施工中軟土地基處理技術(shù)分析應(yīng)用

胡鵬偉 劉淵 薛超 辛寧

中電建路橋集團(tuán)有限公司 北京 100160

引言

從歷史沿革看，我國自大禹治水開始就十分重視水利工程建設(shè)。進(jìn)入新時代后，水利工程行業(yè)通過工業(yè)化改革、產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)型，一方面建立了以水利工程項(xiàng)目研發(fā)設(shè)計(jì)、物料采購、施工建設(shè)、運(yùn)維管理為主要環(huán)節(jié)的產(chǎn)業(yè)鏈條。另一方面，在總項(xiàng)目、分部項(xiàng)目、子項(xiàng)目中，通過運(yùn)用項(xiàng)目管理辦法與數(shù)字化技術(shù)，創(chuàng)建了系統(tǒng)性管理與專業(yè)化管理相結(jié)合的全過程指標(biāo)化管理方案，全面提高了水利工程生產(chǎn)建設(shè)與生產(chǎn)管理水平。防洪工程作為水利工程的重要組成部分，遭遇軟土地基時不僅會增加施工難度，也要求在施工實(shí)踐中對軟土地基進(jìn)行專門化處理。下面先對軟土地基的概述與主要特征做出說明。

1 軟土地基概述

1.1 概念

從概念界定看，軟土地基（也稱軟弱地基）主要是指在工程項(xiàng)目生產(chǎn)建設(shè)中，被規(guī)劃為地基的某個區(qū)域內(nèi)，部分土地?zé)o法起到作為地基應(yīng)有的支撐作用。此類軟土地基類型相對較多，包括了單一原因造成的軟土地基與綜合原因?qū)е碌能浲恋鼗?，比如，軟土、泥沙、淤泥、沖填土等。

1.2 特征

軟土地基具有透水性差、可塑性強(qiáng)、沉降速度快、土層結(jié)構(gòu)不均勻等特征。分述如下：以透水性差為例，軟土地基受到地質(zhì)條件、水文條件的限定，地基結(jié)構(gòu)本身具有一定的特殊性。從具體表現(xiàn)看，主要是軟土地基內(nèi)部顆粒物間隙大、含水量較多、垂直方向滲水參數(shù)約為每秒10cm，在地基開挖施工時會引發(fā)積水現(xiàn)象。以可塑性強(qiáng)為例，在外力作用下，軟土地基結(jié)構(gòu)中的空隙會收縮，并對土層結(jié)構(gòu)造成間接影響。當(dāng)這種外力作用具有持續(xù)性時，地基表面會發(fā)生變形，并妨礙對不規(guī)則沉降問題的解決。以沉降速度快為例，工程選址本身靠近水源，軟土地基周邊的地基強(qiáng)度也會相應(yīng)下降，因而在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、土層密度小條件下，受到外界壓力，或進(jìn)行機(jī)械碾壓作業(yè)時，均會加快沉降速度。以土層結(jié)構(gòu)不均勻?yàn)槔?，在軟土地基所在區(qū)域，地基厚度、密度、含水量具有差異化，造成了同一區(qū)域不同位置結(jié)構(gòu)差異，因而需要區(qū)分軟土地基結(jié)構(gòu)類型，選用針對性較強(qiáng)的軟土地基處理技術(shù)加以解決[1]。

2 施工中軟土地基處理技術(shù)分析

2.1 換填技術(shù)

從原理看，換填技術(shù)主要是以人工方式、機(jī)械方式，用換填材料代替軟土地基中的土質(zhì)。該技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在操作簡便、換填材料易得、質(zhì)量可控性強(qiáng)、應(yīng)用范圍相對較廣等方面。從當(dāng)前的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，使用的換填材料以碎石、粗砂、沙土、水泥等材料為主。同時，在應(yīng)用方面主要以淺層部分的軟土地基作為應(yīng)用對象。對該技術(shù)的應(yīng)用效果表明，有利于規(guī)避施工中的沉降現(xiàn)象、降低排水系統(tǒng)施工難度，預(yù)防土壤膨脹收縮情況的出現(xiàn)等。目前對該技術(shù)的應(yīng)用中需要注重對換填材料的強(qiáng)度、成本、密度、分層換填厚度、伸縮性能、抗剪力、配套機(jī)械等要素的分析，并對照要素清單設(shè)置與之匹配的技術(shù)指標(biāo)，保障對軟土地基的處理效果。

2.2 墊層技術(shù)

當(dāng)施工中遇到土層較薄的軟土地基時，除了應(yīng)用換填技術(shù)外，也可以實(shí)際需求選擇墊層技術(shù)。應(yīng)用該技術(shù)時的目標(biāo)定位于對地基形狀的改變、對土層強(qiáng)度的提升、對地基承載能力的增強(qiáng)等方面。應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，在實(shí)踐過程中要求先做好對軟土土層的挖去處理，再使用礦渣、煤石、碎石、砂石等具有抗腐蝕能力、抗壓性能力、抗變形能力材料，填充挖去的軟土地基部分。一般情況下，需要按照分層方式，墊一層材料進(jìn)行多次壓實(shí)，確保填充均勻、密度達(dá)標(biāo)、壓力適度。進(jìn)而，使其能夠起到規(guī)避滲透、減少土層沉降、增強(qiáng)承載力的作用。

2.3 加筋技術(shù)

當(dāng)軟土地基砂礫較多時，土質(zhì)位移時軟土地基也會發(fā)生相應(yīng)的變化并使工程出現(xiàn)問題。目前在處理時主要根據(jù)軟土地質(zhì)勘察報(bào)告及相關(guān)數(shù)據(jù)，選擇匹配的鋼筋用于實(shí)現(xiàn)加固地基的目標(biāo)。加筋法具有一定的復(fù)雜性，要求對鋼筋排布的疏密度、規(guī)格、型號、強(qiáng)度、硬度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時需要在使用前對鋼筋進(jìn)行表面處理，預(yù)防在加筋后因土質(zhì)中的水分與鋼筋發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成鐵銹并逐漸出現(xiàn)腐蝕等情況。通過對加筋技術(shù)的應(yīng)用，通常能夠有效改善工程沉降。需要說明的是，加筋法應(yīng)用時牽涉到較大的成本投入，而且造價(jià)成本的大部分來自鋼筋使用量。因此要求從經(jīng)濟(jì)成本的角度，對防洪工程本身開展全面評估，盡可能制定性價(jià)比較佳的應(yīng)用方案。

2.4 樁基處理技術(shù)

在部分防洪工程中，也會出現(xiàn)大滿園填充處理軟土地基不能實(shí)現(xiàn)的情況，為了較好的解決此類問題并達(dá)到處理目的，一般會選擇樁基技術(shù)，如粉噴樁、木樁、水泥攪拌樁、砂石樁等。從當(dāng)前經(jīng)驗(yàn)看，淤泥軟土地基中對于此技術(shù)的應(yīng)用相對較多，一方面能夠減少工程量，另一方面也能夠滿足軟土地基處理需求。當(dāng)前應(yīng)用較多的為鋼筋混凝土樁，此類樁基強(qiáng)度大、硬度好、可以向下深入到預(yù)期的位置（現(xiàn)階段我國水下樁施工技術(shù)已經(jīng)比較成熟），而且可以為后續(xù)施工奠定必要條件并規(guī)避沉降問題的發(fā)生等。需要注意的是樁基技術(shù)應(yīng)用時要做好地基加固設(shè)計(jì)，其中包括了施工標(biāo)準(zhǔn)、各種參數(shù)、施工技術(shù)，以及軟便觸探、靜載試驗(yàn)等。另外，在處理固化材料（如水泥）時需要增加篩濾工序，減少雜質(zhì)，提高樁基質(zhì)量等[2]。

2.5 排水加固技術(shù)

從軟土地基的概念、內(nèi)涵看，其中存在較大的水分含量，因此在遇到含水量較大的軟土地基時，一般可以選擇排水加固技術(shù)進(jìn)行處理。從原理上看，主要是通過縮減地基內(nèi)部的空隙與減少含水量改變其結(jié)構(gòu)。由于該技術(shù)投入成本低、操作易實(shí)現(xiàn)、投入成本相對較低、有利于提高軟土地基穩(wěn)定性，因此在含水量較大土層的應(yīng)用也比較普遍。當(dāng)前應(yīng)用的排水加固技術(shù)中包括了水管排水、砂井排水，雖然應(yīng)用方式存在差異，但是在應(yīng)用效用方面均能夠滿足實(shí)際施工需求。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，應(yīng)用排水加固技術(shù)時，需要對操作人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，確保其能夠在施工中按部就班的以標(biāo)準(zhǔn)化程序進(jìn)行操作，進(jìn)而 達(dá)到預(yù)期的提升地基承載能力的目標(biāo)等。

2.6 其他技術(shù)

近年來，隨著對軟土地基的研究增多、處理經(jīng)驗(yàn)積累、處理技術(shù)創(chuàng)新，已經(jīng)出現(xiàn)了多種類型的軟土地基處理新技術(shù)，其中包括了使用物理原理進(jìn)行夯實(shí)的強(qiáng)夯技術(shù)、借助化學(xué)原理改善軟土地基凝固性的添加劑處理方法、化學(xué)固結(jié)方法，以及旋噴注漿處理技術(shù)等。無論在軟土地基處理時選擇哪一種技術(shù)，均要求以軟土地基處理機(jī)理作為前提條件。如在防洪工程中的堤防受到軟土地基影響會發(fā)生滑動變形，因此對于滑動變形的控制指標(biāo)確定十分關(guān)鍵，此時就需要在設(shè)計(jì)過程中以抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為準(zhǔn)，開展相應(yīng)的計(jì)算分析并完成具體的軟土處理技術(shù)選擇及應(yīng)用?？紤]到每項(xiàng)處理技術(shù)的差異化，在實(shí)際應(yīng)用時應(yīng)該盡可能按照以軟土地基制宜的原則進(jìn)行合理處理。

3 施工中軟土地基處理技術(shù)應(yīng)用

3.1 工程概況

以某防洪工程安全區(qū)圍堤項(xiàng)目為例，工程規(guī)模大、涉及到軟土地基問題。通過查閱讀歷史資料、進(jìn)行現(xiàn)場勘察，發(fā)現(xiàn)新建堤防堤線范圍存在淤泥地質(zhì)土。埋深約在0～3m范圍，最厚可達(dá)12m，最淺是5m，發(fā)生結(jié)構(gòu)不均勻沉降、滑動變形的可能性較大，考慮到同一地區(qū)曾發(fā)生過滑坡塌陷案例，因此需要對淤泥軟土地基做進(jìn)一步處理。該工程項(xiàng)目中軟土地基所在堤段的總長度為5.69km，分為四個堤段：①2+350+070堤段；②5+730～7+250堤段；③7+250-9+000堤段；④10+695—12+394堤段[3]。

3.2 土層物理性質(zhì)指標(biāo)及相關(guān)參數(shù)

3.2.1 填土層：以近期素填土為準(zhǔn)，在沒有實(shí)施固結(jié)處理前，較疏松、濕度大、色褐紅。其物理指標(biāo)γ、c、Φ、fk、Es的具體數(shù)值分別為：20.1kN/m3、5kPa、16°、120kPa、4.1MPa。

3.2.2 黏土層：屬于本項(xiàng)目主要土質(zhì)類型，軟塑狀、濕度較大，其中拌有少量螺絲殼、植物根系，壓縮性高、色褐或褐紅。其物理指標(biāo)γ、c、Φ、fk、Es的具體數(shù)值分別為：13.2kN/m3、9.16kPa、15°、1.58kPa、1.277、48.6%、1.7MPa。

3.2.3 淤泥層：處于流塑狀態(tài)、呈現(xiàn)出高壓縮性，色褐紅或褐灰，根據(jù)勘察階段的測定數(shù)據(jù)分析，其中的有機(jī)質(zhì)量含量在局部區(qū)段中可以達(dá)到30%。其物理指標(biāo)γ、c、Φ、I1、e、w、fk的具體數(shù)值分別為：11.5kN/m3、10.61kPa、17°、1.58kPa、1.127、41.7%、0.7MPa。

3.3 軟土地基處理方案

首先，需要進(jìn)行方案比選。本項(xiàng)目中的軟土堤基處理措施中包括：①挖除淺層軟土；②難挖除部分鋪墊透水材料進(jìn)行排水固結(jié)處理，其中包括了設(shè)置堤腳反壓平臺、打排水井、實(shí)施堤坡放緩處理、完成施工加荷速率控制等；③復(fù)合地基處理。其中，換填技術(shù)、墊層技術(shù)相對成熟，容易實(shí)現(xiàn)?？紤]到排水固結(jié)能夠達(dá)到分期堆載、增強(qiáng)土體強(qiáng)度，存在不同排水固結(jié)方式，本項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際需求選擇了塑料排水板。而在復(fù)合地基法方面，需要采用格柵加筋處理，旨在通過增加土體模量后擴(kuò)散土體應(yīng)力、傳遞拉應(yīng)力，進(jìn)而限制側(cè)向滑動。最終確定的方案是在軟土地基較厚土層選擇“塑料排水板+反壓平臺”方案，在較薄土層選擇“土工格柵+反壓平臺”方案，在表層選擇換填方案[4]。

其次，在方案設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)放在對塑料排水板固結(jié)、土工格柵、換填計(jì)算及設(shè)計(jì)上。其中，塑料排水板固結(jié)計(jì)算包括：①極限填土高度計(jì)算按照Fellenius公式完成；②地基平均固結(jié)云計(jì)算采用高木俊介法；③地基抗剪強(qiáng)度增長計(jì)算用τft=η（τf0+△τfc）=η（τf0+△σz·Ut·tgΦcu）公式；④施工堆載期堤坡穩(wěn)定復(fù)核按照瑞曲圓弧法操作。土工格柵計(jì)算包括：①穩(wěn)定計(jì)算采用Bishop條分法；②錨固長度計(jì)算采用Le=TaFs/（2fpaσ?v）公式。換填計(jì)算用公式b≥b+2Ztgθ。

第三，在方案設(shè)計(jì)方面，該項(xiàng)目施工準(zhǔn)備時間為期2月、加載施工5月、總工期24月，考慮到后續(xù)護(hù)坡、堤頂?shù)缆返裙こ?，擬定的計(jì)算加載施工期為12月。土工格柵橫向鋪設(shè)直至到堤內(nèi)外腳外5m范圍，對于上下層的處理以錯開接縫方式為主，其中的距離在50cm以上、長度控制在30cm以上。為了保障換填土緊密度，設(shè)計(jì)方案中將軟基層下0.2m作為開挖換填部分，寬度控制在堤腳線外1m范圍，開挖臨時邊坡為1∶2。在防滲復(fù)核方面，主要選擇了斷面進(jìn)行滲流計(jì)算，具體采用“堤身標(biāo)準(zhǔn)斷面+反壓平臺+排水砂墊層”方案進(jìn)行操作，結(jié)果顯示堤身無出逸現(xiàn)象。該項(xiàng)目中的沉降量計(jì)算以《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中的沉降計(jì)算公式為準(zhǔn)[5]。

4 結(jié)束語

總之，在水利工程規(guī)模化、功能化發(fā)展趨勢下，需要進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際需求提高防洪工程生產(chǎn)建設(shè)質(zhì)量。由于軟土地基會給防洪工程造成實(shí)質(zhì)性影響與潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此需要對其進(jìn)行細(xì)致分析并結(jié)合具體的軟土地基處理技術(shù)，研發(fā)設(shè)計(jì)內(nèi)容完整、流程標(biāo)準(zhǔn)、適用性強(qiáng)的軟土地基處理方案。通過以上初步分析可以看出，軟土地基處理技術(shù)種類繁多，在實(shí)際應(yīng)用時，一方面應(yīng)該注重對不同技術(shù)的原理、功能、應(yīng)用范圍的分析，另一方面則應(yīng)該以在具體的防洪工程中軟土地基分部項(xiàng)目生產(chǎn)建設(shè)產(chǎn)業(yè)鏈條，科學(xué)開展生產(chǎn)建設(shè)與生產(chǎn)管理活動，擴(kuò)大軟土地基處理技術(shù)的應(yīng)用效用。