道路软基处理方案选型研究

2023-10-23何长明

岩土工程技术 2023年5期

关键词：选型环境影响可行性

何长明黎军

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东广州 510060）

0 引言

随着工程技术的发展，软基处理方法越来越多。软基处理方案适用的土层不同，处理效果、工程投资以及对环境的影响均不尽相同，选择一种技术可行、经济合理、节能环保的软基处理方案是软基处理成功的关键[1-2]。

传统的软基处理的方案选择大多依据经验判断，缺少量化数据支撑，个人知识水平和工程经验的差异性导致方案选择、处理效果不尽相同，选型不当时达不到预期的处理效果[3]。

为此，国内外学者对软基处理方案选型进行了广泛研究。程贤志等[4]、李国维等[5]通过试验段来确定经济合理的处治方案；苏谦等[6]、刘刚等[7]通过技术经济比较来选择软基处理方案；刘益良等基于模糊数学和灰色理论的软基处理方案评价效果对比研究[8-9]；朱维伦等[10]、田园园[11]通过专家打分的方法，运用层次分析法对公路软基处理方案进行优选，为软基处理方案选择提供了新的思路。

基于上述分析，为推广基于层次分析法的方案选型，从技术可行性、经济合理性及环境影响因素对影响软基处理的各因素详细分析，构建层次分析模型，利用专家决策系统对模型进行权重分配，将复杂的软基处理方案选型数字化，为软基处理方案的选择提供可量化的依据，也为工程技术人员选择合适的软基处理方案提供参考。

1 技术可行性影响因素分析

软基处理方案首先应满足技术上可行。技术可行性包括软基处理方案在相应的地质条件具有适应性，能够满足路基稳定性、施工工期和地基承载力要求，也能满足路基工后沉降值要求，且具有施工便捷、施工质量可控等特点。

1.1 地质条件适应性

常见的软土地基是指由淤泥、淤泥质土、冲填土或其他高压缩性土层构成的地基。地质条件适用性包括岩土层适用性、十字板剪切强度和软土深度等指标。软基处理方案的选择的需根据岩土层情况，软基深度确定合适的处理方案。

常用软基处理方案的适用土层、不适用土层和处理深度（见表1）。

表1 常用软基处理方法适用岩土层

从表1 可以看出，各种软基处理方式都有一定适用范围，处理深度也不相同。软基处理方案选型时宜优先根据地质情况、软土层的深度进行选择。

1.2 路基稳定性

路基稳定性主要是指软土地基上因填土产生的路基整体和局部稳定性，路基填土高度H适宜的软基处理方案如下：

（1）H＜ 6 m时，可采用堆载预压、真空预压或复合地基处理。

（2）6 m ≤H＜ 8 m时，宜采用真空预压或复合地基处理。

（3）H≥ 8 m时，宜采用复合地基处理。

1.3 道路施工工期T 要求

（1）T＜ 1 a时，宜采用复合地基处理。

（2）1.0 a ≤T＜ 1.5 a时，可考虑采用复合地基、真空联合堆载预压等方法。

（3）T≥ 1.5 a时，可采用排水固结法、复合地基处理。

1.4 地基承载力fak 要求

（1）80 kPa ≤fak＜ 120 kPa时，宜采用排水固结法、柔性桩复合地基处理，可采用轻质土填筑。

（2）120 kPa ≤fak＜ 160 kPa时，宜采用柔性桩或刚性桩复合地基处理，可采用轻质土填筑，不宜采用排水固结法处理。

（3）fak≥ 160 kPa时，宜采用刚性桩复合地基或刚-柔组合桩复合地基处理，不宜采用排水固结法、柔性桩复合地基。

1.5 工后沉降值s 要求

（1）s＜ 10 cm时，宜采用刚性桩复合地基或轻质土填筑。

（2）10 cm ≤s＜ 30 cm时，可采用柔性桩复合地基、真空联合堆载预压、堆载预压法等方法。

（3）30 cm ≤s＜ 50 cm时，可采用柔性桩复合地基、真空联合堆载预压等方法。

（4）s≥ 50 cm时，可进行简单的软基处理，软土层较薄时也可不进行软基处理。

1.6 施工质量受控程度

深层软基处理方案的质量受控程度包括施工工艺便捷性和施工质量受控水平（见表2）。

表2 软基处理施工质量控制水平

从表2 可以看出，宜优先选择工艺便捷、质量可控的施工工艺。

2 经济合理性影响因素分析

在满足技术可行性前提下，软基处理方案选型还要重点考虑经济合理性，包括软基处理工程费用、运营期维护费用以及因软基处理增加（或减少）的用地费用等。

2.1 软基处理工程费用

在满足功能的前提下，软基处理宜选择工程费用较低的排水固结法处理，如采用复合地基时，可参考表3 选择合适的软基处理方案。

表3 常用复合地基处理造价

从表3 可以看出，采用复合地基处理时，水泥搅拌桩的单位面积造价最低，高压旋喷桩单位面积造价最高，预应力管桩、CFG 桩、素混凝土桩由于桩径小、桩间距较大，单位面积造价居中。

使用表3 数据时需注意深度的影响。如软基深度28 m，采用水泥搅拌桩悬浮桩处理时，水泥搅拌桩桩长可取15～20 m，单位处理面积水泥搅拌桩造价为675～900 元；采用0.4 m 预应力管桩处理时，刚性桩需保证进入持力层不小于2 m，单位处理面积管桩造价为1380 元。

2.2 运营期维护费用

运营期维护费用主要指由于软基的工后沉降，导致路桥过渡段日常维修的工作量。

从表4 可以看出，复合地基、轻质土路堤运营维护费用较少，堆载预压、真空预压工后沉降相对较大，为保证行车安全和舒适，有必要在日常维护时对桥头路段等工后沉降要求高的路段进行调平处理。

表4 常用软基处理方案运营期费用及用地系数

2.3 对用地的影响

不同的软基处理方案占地不同，如反压护道方案占地最大，真空预压法需增加反压及隔离墙的用地。而轻质土处理时基本为垂直放坡，可以比常规路基更省地，带来一定的经济效益和社会效益。常用软基处理方案的用地系数见表4。

3 环境影响

环境影响包括软基施工期环境影响，运营期环境影响和资源消耗情况。

3.1 周边环境影响因素

软基处理方案的选择需“因地制宜”，充分考虑周边环境，如道路拓宽工程，周边有重要的建（构）筑物时，不宜采用排水固结法处理；当加固深度范围内强透水层中存在流动地下水或承压水时应慎用水泥搅拌桩或高压旋喷桩。周边环境敏感性因素见表5。

表5 软基处理方案敏感性因素

3.2 施工期环境影响因素

在地基处理设计和施工中应注意保护环境，处理好地基处理与环境保护的关系。

与地基处理施工有关的环境污染（见表6），主要有噪声、振动、大气污染、地面沉降、施工场地泥浆及废弃物排放等。

表6 软基处理施工期环境影响因素表

3.3 运营期外部环境的相互影响

运营期外部环境的相互影响主要包括两方面：一是采用的软基处理方案在运营期要对环境影响小，如浅层换填采用废弃沥青混凝料时对地下水造成影响；二是软基处理本身受周边衔接地块软基处理方案影响小，如道路采用真空预压法处理，在运营后如周边邻近地块也采用真空预压法处理，可能造成道路的沉降、开裂，影响道路的运行安全。

采用的软基处理方式应尽可能不影响后续项目施工，如地铁施工、周边建筑物基坑施工、锚索施工等。

3.4 资源消耗情况

资源消耗标准是在产品生产过程中各种物资的消耗标准。软基处理主要消耗水、电（或油）以及砂、石、水泥等矿产资源。由于水为可再生资源，故本次资源消耗评价主要评价不可再生资源（砂、碎石、水泥等）。常用软基处理方案的资源消耗对比见表7。

表7 软基处理方案资源消耗

从表7 可以看出，强夯法消耗资源矿产资源（砂、碎石、水泥）较少，散体材料桩（砂石桩、碎石桩）和强夯置换法消耗的资源较多。

4 层次分析法在道路软基处理方案选型的应用

4.1 层次分析法简介

层次分析法（AHP）是指将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标（或准则、约束）的若干层次，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序（权数）和总排序，以作为目标（多指标）、多方案优化决策的系统方法。层次分析法具有系统性高、简洁实用、所需信息量少等优点。

4.2 建立层次分析模型

确定软基最佳处理方案时，先进行方案初选，再根据AHP 方法进行最优方案确定。在利用AHP 方法进行最后确定时，影响软基处理方案的因素很多，将这些因素根据彼此间的关系进行归类，可分为技术可行性、经济合理性和环境影响三大类。基于上述因素，深厚软土路桥过渡段软基处理方案层次分析结构模式见图1。

图1 软基处理方案层次分析结构模型

4.3 选型模型的权重分配

权重的分配可以根据经验选定，也可以根据统计或专家评分法来确定。本文权重的确定采用经验+专家评分法，对影响软基处理方案的主因素（技术可行性、经济合理性和环境影响）采用经验分析法；对子因素采用专家评分法，根据专家调查意见表，采用评分方法来确定这些因素的相对重要性权值。

从表8 可以看出，软基处理深度小于15 m时，采用常规的软基处理方式技术上均能实现，经济评价权重最大。随着软基处理深度的增加，技术评价权重越来越大，特别是软基处理深度大于25 m时，采用常规的软基处理方式从技术上较难实现，故技术评价权重最大。综合分析：技术可行性权重为35%～45%，经济合理性权重为40%～30%，环境影响权重为25%。本次重点研究深厚软土地基（H＞ 25 m）方案选型，选择具有代表性的40 位软基处理专家对软土地基方案选型评价因素权重进行评价，影响权重咨询结果汇总见表9。

表8 评价模型权重值 %

表9 权重评分 %

4.4 选型模型的权重的计算与分析

本次选取了具有代表性的40 位专家及相关技术人员对路桥过渡段软基处理方案选型进行调查，调查表汇总情况见表10。

表10 专家咨询意见汇总表

从表10 可以得出以下信息：

（1）主因素中“技术可行性”中所有子项均有评价等级为“极其重要”，最多29 次（占比72.5%），最少7 次（占比17.5%）；主因素中“经济合理性”中仅1 项评价等级为“极其重要”，共13 次（占比32.5%）；主因素中“对环境影响”中有3 项评价等级为“极其重要”，均为5 次（占比12.5%）；这也验证了技术合理性权重＞经济合理性权重＞环境影响权重。

（2）技术可行性中，以“软土深度”权重最为突出，这也是软基处理方案选型时关键性因素。其次是“岩土层适应性”和“工后沉降要求”，“施工质量受控程度”权重最小。

（3）经济合理性中，以“软土处理工程费用”权重最为突出，这也是软基处理方案选型需重点考虑的问题，其次是“运营期维护费用”，“新增用地费用”权重最小。

（4）环境影响中，以“施工期间的环境影响”权重最为突出，其次是“运营期环境影响”和“周边环境影响因素”，“资源消耗情况”权重最小。

根据权重评分、计算，各因素权重值计算结果见表11。

表11 选型模型各因素计算结果

从表11 可以看出，软基处理方案选型的主因素中技术可行性权重最大。

为定量评价各方案的优劣，针对不同的评价等级（很好、较好、一般、较差、很差），结合各评价指标的权重，拟定模糊评价指标描述与评分对照表（见表12）。

表12 模糊评价指标描述与评分对照表

4.5 工程实例应用-桥头段软基处理方案选型

项目位于广州市南沙区，规划道路为城市主干路，设计速度60 km/h，红线宽度45 m，双向6 车道。拟建跨涌桥桥面宽度45 m，桥台填土高度3.5 m。

桥头路段地势开阔，无重要建（构）筑物。工程场区内软土主要为淤泥、淤泥质细砂、淤泥质粉质黏土。从软土的埋深看，桥台处地层上部软土层底深度在17.30～19.90 m，其下细砂层厚度3.0～4.8 m，细砂层下卧软土层深度13.0 m，软土层底埋深大于33.20 m。

桥梁基础采用钻孔灌注桩，南侧路基段软基采用水泥搅拌桩复合地基处理，北侧路基段采用袋装砂井+超载预压法处理。

（1）软基处理方案的定性选择

从技术可行性分析，本项目为桥头段软基处理，软土层深厚，工后沉降要求高，故排除排水固结法处理，宜采用复合地基处理。

结合本项目软土深度大于30 m 的特点，可以选用预应力管桩、预应力管桩+水泥搅拌桩处理，也可以考虑加芯水泥搅拌桩处理。

同时，考虑到本项目桥头段软土有一细砂夹层，也可以考虑采用柔性桩复合地基，桩底设置在细砂层的方案。

（2）路桥过渡段软基处理方案的比选

根据分析，提出4 种软基处理方案：预应力管桩、管桩+水泥搅拌桩、加芯水泥搅拌桩和水泥搅拌桩。4 种软基处理方案均采用复合地基处理方法，但其造价和处理深度不同，采用常规的定性评价难以客观、全面地选择合适的软基处理方案。

参考4.4 节分析，对4 种软基处理方案打分（见表13）。

表13 软基处理方案评分表

从表13 可以看出，预应力管桩的扣分项主要是工程费用较高，扣6分，总分94 分；长短桩复合地基的扣分项主要为施工工期要求扣1 分、施工质量受控程度扣1 分、工程费用扣3分，共扣5分，总分95 分；加芯水泥搅拌桩的扣分项主要为岩土层情况扣1 分、软基处理深度扣1 分、路基稳定性扣1 分、施工工期要求扣1 分、施工质量受控程度扣1 分、工程费用扣3分，共扣8分，总分92 分；水泥搅拌桩的扣分项主要为岩土层情况扣1 分、软基处理深度扣5 分、路基稳定性扣1 分、地基承载力扣2 分、工后沉降值扣5 分、施工工期要求扣1 分、施工质量受控程度扣1 分、运营期维护费用扣2分，共扣18分，总分82 分。

从评分情况看，水泥搅拌桩复合地基处理得分最低，不适合作为推荐方案，扣分的主要因素为软基处理深度不满足要求、工后沉降值大；得分较高的是长短桩复合地基和预应力管桩，其技术可行性较好、环境影响小。得分最高的长短桩复合地基可作为本项目推荐方案。