市政道路施工中軟基加固技術(shù)及其應(yīng)用效果分析

程強

（河北廣通路橋集團有限公司，河北邯鄲 056000）

0 引言

在市政道路建設(shè)過程中，地基的結(jié)構(gòu)對整個項目的承載能力和使用壽命都有很大的影響，道路地基主要由巖基和軟基構(gòu)成，巖基的材料主要根據(jù)地勢環(huán)境和施工要求選擇。軟基設(shè)計的目的是提高道路結(jié)構(gòu)的堅固性，防止地基出現(xiàn)下沉和凸凹。軟基處于巖基的高一層次，主要類型為有機土、松土、硬土、軟土等小型土壤分子，此類型的土壤分子長時間暴露在空氣中，會與空氣中的水蒸氣進行反應(yīng)，形成大量的水分子，導(dǎo)致市政道路地基內(nèi)部結(jié)構(gòu)軟化，另外，在道路上車輛運行的外力作用下，道路地基便會出現(xiàn)下沉、坍塌現(xiàn)象，產(chǎn)生重大的道路安全隱患[1-2]。

為避免以上安全隱患的發(fā)生，市政道路施工中的軟基加固成為道路地基施工的重要步驟。本文設(shè)計并模擬了一種新型的市政道路施工軟基加固技術(shù)，并基于煙臺某市政配套工程項目，對實施效果進行驗證，結(jié)果表明：該加固技術(shù)能提高道路地基的整體穩(wěn)定性，還可提高道路施工的工作效率，提高道路施工的經(jīng)濟效益。

1 新建市政道路軟基加固機理

隨著市政道路的通行，在道路荷載的作用下，軟基結(jié)構(gòu)內(nèi)部的散態(tài)固結(jié)樁（如砂礫樁）會逐漸擠壓進入不屬于固結(jié)樁層次的軟土內(nèi)，使道路軟基內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輕微變化，并產(chǎn)生額外的壓力、負載力，導(dǎo)致軟基下沉或水平延長，降低軟基的穩(wěn)定性，使道路工程埋下安全隱患（如圖1）。

圖1 市政道路軟基結(jié)構(gòu)示意

為延長市政道路中軟基的有效使用壽命，本文提出新型的道路軟基加固技術(shù)，此技術(shù)的工程目標(biāo)如下：

（1）保證道路施工過程中其他工序的正常施工，道路軟基內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且分層多，立樁之間關(guān)聯(lián)密切，在軟基加固過程中不得破壞道路軟基的結(jié)構(gòu)[3-4]。

（2）達到市政道路施工中軟基加固的效果，保證行車安全。

市政道路軟基加固技術(shù)的原理是利用振動器的振動工作模式，縮短道路軟基內(nèi)部的散態(tài)固結(jié)樁的相對距離，提高軟基結(jié)構(gòu)的密度，每次振動波動的程度微小，以防止破壞軟基結(jié)構(gòu)內(nèi)其他樁體。但是軟基樁體的密度一旦提高，就會增加軟基的摩擦力，提高軟基沉降速率。為此，通過本文設(shè)計的軟基加固技術(shù)，使移入軟基結(jié)構(gòu)內(nèi)部的樁體具有排水孔，以平衡樁體之間的摩擦力。該加固技術(shù)將軟基的承受力壓縮在中心結(jié)構(gòu)的散態(tài)固結(jié)樁內(nèi)，防止在加固過程中承載力降低[5-6]。

針對優(yōu)化后需加強處理的道路軟基結(jié)構(gòu)，通過適當(dāng)增加固結(jié)樁的數(shù)量，優(yōu)化提高軟基的基本穩(wěn)定性。施工道路軟基布樁結(jié)構(gòu)圖如下圖2所示。

圖2 道路軟基布樁結(jié)構(gòu)示意

布樁完成后，進行道路軟基信息數(shù)據(jù)的測量，將所有的信息數(shù)據(jù)經(jīng)過計算，得到道路軟基需要加固的程度，具體計算公式為：

式（1）中：fnk為砂礫承載力（kPa）；fpk為單樁復(fù)合地基承載力（kPa）；β為土地承載力（kPa）；m為承載力比重；fuk為承載力極限值（kPa）。

將計算得到的數(shù)據(jù)對照道路軟基樁體承載力經(jīng)驗取值表（見表1），獲得道路軟基需要加固的程度。

表1 道路軟基樁體承載力經(jīng)驗取值

最后，按照計算的道路軟基結(jié)構(gòu)內(nèi)散態(tài)固結(jié)樁間的加固程度，完成市政道路軟基加固處理。加固處理分為沉管成孔、分層填料和成樁三個工序。

（1）沉管成孔主要是根據(jù)需要加固軟基的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部樁體的材料，將準(zhǔn)備好的樁體進行切割，并在每個樁體上設(shè)計3個排氣孔，排氣孔的間距和位置按照規(guī)定切割。

（2）分層填料工序為沉管成孔工序的一個完善，填料采用軟基原先采用的材料進行處理，其他材料會與軟基出現(xiàn)排異現(xiàn)象，此工序的目的是提高軟基加固技術(shù)的振密效果。

（3）成樁工序的目的是將新移入軟基內(nèi)部的散態(tài)樁體頂口進行密封處理，此工序結(jié)束后，軟基的加固處理即完成。

2 軟基承載力模擬

市政道路軟基的承載力主要取決于軟基結(jié)構(gòu)內(nèi)樁體的承載狀態(tài)，樁體的承載狀態(tài)受到軟基樁體的樁長、布樁結(jié)構(gòu)、樁體材料、樁體夯實深度等的約束，不斷調(diào)整軟基承載因素的數(shù)值，并建模計算，最終得到軟基承載力的最大值。道路軟基承載力分為樁體極限承載力和樁間土極限承載力，兩種承載力處于互相約束的狀態(tài)。為提高軟基承載力數(shù)值模型的精度，本文分別模擬樁體極限承載力和樁間土極限承載力的負荷承載力，然后進行承載的復(fù)合計算，實現(xiàn)承載力的模擬計算[7-8]。

首先計算樁體的極限承載力。樁體的承載力本質(zhì)是樁體內(nèi)側(cè)摩擦力與支撐阻力合成的作用力。為降低計算誤差，本文在計算過程中將以上兩個介質(zhì)因素的結(jié)果取最小值。在分析樁體極限承載力過程中，樁體的強度既為樁體提供了一部分的承載力，又提供了一部分的壓力，綜合以上樁體的受力分量，然后計算樁間土極限承載力。由于樁間土結(jié)構(gòu)的特殊性，施工過程中經(jīng)常取天然地基的承載力作為樁間土的極限承載力。在軟基加固過程中，樁間土的極限承載力會出現(xiàn)波動，計算時要剔除樁間土之間的作用分力，并充分考慮各個樁體間存在的微膨脹現(xiàn)象，本文通過地基微膨脹系數(shù)完成計算。

最后，借助樁體軟基的實際極限承載力修正系數(shù)和復(fù)合地基置換率，得到最終的市政道路軟基承載力模擬值。

3 軟基散態(tài)固結(jié)樁沉降模擬

采用Abaqus 軟件對軟基結(jié)構(gòu)中散態(tài)固結(jié)樁的沉降特性進行數(shù)值模擬，Abaqus 軟件的作用是對軟基樁體的部分數(shù)據(jù)信息進行多維有限元仿真，還原出真實的軟基結(jié)構(gòu)，為軟基結(jié)構(gòu)中散態(tài)固結(jié)樁的沉降特性模擬奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提高模擬的真實性[9-10]。

道路軟基散態(tài)固結(jié)樁的實際沉降結(jié)構(gòu)存在隱性沉降和真實沉降。傳統(tǒng)的軟基散態(tài)固結(jié)樁沉降計算往往會忽略固結(jié)樁的隱形沉降，使模擬結(jié)果出現(xiàn)偏差。

軟基散態(tài)固結(jié)樁的真實沉降區(qū)域也被稱為加固區(qū)沉降，因為道路軟基結(jié)構(gòu)中內(nèi)置許多的立樁，立樁的數(shù)量越多，軟基立樁間的負載密度越大，軟基所承受的壓力越大，出現(xiàn)的沉降現(xiàn)象也就越明顯。本文采用應(yīng)力修正法完成散態(tài)固結(jié)樁的真實沉降計算，由于軟基散態(tài)固結(jié)樁的受力狀態(tài)是實時變化的，即使波動很小，但經(jīng)過模擬計算，所呈現(xiàn)的結(jié)果偏差也較大。應(yīng)力修正法在計算過程中涉及軟基散態(tài)固結(jié)樁的測量數(shù)據(jù)量越少，所計算的數(shù)據(jù)結(jié)果誤差就越小。

軟基散態(tài)固結(jié)樁的隱形沉降與真實沉降存在線性關(guān)系，可以說隱形沉降是由外力和散態(tài)固結(jié)樁的承載壓力共同合成的作用力導(dǎo)致的，市政道路施工規(guī)范中規(guī)定，道路軟基的散態(tài)固結(jié)樁在道路通行階段可以出現(xiàn)一定的沉降。

軟基加固技術(shù)的應(yīng)用目的是解決道路軟基結(jié)構(gòu)中散態(tài)固結(jié)樁的沉降現(xiàn)象。目前道路軟基由三個層次構(gòu)成，故為保證軟基散態(tài)固結(jié)樁沉降特性數(shù)值模擬的精度，本文將軟基結(jié)構(gòu)分為三個層次進行模擬，分別設(shè)定為試驗段1、試驗段2以及試驗段3。然后利用軟件對三個試驗段進行多維有限元仿真建模，得到每個層次的軟基散態(tài)固結(jié)樁的三維有限元模型。對三個施工道路的試驗段完成建模后，分別對每個試驗段施加相同的荷載力，模擬通行狀態(tài)的道路，運行一段時間后，再利用軟件計算此時三個測試路段的軟基散態(tài)固結(jié)樁沉降情況，根據(jù)試驗結(jié)果即可檢驗軟基加固技術(shù)的實施效果。

4 技術(shù)應(yīng)用及其效果分析

4.1 工程概況

煙臺海上世界項目位于山東省煙臺市核心地帶，占地面積約8km2，項目建成將為全國第三個“海上世界”。項目規(guī)劃建設(shè)為世界級新灣區(qū)，集“船、港、城、游、購、娛”于一體的高端商旅綜合體，打造面向全國、比肩世界的煙臺新核心，效果圖如圖3所示。

圖3 煙臺海上世界一期工程效果圖

本工程的一個重要建設(shè)目標(biāo)是建設(shè)質(zhì)量優(yōu)、檔次高的煙臺海上世界市政道路，為此，需翻建和新建道路共29條，總長度16 534m。但在本工程的填海環(huán)境條件下，如何實現(xiàn)市政道路軟基的有效加固成為了一大難點。

4.2 模型建立

為檢驗本文設(shè)計的市政道路軟基加固技術(shù)的可靠性，對海上世界項目中的某段新建市政道路進行軟基加固技術(shù)應(yīng)用，并分析加固結(jié)果。為保證工作效率和成本，選擇市政道路施工軟基長度為1 000m，復(fù)合地基寬度方向的砂礫樁13 列，樁間距30m，樁徑8m，基礎(chǔ)地表以下深度為100m，加固區(qū)深度50m，墊層采用中密砂墊層，厚度為30m。試驗過程中，道路軟基的一部分采用本文設(shè)計的軟基加固技術(shù)，另一部分不采用任何的軟基加固技術(shù)。在對比試驗進行前，對道路加固區(qū)域按照1∶1.5 的比例進行刷坡，對應(yīng)用道路區(qū)域的軟基進行布樁建模。

按照本文設(shè)計的方法計算道路軟基的極限承載力，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)補錄到Abaqus 軟件內(nèi)，進行道路軟基的多維有限元仿真建模。

4.3 效果分析

建模完成后，按照軟件計算的數(shù)據(jù)，對需要施工的道路軟基進行加固處理。在試驗路段增加300Pa 的壓力，模擬通行道路的運行狀態(tài)，觀察24h后，得出試驗數(shù)據(jù)如下：

（1）市政道路軟基散態(tài)固結(jié)樁的沉降程度通過水平位移和豎直位移兩方面體現(xiàn)，其中施加了加固技術(shù)的軟基散態(tài)固結(jié)樁豎直位移為0.23mm，沒有出現(xiàn)水平位移。而沒有進行加固技術(shù)處理的軟基散態(tài)固結(jié)樁則出現(xiàn)了水平位移和豎直位移，且沉降程度大于0.23mm。

（2）通過專業(yè)的道路軟基承載力檢測工具，得出應(yīng)用軟基加固技術(shù)的路段區(qū)域的極限承載力高于沒有任何處理的軟基路段，且施加加固技術(shù)的軟基立樁穩(wěn)定性高于傳統(tǒng)軟基結(jié)構(gòu)內(nèi)的立樁。

通過以上市政道路軟基加固技術(shù)的應(yīng)用效果分析，認為本文設(shè)計的市政道路軟基加固技術(shù)具有可靠性，可以投入使用。

5 結(jié)語

隨著我國城市道路施工方式的不斷進步及施工技術(shù)的完善，新建市政道路軟基的加固技術(shù)不僅應(yīng)保證地基穩(wěn)定性和工程質(zhì)量，還應(yīng)適應(yīng)道路施工技術(shù)的發(fā)展，提高道路施工的效率。

本文依托海上世界項目中新建市政道路的施工實踐，在填海環(huán)境下，不僅解決了傳統(tǒng)道路軟基加固技術(shù)存在的弊端，而且整體的加固技術(shù)方案滿足規(guī)范要求，有效保證了新建市政道路的軟基施工質(zhì)量。通過對軟基加固技術(shù)應(yīng)用效果的對比分析表明，本文設(shè)計的市政道路軟基加固技術(shù)達到了預(yù)期的目的，可為此類填海環(huán)境下的新建市政道路軟基處理提供參考借鑒。