凝土以高强、耐腐等特点被广泛应用。在软土地基处置方面，混凝土搅拌桩优势越来越明显，应用也更加普遍，其有早期强度低易灌注，后期强度增长快，耐酸、抗水性好等特点。以下通过工程实例对混凝土搅拌桩的设计及施工方法进行深入分析与介绍。

项目概况：宜宾至彝良高速公路（四川境）是《四川省高速公路路网布局规划》（2011年调整方案）规划中新增的8条南北纵线之一。项目向南连接云南省昭通市，并通过昭通、昆明连接云南省其他地区，是通往滇中、东盟的高速公路通道。项目沿线联通宜宾市翠屏区、高县、筠连县，增强了宜宾市对南部区域的辐射带动作用。

不良地质为：滑坡、崩塌及危岩体、岩溶、煤矿釆空、有毒有害气体，特殊性岩土主要为软土。

宜宾至彝良高速公路外业调查是2015 年11 月—2018年1月，正值旱季，雨水少，桩号K44+800工点位于田家村水库红线之外，施工图设计外业调查时亦无积水，收集水库资料显示与路堤并无影响。发现问题时为2020 年雨季施工阶段，水位上涨浸没了堤脚，致填筑路堤开裂，坡脚滑塌。经调查，田家村水库在2017 年将坝顶筑高，致使水库蓄水水位超过路堤坡脚标高，地基长时间浸泡，软弱地基无任何加强措施，导致高路堤在重力和施工附加荷载作用下失稳。图1为K44+800工点软基处理现场照片。

图1 K44+800工点软基处理现场照片

处治措施：因路基处于田家村水库库尾，淹没高度约0.5m，考虑筑岛的方式设置施工平台。从路堤顶分层开挖清除滑坡体，层厚约0.5m，同时设置台阶，台阶宽约2m，直至开挖至原基底。因混凝土搅拌桩适用于加固饱和软弱土地基，使软土凝结成具有整体性、水稳性和高强度的优质地基，其加固效果显著。该工点基底拟采用混凝土搅拌桩加固。

混凝土搅拌桩提高地基承载力计算：

经现场调查，天然地基承载力Rp为65kPa，要求复合地基承载力大于150kPa。原地面至下卧层软弱层厚约7.2m，设计桩长按L=10m 计算，搅拌桩径D取0.6m。容许侧摩阻力f=7.6kPa。

水泥搅拌桩单桩容许承载力Rp1计算见式（1）

由桩身强度所提供的承载力Rp2计算见式（2）：

式（2）中：q为抗压强度，试块材料配合比同桩身混凝土，在标准养护条件下90d 无侧限抗压强度（kPa）；η为试块的折减系数，η取0.40；Ap为桩截面积，计算公式见式（3）

根据实验室混凝土试验结果，水泥含量14%时90d无侧限抗压强度为1 500kPa，计算得式（4）：

因Rp1≤Rp2，取最小值，则水泥搅拌桩单桩容许承载力见公式（5）：

由水泥搅拌桩加固后复合地基承载力Rsp，求置换率及搅拌桩间距见公式（6）：

式（6）中：Rsp为复核地基承载力（kPa）；Rs为天然地基承载力（kPa）；m为桩的置换率；δ为桩间承载力折减系数，桩端为软土时可取0.5～1.0，桩端为硬土时可取0.1～0.4，本工点δ= 0.5。

将Rsp、Rs代 入 式（6）( 1-m)× 65，得出置换率m= 0.248。

根据公式（7）：

得出S= 1.147m。

根据计算结果可知，该工点采用桩长L=10m，则桩间距小于1.147m时，方可保证复合地基承载力不小于150kN。

水泥搅拌桩实施方案：施工机械分为单轴搅拌桩、双轴搅拌桩和三轴搅拌桩；按材料喷射状态分为湿法和干法两种。湿法以水泥浆为主，搅拌均匀，易于复搅，硬化时间长；干法以水泥干粉为主，因不含水分，混凝土硬化时间较短，强度提升快，但均匀性欠佳，难以复搅。本工点采用湿法搅拌，施工前先测量放线，桩平面布置成正方形或三角形，桩径采用0.6m，间距1.1m。该处采用的施工设备有双轴打桩钻机，集料斗，灰浆搅拌机和灰浆泵。设备调试合格后，首次开动钻机使搅拌轴搅拌至软土下卧硬土层，再将水灰比为0.55的灰浆经搅拌泵加压从搅拌轴端喷出，钻进速度约0.8m/min，距离地面0.5m 时停止提升连续喷浆30s，每孔复搅2 次。3d 后抽1%桩体进行轻型触探检测，28d后进行单桩及复合地基静载荷试验。经检验合格，然后用中粗砂或集配砂石垫层满铺整个处理范围，既利于排水又能保证结构层的沉降均匀。

分层回填并在台阶上铺设土工格栅，利用格栅表面与土的摩擦作用、格栅孔对土的锁定作用及格栅肋的被动抗阻作用，几种作用均能锁住土颗粒，大幅提高土体稳定性。

浆砌护坡：该工点由于坝顶筑高，雨季水位会超过路堤坡脚，因此不能做拱形格网植草护坡，应采用浆砌片石护坡，并设置护脚墙，以起到更好的封闭作用，防止水的侵入而浸泡路基。

5 结语

软基作为特殊路基的一种，地域分布较广，如果处理不好后果极为严重。在各种工程事故中，往往地基问题是最主要的原因。路基处理得当，不仅能使行车舒适，还能提高公路使用的安全性。因此，要不断研究软土路基处理技术，从而提高路基施工质量。