公路工程軟土路基加固處理技術(shù)

劉 歡

(湖北交投高速公路運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司，武漢 430074)

在軟土地區(qū)建設(shè)公路，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)路基沉降過(guò)大的問(wèn)題，這主要和軟土性質(zhì)有關(guān)。軟土具有含水率高、強(qiáng)度低、可壓縮性強(qiáng)等特征，正是這些特征導(dǎo)致了較大沉降的發(fā)生。因而在軟土地區(qū)建設(shè)公路有一定的難度，需要對(duì)路基進(jìn)行加固處理。我國(guó)經(jīng)過(guò)多年的工程實(shí)踐，已經(jīng)形成了多種軟土路基加固處理技術(shù)。

為促進(jìn)不同加固處理技術(shù)在軟土路基處治中的合理利用，對(duì)常用軟土路基加固處理技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，并從適用土體、最大處理深度、工期、成本等方面對(duì)常用軟土路基加固處理技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 常用的軟土路基處理技術(shù)

1.1 密實(shí)法

密實(shí)法是工程中常用的軟土地基處理手段，其加固原理是通過(guò)荷載作用壓縮土體的體積，使得土體的可壓縮空間減小，密實(shí)度提高，進(jìn)而增加軟土地基的承載力。在工程中，密實(shí)法又分為強(qiáng)夯法、真空預(yù)壓法以及堆載預(yù)壓法等幾種。

1.1.1 強(qiáng)夯法

采用鋼筋混凝土制成的圓錐體錘擊軟土路基，使路基壓實(shí)從而達(dá)到加固路基的目的[1]。該方法施工簡(jiǎn)單、施工工期較短，且對(duì)路基的加固處理效果較好。經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯法處理后的路基承載能力是處理前的2～5倍，路基沉降量會(huì)大大減小，結(jié)構(gòu)土體強(qiáng)度較高。但如果工程附近區(qū)域是對(duì)振動(dòng)影響有規(guī)定的地區(qū)，則不能采用強(qiáng)夯法。濕陷性黃土地基和可液化的沙土地基多采用強(qiáng)夯法進(jìn)行加固處理。

1.1.2 真空預(yù)壓法

真空預(yù)壓法通常用于處理地下水較多的軟土層[2]，其示意圖如圖1所示。采用真空預(yù)壓法處理軟土地基時(shí)，需要先在軟土地基中進(jìn)行塑料排水板或砂井的布設(shè)，然后鋪設(shè)砂墊層，同時(shí)采用密封膜覆蓋，避免和空氣接觸，最后通過(guò)真空設(shè)備抽氣。密封膜內(nèi)外存在氣壓差，軟土地基中的孔隙水會(huì)逐漸滲出，地基承載力也隨著孔隙水壓力的降低和軟土地基的固結(jié)而逐漸提高。

1.1.3 堆載預(yù)壓法

堆載預(yù)壓法是用石塊、砂料、土料或建筑物作為荷載對(duì)軟土路基進(jìn)行預(yù)壓[3]。示意圖如圖2所示，圖中預(yù)壓荷載為路堤所產(chǎn)生的荷載。路基在附加荷載作用下產(chǎn)生超孔隙水壓力，后續(xù)隨著孔隙水被排出，土體有效應(yīng)力不斷增長(zhǎng)，土體得以固結(jié)。加固后軟土路基的承載力大小取決于上部堆積荷載值的大小。工程中為加快固結(jié)過(guò)程會(huì)在地基中設(shè)置一定深度的豎直排水通道，如圖中所示的砂井。

1.2 置換法

置換法是將一定深度的軟土進(jìn)行清除，然后置換成穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、不易壓縮的土體材料[4]。常用的材料有粉煤灰、碎石、鵝卵石等。置換法通常在淺層軟土路基的處理中使用，如圖3所示，其處理深度一般控制在5 m以內(nèi)，土體類型一般是雜填土、腐殖土和淤泥質(zhì)土等。置換過(guò)程分層進(jìn)行，置換后需對(duì)填土進(jìn)行夯實(shí)、振動(dòng)等密實(shí)操作處理，最終形成強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的路基。由于換填使用的材料抗剪切強(qiáng)度較高，路基地基承載力得到明顯提高。置換法會(huì)減小地基沉降，通常淺層地基的沉降主要是因?yàn)闇\層土體承受荷載較大，上部土體易發(fā)生沉降，而軟土又極易被壓縮，所以會(huì)出現(xiàn)較大沉降，當(dāng)軟土被替換為密實(shí)材料后，可以有效地減小地基沉降。置換法除了實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)地基承載力和減小沉降功能外，還有著加速軟弱土層排水固結(jié)、防止土體凍脹以及消除膨脹土漲縮作用的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 復(fù)合地基法

復(fù)合地基法是在軟土路基中設(shè)置樁體[5]，通過(guò)樁體和土體共同承擔(dān)荷載。該方法不僅用于公路工程，在房屋建筑、鐵路、碼頭等的地基處理中也有廣泛應(yīng)用。這主要是因?yàn)樵摲椒ㄔ诙鄶?shù)情況下既發(fā)揮置換作用又起到密實(shí)作用，能夠較明顯的提高地基承載力。砂石樁復(fù)合地基、水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基、夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基、水泥土攪拌樁復(fù)合地基、旋噴樁復(fù)合地基等都屬于復(fù)合地基法的內(nèi)容，其中在公路工程中應(yīng)用最為廣泛的是水泥攪拌樁法和碎石樁法。

1.3.1 水泥攪拌樁法

水泥攪拌樁法是利用攪拌樁設(shè)備將水泥噴射到土體中，水泥與土體發(fā)生一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)達(dá)到硬化土體和增強(qiáng)地基承載力的目的。水泥攪拌樁法有著多方面的優(yōu)越性，一是該方法對(duì)周圍環(huán)境影響較小，尤其對(duì)于周邊建筑較多的地區(qū)，甚至在市區(qū)施工也不會(huì)對(duì)周圍居民的日常生活產(chǎn)生較大影響。二是可以充分利用原有的軟土土層，僅通過(guò)加入水泥固化劑就可以使得原有土層承載力得到大幅提高。三是固化劑可以靈活選擇，根據(jù)地基承載力要求、工期要求、軟土類型等選擇合適的水泥固化劑。四是對(duì)軟土進(jìn)行固化，其重度變化較小，這就意味著對(duì)下臥層產(chǎn)生的影響也較小。

1.3.2 碎石樁法

碎石樁法是當(dāng)前軟土路基加固處理的常用方法之一，該方法先通過(guò)機(jī)械設(shè)備在軟土地基中打孔，然后將碎石壓入孔中形成大直徑密實(shí)樁體，從而達(dá)到加固軟土路基的作用。振密作用使得碎石樁周圍土體發(fā)生振動(dòng)，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，孔隙水壓力升高，在孔隙水壓力消散結(jié)束后，土體密實(shí)度得到提高，土體逐漸穩(wěn)定。另外該方法還有排水減壓的作用，促進(jìn)土體排水固結(jié)。

1.4 土工合成材料法

土工合成材料在公路工程中被廣泛應(yīng)用[6]。土工材料一般是以高分子聚合物為原材料制備而成的產(chǎn)品，常用的有土工網(wǎng)、土工格柵等，該方法可以同其它地基加固處理技術(shù)共同使用，如在換填基礎(chǔ)上引入土工合成材料，可進(jìn)一步提高地基承載力。土工合成材料應(yīng)用到軟土路基時(shí)具有加筋作用，大大增強(qiáng)土體的抗拉能力，使土體應(yīng)力重新分布，改善了土體的整體受力，進(jìn)而使得土體的承載力得到明顯提升。

1.5 袋裝砂井排水法

袋裝砂井排水法是通過(guò)機(jī)械設(shè)備將盛有砂的編織袋打入軟土地基中[7]。袋裝砂井排水法是根據(jù)砂井排水法發(fā)展而來(lái)，其加固原理是通過(guò)袋裝砂井排水固結(jié)，該方法對(duì)應(yīng)的施工工藝和施工設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、且施工期不受天氣影響，因此被廣泛采用。

1.6 其他方法

除以上幾種方法外，公路工程軟土路基加固處理技術(shù)還有拋石擠淤法、反壓護(hù)道法、化學(xué)藥劑法等，其中拋石擠淤法是在路基底部放置片石，通過(guò)片石的擠壓作用將淤泥擠出路基基底，常用于常年積水地區(qū)。反壓護(hù)道法則是在路堤兩側(cè)修筑護(hù)道以抵消淤泥或泥炭向兩側(cè)隆起的趨勢(shì)。化學(xué)藥劑法是把水泥漿或其他化學(xué)藥劑注入到軟土中，使土體快速固結(jié)，最終達(dá)到提高路基承載力的目的。隨著公路工程的不斷發(fā)展，土體加固新技術(shù)還在不斷涌現(xiàn)和完善。

2 常用加固處理技術(shù)對(duì)比分析

不同的軟土路基加固處理技術(shù)在公路工程中使用時(shí)，每一種技術(shù)方法適用的土體、可處理軟土地基的深度、施工工期、經(jīng)濟(jì)成本等都會(huì)存在差異。因而在工程施工時(shí)，需結(jié)合工程地質(zhì)環(huán)境、軟土地基規(guī)模、施工時(shí)效及成本控制需求等多方面因素來(lái)選擇合適的加固處理技術(shù)。表1為不同加固處理技術(shù)的適用場(chǎng)景對(duì)比結(jié)果，可見，不同路基加固處理技術(shù)適用范圍有所不同?？傮w來(lái)看，水泥攪拌樁法、碎石樁法、土工合成材料法和袋裝砂井排水法適用范圍廣，且工藝上也較容易實(shí)現(xiàn)。除了從技術(shù)層面考慮不同路基加固處理技術(shù)的適用場(chǎng)景，還需要結(jié)合工程施工工期和成本等因素分析。不同加固處理技術(shù)的工期、成本對(duì)比結(jié)果如表2所示，可見，不同加工處理技術(shù)不僅工期有所不同，且成本差異較大；相對(duì)來(lái)說(shuō)，強(qiáng)夯法和置換法是兩種能兼顧工期和成本的高效率、高性價(jià)比軟土地基處理方法。

表1 常用加固處理技術(shù)的適用場(chǎng)景

表2 常用加固處理技術(shù)的工期及成本情況

3 結(jié) 論

常用的軟土地基處理方法主要有強(qiáng)夯法、真空預(yù)壓法、堆載預(yù)壓法、置換法、水泥攪拌樁法、碎石樁法、土工合成材料法、袋裝砂井排水法等。在工程施工時(shí)，需結(jié)合工程地質(zhì)環(huán)境、軟土地基規(guī)模、施工時(shí)效及成本控制需求等多方面因素來(lái)選擇合適的加固處理技術(shù)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，水泥攪拌樁法、碎石樁法、土工合成材料法和袋裝砂井排水法適用范圍更廣，且工藝上也較容易實(shí)現(xiàn)；強(qiáng)夯法和置換法是兩種能兼顧工期和成本的高效率、高性價(jià)比軟土地基處理方法。