公路工程设计中软土地基处理方法分析

2022-08-18何栋材

运输经理世界 2022年14期

何栋材

（安徽省综合交通研究院股份有限公司，安徽合肥 230094）

0 引言

软土地基之上建设公路，因为密实度较差，在长期地质水文因素和长期交通荷载影响下，较易发生沉陷、塌陷、路面开裂等公路病害，影响公路使用寿命和交通运行安全，为此必须加强地基密实度，促进公路长期、安全运行。通过科学应用地基处理技术，可达到良好的建设效果。

1 软土地基的主要特点

1.1 高压缩性

软土地基具有高压缩性，相关研究认为，软土具有较大孔隙和较高含水量，同时容重显著低于常规地基，在此类地基土壤中存在丰富腐殖质、微生物与可燃气体等，受此影响，地基压缩性较高，而且需要较长时间才能具有较好稳定性。在一定条件下，通常软土塑限值与地基压缩性呈正相关。

1.2 透水性差

此外，软土地基透水性不理想，地基中水分不易渗出，垂直层面基本无透水，因此不利于排水固结，在实际建设中，此类路段需要更长时间沉降。不仅如此，在加荷初期，较易发生孔隙水压力过高的情况，对地基强度造成消极影响。

1.3 触变性

触变性也是软土地基常见缺点，因为软土属于絮凝状沉积物，具有显著结构性特点，当外界因素破坏原状土后，其结构强度也受到显著消极影响，因此此类地理环境在受到多因素扰动后较易导致结构破坏，降低原有强度，严重时可在短期内呈现稀释状态，此种特点即为触变性，是软土的典型特点之一。因此，一旦软土地基受到振动荷载影响，发生侧向滑动、沉降的风险较高，此外还可能发生底面两侧挤出的情况。软土地基除上述特点外，还具有流变性，即持续受到一定荷载影响，软土地基变形逐渐加重，表现为瞬时强度较高，长期强度较低。此种结构不利于建设稳定的边坡、堤岸或者码头等，公路要求具有较高荷载量，因此更需要针对性处理此类问题，加强抗剪强度和地基结构稳定性。不均匀性也是该类地基常见特点，软土层内部含有大量粉细砂透镜体等，垂直方向、水平方向具有显著差异，在此种环境中建设公路工程，较易发生不均匀沉降。

除上述特点外，软土地基还具有抗剪强度低的特性，因为具有此种特性，必须在施工过程中进行现场原位试验，测量抗剪强度。

2 改造软土地基的必要性和基础计算方法

2.1 改造的必要性

在公路工程建设中，应针对其上述特性采取技术性措施，增强地基稳定性，以保证工程投入使用后的安全，促进工程长期服役，节约养护成本，促进高质量交通运输。公路工程建设环境多样化，其中有许多路段为软土地基，在优化处理软土地基时，应科学选用合适方法，结合地基实际情况进行综合处理，提高公路地基稳定性，提高建设质量。在施工中灵活选择处理方法和规范应用处理技术具有必要性。与常规地基相比，软土地基具有独特的结构和特性，分析其力学特性对于改善软土地基应用效果具有积极意义。

2.2 基础计算方法

在评估地基承载力时，通常通过载荷试验，联合使用公式或者原位测试等方法，并综合工程实践经验进行评估。对于基础宽度超过3m，或者基础埋深超过0.5m 的，通常需要予以分析修正。完成修正的地基承载力特征值描述为fa，地基承载力描述为fak，基础宽度修正系数描述为b，基础埋深修正系数描述为d，基础底面下方土重度描述为γ，基础底面宽度描述为ηb，基础底面上土平均加权重度描述为γm，基础埋深描述为ηd，则采用式（1）进行修正：

3 软土地基处理常用技术

3.1 强夯法

所谓强夯法，即在建设公路工程时利用夯实作用增强地基结构紧密度和稳定性，增强公路承载力。公路工程中地基的最重要性能是其承载力。公路工程建设中如果地基松软度较高将影响公路使用性能，因此必须对地基松软区域进行强夯法加固，从而增强地基承载力，提升公路建设质量。在采用强夯法进行地基处理施工时，根据地基松软程度和土层结构，科学控制落锤高度和力度，使用重锤设备向下用力砸击路面。落锤对土地结构造成影响，从而有效提高地基土层密度，降低地基松软度，夯实地基。强夯法是软土地基处理中应用比较广泛的处理方法，施工效果较好。此种处理方法的主要缺点是施工噪音和振动较大，不宜在人口密集地区使用，并且对饱和的粉土和黏性土无明显加固效果。

3.2 排水固结法

在公路工程地基建设中，排水固结法也比较常用。应用该处理方法时，需要在地基内部插设塑料排水板，也可使用袋装沙井，构建此类结构设施后，排水体垂直作用于建筑物的重量提升，通过此种方法夯实地基。在建筑物建设之前也可采用排水固结法，通常采用此法加强场地压力。应用该处理技术后，基层土中水分持续通过小缝隙流失，在此过程中土壤逐渐固结。土壤固结过程中，土地强度持续提高，同时地基相应沉降，对地基沉降进行科学控制，同时联合使用铺筑沙土层等施工工艺进行处理，应用效果较好。此种处理方法的局限性是预压耗时较长，因此对于工期紧张的工程而言适用性相对较差。

3.3 换填法

换填法属于地基处理中比较特殊的处理技术。应用该技术清除局部地区软性黏土，使用其他材料对该部位进行回填。在此种施工中，回填材料通常为具有较高硬度的砂土和碎石材料，回填后夯实处理，可保证地基具有较好的强度和稳定性。换填处理方法通常不会优先使用，在实际工程建设中，采用其他地基处理方法未能达到良好效果时可采用此种方法。采用此种方法时，需要首先清除路段中的软土地基，然后重新回填砂石材料，后续联合使用强夯法或者排水法提高地基强度。换填法通常在黄土、淤泥地基中使用，作业流程比较复杂（见图1）。

图1 换填法施工

3.4 振密法

振密法也称为挤密法，在此种处理方法中，通常需要根据工程实际情况综合实施爆破、夯击、挤压以及振动等手段，通过针对性处理提高区域土体密实度，从而增强土体抗剪强度等。通过应用此种地基处理方法，可缩小地基压缩性。在应用此类技术时，首先使用机械振动桩管使其深入土层形成孔洞，然后灌入砂、碎石、石灰等材料，灌注材料后保证材料挤入土中，从而构建大直径挤密桩。在土层中建设此种桩管，可对周围土壤造成挤压，从而改善骨架强度，降低局部地基压缩性，同时增强抗剪强度。此种方法应用后具有较大规格的挤密桩断面，承载力较强，变形模量比较理想，当施工区域含有大量黏性土时，需要设置排水通道，促进挤密桩快速固结（见图2）。

图2 振密法施工

3.5 加筋法

此种方法适用于沉降量较小的路堤类工程，在高路堤建设中，适宜使用土工布垫隔后填土。通过加筋处理，可预防软土地基向侧向发生严重位移，促进地基结构稳定，对地基产生侧向约束作用，缓解应力水平。应用此种处理方法后，可提高地基刚度，促进地基稳定性。通过此种处理可显著增强地基横向排水效果，促使荷载作用在整个地基中均匀分布。土工布覆盖摊铺处理基底法在改善地基刚度的同时，能有效维护边坡，加速工程排水，促进地基稳定。

4 案例分析

4.1 工程概况

某公路工程项目需要处理软土地基路段长度为1750m。分析土层构成情况，其中占比较高的是膨胀性亚黏土，含有部分卵石层，为冲洪积累而成。施工区域基层是石炭砂泥岩。总体结构方面，软土层中粉土较多，透水透气性不良，具有较大压缩比例，承载力显著低于公路建设需求。在地基施工中必须加固软土，根据建设目标优化软土地基，增强其稳定性，降低渗透性。

4.2 设计施工方案

4.2.1 作业分析

勘察施工现场水文地质情况，划分工程地质分区，根据施工现场实际地质条件和建设施工条件科学设计施工方案。全面分析设计方案可行性，对于施工中难以执行的方案，相应开展勘察勘探工作，结合勘察结果优化设计方案。通过工程分析认为，该工程软土地基处理方案适宜采用综合处理方法，即进行换填砂垫设基层，使用碎石桩进行加固处理，以及使用土工格栅加固等。施工前，全面分析工程建设需求，对建设材料进行检测和质控，确保建材数量和质量符合行业标准，检测设备性能状态，同时要求操作人员符合设备使用资质，然后按照规范流程施工。

4.2.2 换填土处理

该工程中部分建设区域软土地基较浅，其中包括低洼水源地带、杂填土区域以及暗沟等。上述区域地基承载力较差，较易发生结构形变，不符合工程建设预期。此外，软土层厚度不足，根据工程实际情况，决定通过换填加固方法处理软土地基。设计施工流程为，首先平整场地，做好施工准备，然后分层换填材料，摊铺整平，最后洒水、晾晒并且采用机械予以碾压处理，压实地基。完工后检测砂垫层，保证地基建设稳定。

建设中换填土采用中粗砂砾，施工前取样分析砾类土场，测定其中含砂量和有害物质，根据实际施工需求选择换填砂。平整场地后将施工区域杂物清除，换填区域两侧开挖边坡，坡度为1∶0.5，总体上平整基底。基坑施工完工并且验收后，以设计方案工艺参数为依据，分层填筑填料，压实厚度要求为25cm。根据设计方案对砂砾石用量进行控制。推土机推平填料后，刮平机二次平整填料，使填层厚度规格和表层平整度达到设计要求。按照设计要求监控填料含水量，当含水量过高时自然晾晒一段时间降低含水量，反之则使用洒水车补水提高含水量。换填结束后实施机械碾压操作，提高垫层密实度。仪器检测底层地基系数、压实系数，按规范执行工程验收。并在砂垫层两侧建设临时排水沟促进施工过程中顺利排水。

4.2.3 碎石桩加固

在碎石桩加固施工中，主要是处理黏性土路段。在施工时，首先平整场地并铺设砂垫层，其次设置定位桩，以桩基为基础打设钢管柱，然后将碎石桩埋入，最后填筑地基。在此施工环节中，平整场地和铺设砂垫层和前述砂砾土换填操作方法一致。完成上述步骤后，观察碎石桩布设间距和建设范围，采用小木桩进行单个桩定位。布设机械设备时，采用从低处向高处的布设原则。利用设备定位桩锤中心，确保其与地面间距合理。采用机械打桩法打桩，吊起桩管后准确定位打桩位置，然后开锤。在施打作业时科学控制锤击频率，通常控制为30～70kN，轻缓落锤，监控落锤角度，确保桩管垂直插入地面。拔管时应持续使用振动棒对管中碎石进行捣实，提高碎石密实度。在此作业中一旦发生碎石量不足或者碎石桩断裂的情况，后续应在原施工点实施复打操作。拔出桩管后，在砂垫层竖直埋入碎石桩，要求桩顶露出井口不低于30cm，根据具体设计标准凿除超高部分。完成碎石桩施工后实施地基填筑作业。

4.2.4 土木格栅作业

土工格栅作业中，基础步骤为首先平整场地，然后测量土地放样，最后采用平铺作业方法进行土工格栅铺设施工，要求严格执行标准流程。场地平整中确保地基整洁，在测量放样过程中使用白石灰标记界线，选择宽幅筋材，土工格栅铺设时依据垂直堤轴线进行铺设。根据设计长度裁制材料，通常应避免出现拼接缝。采用搭接法横向连接材料，搭接重合部位规格通常控制为40cm 左右。在进行土工格栅铺设施工时，严格按照设计图纸要求，人工拉紧材料并且使用插钉进行固定，保证铺平，防止出现褶皱以免影响平整度。铺设土工合成材料后，检验铺设质量，验收合格后在规定时间内进行填料填筑作业，通常应在48h之内完成材料铺筑。如果材料铺筑不及时，将导致太阳长时间暴晒土工合成材料影响材料性能和使用寿命，因此应及时完成后续施工。使用轻型推土机摊铺第一层填土，将填料卸在目标区域后应及时摊铺，预防局部下陷。