談填砂路基的軟基處理工藝

姚 康 寧

(1.廣州市市政園林工程管理中心，廣東廣州 510000;2.廣州市隧道開發(fā)公司，廣東廣州 510130)

0 引言

在我國大部分濱海和濱河地區(qū)，由于填土材料缺乏，海砂和河砂作為當(dāng)?shù)刎S富的自然資源最多的被用于道路路基填筑中。但天然砂類作為路基填筑材料，存在失水后易滑坍，不易壓實(shí)，干穩(wěn)定性差而浸水后強(qiáng)度不夠的缺陷，如何在施工中對(duì)其控制是一大難點(diǎn)問題。此外，濱海和濱河地區(qū)屬于河流的沖積平原，淤泥層深厚，是典型的軟基地區(qū)。故將填砂路基和軟基處理綜合考慮是確定該類地區(qū)道路施工方案的關(guān)鍵，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文結(jié)合廣州市南沙區(qū)道路施工實(shí)例，從材料性能、施工工序、軟基處理方案選擇、工藝質(zhì)量控制等方面闡述了填砂路基施工的方法和特點(diǎn)，為填砂路基的軟基處理工藝選擇提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。

1 填砂材料性能分析

廣州市南沙區(qū)道路填筑主要采用珠江口細(xì)砂，多為黃(褐)色、灰白色，礦物成分主要為石英，磨圓程度好，級(jí)配差。天然狀態(tài)下松散、無粘性、壓縮性小、摩擦角大、透水性好。

1)無粘性:根據(jù)雙電層和結(jié)合水的概念，當(dāng)兩個(gè)顆?？拷鼉蓚€(gè)顆粒的雙電層互相重疊時(shí)，兩個(gè)顆粒將共同吸引重疊區(qū)域的陽離子，由于砂料中缺少帶電特征的灰土顆粒組，從而呈現(xiàn)無粘性狀態(tài)。

2)壓縮性小:砂料顆粒尺寸大，表面面積小，顆粒與水作用微弱，空隙比一般較少，因而壓縮性小，承載力較高。

3)抗剪特性C=0，摩擦角φ較大，由于砂料無粘性，抗剪時(shí)表現(xiàn)為粘結(jié)力C=0。粒狀土的摩擦性質(zhì)涉及到顆粒之間的相對(duì)移動(dòng)，由于砂料顆粒較灰土顆粒大，剪切時(shí)滑動(dòng)摩擦力和咬合摩擦力較大，因而內(nèi)摩擦角φ較大。

4)滲透系數(shù)大:砂料呈松散狀，顆粒比表面小，在土粒和水界面上的相互作用力主要是毛細(xì)管張力;此外，顆?？障遁^大，因而與粘性土相比表現(xiàn)為較大的滲透系數(shù)。

5)砂的液化:飽和松砂受到震動(dòng)時(shí)，原來穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)遭到破壞，發(fā)生砂顆粒懸浮于水中成為類似液體的現(xiàn)象。砂液化對(duì)工程建筑物有極大的危害。

6)假粘性:砂中水大部分為毛細(xì)水的表面張力可將兩顆粒拉緊形成所謂的假粘性，因此表現(xiàn)出濕砂可粘聚成團(tuán)，泡水后即松散等現(xiàn)象。

2 填砂路基施工工序

對(duì)靠近水道、填砂量大的市政道路進(jìn)行路基施工一般采用吹填砂的施工工藝，路基的施工工序?yàn)?清表清淤→圍堰、設(shè)置排水通道→安裝吹砂管→吹填砂→軟基處理→剩余填砂至路基面標(biāo)高→路基壓實(shí)→包邊封層土施工等后續(xù)工作。對(duì)遠(yuǎn)離水道、填砂量小的市政道路進(jìn)行路基施工一般采用車載填砂的施工工藝，對(duì)應(yīng)的路基施工工序?yàn)?清表清淤→運(yùn)砂便道和排水邊溝施工→車載填砂(一般采用水密法初步壓實(shí))→軟基處理→剩余填砂至路基面標(biāo)高→路基壓實(shí)→包邊封層土施工等后續(xù)工作。由上可知，軟基處理和填砂施工是緊密相關(guān)的工序。對(duì)于地勢平坦、水塘河溝較少的場地可先進(jìn)行軟基處理再大規(guī)模填砂，對(duì)于水塘河溝較多的場地則必須先填砂再進(jìn)行軟基處理，在某些工程中填砂和軟基處理甚至是交叉進(jìn)行的。因此，填砂施工和軟基處理施工兩者是相互影響的，只有同時(shí)嚴(yán)把兩者的施工質(zhì)量關(guān)才能提高路基施工的質(zhì)量水平。

3 填砂路基的軟基處理方法

軟基，即軟土地基，從廣義上講，就是強(qiáng)度低、壓縮性高的軟弱土層。在軟土地基上修筑路基，若不加處理，往往會(huì)發(fā)生路基失穩(wěn)或過量沉陷，導(dǎo)致路面破壞或不能正常使用。習(xí)慣上常把淤泥、淤泥質(zhì)土、軟粘性土總稱為軟土。當(dāng)路堤經(jīng)穩(wěn)定驗(yàn)算或沉降計(jì)算不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，必須對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理。加固的方法很多，常用的適用于填砂路基的方法有以下幾種。

3.1 置換法

置換法又稱換填法，是以優(yōu)質(zhì)土或石方置換軟弱土或不良土，分層碾壓或夯實(shí)。該方法包括拋石擠淤、換填片石、土工織物墊層法等，由于施工方便、不需要樁機(jī)等專用設(shè)備，置換法應(yīng)用非常普遍。例如在軟土分布范圍廣泛的廣州市南沙區(qū)，一般都采用置換法修建機(jī)耕路，且拋石擠淤、換填片石和鋪設(shè)土工格柵等多種置換法一起實(shí)施是比較常見的。置換法最大的缺點(diǎn)是只能對(duì)淺層軟基進(jìn)行處理，如拋石擠淤一般用于當(dāng)泥沼及軟土厚度小于3.0 m時(shí)，處理深厚軟基時(shí)不經(jīng)濟(jì)也容易失穩(wěn)。

3.2 排水固結(jié)法

通過在軟土地基中設(shè)置的豎向排水體，改變?cè)械鼗倪吔鐥l件，增加孔隙水的排出途徑，從而縮短軟基的固結(jié)時(shí)間的軟基處理方法。根據(jù)豎向排水體的不同，又分為袋裝砂井法和塑料排水板法兩種。排水固結(jié)法一般和堆載預(yù)壓或超載預(yù)壓聯(lián)合使用，由于路基本身便采用砂料填筑，故填砂路基一般使用砂進(jìn)行堆載預(yù)壓或超載預(yù)壓。該聯(lián)合方案由于施工簡單、工效高、費(fèi)用省、對(duì)土層的擾動(dòng)小、適應(yīng)地基變形的性能好等優(yōu)點(diǎn)在我國發(fā)展很快。

3.3 深層攪拌法

深層攪拌法又稱加固土樁法，主要是以水泥、石灰等材料做固化劑的主劑，利用深層攪拌機(jī)械對(duì)原位軟土進(jìn)行強(qiáng)制攪拌，經(jīng)過物理化學(xué)作用生成一種特殊的具有較高強(qiáng)度、較好變形特性和水穩(wěn)性的混合柱狀體，從而提高軟土地基承載能力，減少地基沉降。由于石灰對(duì)砂層和淤泥的加固效果比水泥差，一般填砂路基較多采用水泥作為固化劑的主劑，該種加固土樁即為水泥攪拌樁。按固化劑的形態(tài)可分為漿液固化劑和粉狀固化劑，對(duì)水泥攪拌樁而言，采用水泥漿液做固化劑的被稱為濕法施工的水泥攪拌樁;采用水泥粉做固化劑的稱為干法施工的水泥攪拌樁，由于水泥粉通過管口噴射，這種攪拌樁又稱水泥噴粉樁。深層攪拌法徹底改變了原軟土的性質(zhì)，形成的復(fù)合地基不僅強(qiáng)度高而且具有較強(qiáng)的防水功能，不僅應(yīng)用于道路基礎(chǔ)處理，甚至廣泛應(yīng)用于眾多防水工程中。

3.4 真空預(yù)壓法

真空預(yù)壓法是在排水固結(jié)法基礎(chǔ)上改進(jìn)的軟基處理方法，其做法是在原軟土層上鋪設(shè)砂墊層，然后用薄膜密封砂墊層，用真空泵對(duì)砂墊層及在軟土地基中設(shè)置的豎向排水體(如袋裝砂井、塑料排水板)抽氣，使地下水位降低，同時(shí)在大氣壓力作用下加速地基固結(jié)。真空預(yù)壓法與一般的排水固結(jié)法相比，加快了軟基排水固結(jié)的速度、縮短了施工工期。但是真空預(yù)壓區(qū)內(nèi)土體產(chǎn)生指向預(yù)壓區(qū)中心的側(cè)向變形，加固區(qū)周圍出現(xiàn)地面沉降、水平向位移以及地下水位的變化，在施工現(xiàn)場經(jīng)?？梢钥匆姷孛娉霈F(xiàn)較大的裂縫。在建(構(gòu))筑物密集區(qū)和地下管線密集區(qū)不適用推廣該方法。

3.5 高壓旋噴注漿法

高壓旋噴注漿法施工過程與濕法施工的水泥攪拌樁施工類似，系利用高壓泵將水泥漿液通過鉆桿端頭的特制噴頭，以高速水平噴入土體，借助液體的沖擊力切削土層，同時(shí)鉆桿一面以一定的速度(20 r/min)旋轉(zhuǎn)，一面低速(15 cm/min～30 cm/min)徐徐提升，使土體與水泥漿充分?jǐn)嚢杌旌夏?，形成具有一定?qiáng)度(0.5 MPa～8.0 MPa)的圓柱固結(jié)體(即旋噴樁)，從而使地基得到加固。兩者的區(qū)別是:水泥攪拌樁的水泥漿液只起到固化劑的作用，而高壓旋噴樁的水泥漿液沖切、擾動(dòng)、破壞土體，最后混合土粒時(shí)才起到固化劑的作用。一般來說，高壓旋噴樁樁徑稍大于水泥攪拌樁，所投入的機(jī)械設(shè)備比后者復(fù)雜，較高的造價(jià)使其應(yīng)用遠(yuǎn)沒有水泥攪拌樁廣泛。但高壓旋噴樁樁機(jī)較矮，其施工凈空僅需3 m～4 m，適用于有架空線路限制的施工場地。

以上是幾種常用的軟基處理方法，對(duì)填砂路基而言，填砂施工和軟基處理施工經(jīng)常是交叉進(jìn)行的，部分軟基處理方法不適應(yīng)砂料的特性因此很少用于填砂路基施工中。例如砂樁擠密法、強(qiáng)夯法，本文不予討論。

4 軟基處理方案比較

對(duì)填砂路基施工，較常用的軟基處理方法比較如表1所示。

表1 常用軟基處理方法比較表

5 建議

綜上，填砂路基軟基處理工藝的選擇是影響路基施工進(jìn)度和質(zhì)量的關(guān)鍵因素。筆者建議道路不同位置的構(gòu)筑物采用不同的軟基處理工藝:

1)對(duì)于新建道路的一般路段(橋頭路堤、涵洞除外)，當(dāng)工期緊張時(shí)，推薦采用水泥攪拌樁復(fù)合地基方案，攪拌樁直徑50 cm，水泥摻量55 kg/m～60 kg/m，攪拌樁樁頂設(shè)置30 cm厚的碎石墊層及一層土工格柵。道路邊綠化帶或人行道若可以推遲投入使用，可以考慮采用一般排水固結(jié)法方案。排水板(袋裝砂井)間距為1.2 m，梅花形布置，要求排水板打穿軟土進(jìn)入砂層1 m，地面水平排水通道采用50 cm厚的中粗砂墊層，超載(僅車行道及中央綠化帶超載)土方高度1 m。但一般排水固結(jié)法方案的堆載預(yù)壓期一般都需要6個(gè)月，需要謹(jǐn)慎考慮使用。

2)對(duì)于橋頭路堤及涵洞基礎(chǔ)，由于路基工后沉降控制值較為嚴(yán)格，推薦采用加密的水泥攪拌樁復(fù)合地基方案。攪拌樁直徑50 cm，水泥摻量55 kg/m～60 kg/m，攪拌樁樁頂設(shè)置30 cm厚的碎石墊層及一層土工格柵。樁距比一般路段加密(根據(jù)廣州市南沙區(qū)道路修建經(jīng)驗(yàn)，1.1 m～1.3 m為宜)。

3)對(duì)于不同軟基處理工法的過渡段，為減小不同軟基處理方法之間的沉降差，應(yīng)采用設(shè)置高強(qiáng)土工格柵進(jìn)行過渡處理。

［1］ 張永放.高速公路填砂路基壓實(shí)施工技術(shù)的應(yīng)用［J］.公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2008，44(8):77-79.

［2］ 劉 宇.高速公路填砂路基技術(shù)［J］.公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2008，45(9):108-110.

［3］ 王曉謀，袁懷宇.高等級(jí)公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［4］ 龔曉南.地基處理手冊(cè)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.