軟基加固施工技術(shù)在市政道路施工中的應(yīng)用

梁 瑋

（廣東省水利水電第三工程局有限公司,廣東 東莞 523710）

0 引言

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，市政道路作為重要的基礎(chǔ)交通設(shè)施，其建設(shè)里程不斷擴大。在市政道路建設(shè)期間，不可避免地會遇到淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等軟弱土地基。軟土地基含水量高、強度低、壓縮性大，在車輛荷載及路基填土重力作用下，容易出現(xiàn)大面積沉降，導致路基邊坡失穩(wěn)、滑塌或路面開裂、沉陷等病害，影響行車安全性[1]。因此，進一步研究軟基加固技術(shù)在市政道路施工中的應(yīng)用意義重大。

1 軟土地基加固目標及計算方法

1.1 軟基加固目標

對于新建市政道路，應(yīng)優(yōu)先利用天然地基。當?shù)缆反┻^淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等軟弱土層，需先進行地基處理，再填筑路堤。根據(jù)《城市道路路基設(shè)計規(guī)范》（CJJ 194—2013），市政道路軟土地基處理的目標是控制路基工后沉降，以免沉降過大引起邊坡失穩(wěn)、滑塌或路面開裂等病害，影響行車安全。路基容許工后沉降直接受道路等級、路基所在位置等因素影響，見表1[2]：

表1 路基容許工后沉降 /m

1.2 沉降計算方法

1.2.1 分層總和法

由《城市道路路基設(shè)計規(guī)范》（CJJ 194—2013）可知，軟土地基變形彈塑性變形、不均勻變形、蠕變變形三個階段，變形量等于瞬時沉降Sd、主固結(jié)沉降Sc、次固結(jié)沉降Ss之和，其中主固結(jié)沉降可用經(jīng)典的土力學理論“分層總和法”計算沉降，而瞬時沉降和次固結(jié)沉降變形機理復雜，計算難度大。在實際市政道路項目中，是利用沉降系數(shù)ms來考慮，即沉降系數(shù)與主固結(jié)沉降的乘積等于軟土地基總的工后沉降。

主固結(jié)沉降Sc和沉降系數(shù)ms計算見式（1）和式（2）[3]：

式中，hi—— 第i層土厚度（m）；e0i—— 第i層土中點自重應(yīng)力對應(yīng)的孔隙比；e1i—— 第i層土中點處的自重應(yīng)力和附加應(yīng)力之和所對應(yīng)的孔隙比；γ—— 路堤填料重度（kN/m3）；H—— 路堤中心高度（m）；θ、V、Y—— 地基處理系、加載速率系數(shù)、地質(zhì)因素系數(shù)。

需注意，分層總和法計算市政道路軟土地基沉降時假設(shè)地基土只有豎向壓縮，無側(cè)向變形，使得計算結(jié)果偏小，同時，以基底中心下的附加應(yīng)力計算，使得計算結(jié)果偏大。最終的計算結(jié)果與實際情況相比是偏大或偏小，目前尚無統(tǒng)一定論。

1.2.2 有限元法

隨著計算機技術(shù)快速發(fā)展，很多市政道路項目在施工時開始使用ANSYS、ABAQUS、PLAXIS、Midas/GTS等有限元軟件。相對于分層總和法，有限元法在計算軟土地基沉降時能考慮土體的應(yīng)力歷史及邊界條件，并能模擬路基的分層填筑，能在有限時間內(nèi)計算軟基在多種工況下的沉降變形，從而降低計算成本，提高計算效率。有限元法計算市政道路軟土地基沉降的基本原理如下：將建立的二維或三維計算模型按一定的尺寸分解成若干個微小單元，對每個單元求解后，使用積分函數(shù)將每個單元的計算結(jié)果進行耦合。

2 軟土地基常用加固技術(shù)施工要點

2.1 軟基加固技術(shù)分類

在選擇加固技術(shù)時，要詳細勘察道路沿線的地質(zhì)條件、氣候氣象條件、水文條件等，通過室內(nèi)試驗或原位測試得到地基土的物理力學計算參數(shù)。同時，遵循“工期短、造價低、效果好”的基本原則，對多個方案進行技術(shù)性和經(jīng)濟性比選，選出性價比最高的加固技術(shù)。

根據(jù)軟土厚度不同，可將市政道路軟基加固技術(shù)劃分成淺層軟基處理技術(shù)和深層軟基處理技術(shù)兩大類，不同軟基加固技術(shù)的特點如表2 所示[4]：

表2 軟基加固技術(shù)定性比選

2.2 換填法施工要點

2.2.1 施工工藝

換填法就是將路基下方不滿足承載力要求的天然軟土地基挖除，換填強度高、水穩(wěn)定性好的灰土、碎石、砂礫等材料，并分層壓實。換填法常用于魚塘、水田等淤泥質(zhì)路段，施工工藝如下：排水→原地面復測→原土清除→原土清除后地面復測→回填→分層碾壓→回填至設(shè)計標高后檢測驗收。

2.2.2 質(zhì)量控制要點

換填法處理軟土地基時，要從以下三個方面控制施工質(zhì)量：

（1）原土清除到位。原土清除質(zhì)量采用“雙控法”，清除深度要與設(shè)計深度保持一致，清除時不留死角。

（2）換填材料合格。軟基處理前要考察料源，確保換填材料的粒徑、強度等指標都滿足設(shè)計要求。材料進場后，要開展試驗驗收，不得以廠家提供的生產(chǎn)合格證明來作為材料驗收標準。在施工期間，如發(fā)現(xiàn)粒徑過大的石塊，要及時剔除。

（3）回填碾壓質(zhì)量。換填材料在施工時要嚴格控制松鋪厚度、碾壓速度、碾壓遍數(shù)等。壓路機碾壓回填材料時，先兩側(cè)后中間，先慢后快，直至無漏壓、無死角。

2.3 加固土樁施工要點

2.3.1 施工工藝

最常見的加固土樁中是水泥攪拌樁，它是利用特定的機械設(shè)備將水泥粉或水泥漿注入軟土地基中與原土體混合，發(fā)生各種物理化學反應(yīng)，形成具有一定直徑、深度、強度的樁體，與原狀土形成復合地基，共同承擔外界荷載，協(xié)調(diào)變形。根據(jù)施工工藝不同，可將水泥攪拌樁劃分為粉噴樁和高壓旋噴樁兩類，主要施工工藝見圖1[5]。

圖1 水泥攪拌樁施工工藝

2.3.2 質(zhì)量控制要點

對于粉噴樁，施工前要注意檢查粉噴樁機的電路、液壓系統(tǒng)、噴粉系統(tǒng)等，并標定儀表。同時，要重視試樁粉噴樁的試樁，以確定合理的鉆進速度、提升速度、攪拌速度、噴粉量等技術(shù)參數(shù)。在施工期間，應(yīng)安排專職人員統(tǒng)計每根樁的噴粉量，當噴粉量＜設(shè)計值，應(yīng)整樁復打。

高壓旋噴樁的施工工藝與粉噴樁相差不大，需另外注意以下兩點：一是漿液拌制。施工技術(shù)人員應(yīng)嚴格按照設(shè)計配合比控制水泥、水的用量，將其充分拌和均勻，且制備好的水泥漿不宜放置時間過長，要在2 h 內(nèi)使用完畢；二是噴漿速度控制。高壓旋噴噴漿壓力值不小于20 MPa，水泥漿液會以較快的速度、較大的能量通過噴嘴噴射到土體中。結(jié)合流體力學，噴漿速度v0和流量Q0可按式（3）和式（4）計算：

式中，φ—— 噴嘴流速系數(shù)；g—— 重力加速度（9 m/s2）；p——噴嘴入口壓力（kPa）；γ——水重度（kN/m3）；F0——噴嘴出口面積（m2）。

2.4 水泥粉煤灰碎石樁施工要點

2.4.1 施工工藝

水泥粉煤灰碎石樁簡稱CFG 樁，由水泥、粉煤灰、碎石、水拌和而成，一般用于十字板抗剪強度＜20 kPa的淤泥質(zhì)軟土。CFG 樁屬于強度較低的混凝土樁，可在施工現(xiàn)場拌制，也可在攪拌站集中拌制。CFG 樁的施工工藝如下：施工準備→配合比設(shè)計→測量放線→樁基就位、鉆孔→投料、提管→成樁、移機。

2.4.2 質(zhì)量控制要點

根據(jù)相關(guān)研究成果，CFG 樁在施工時應(yīng)重視以下幾點：

（1）場地超填。由于CFG 樁的整體性較強，為避免機械行走移位造成斷樁，施工前要將場地回填至樁頂以上0.5~1.0 m。施工結(jié)束后，對CFG 樁進行反開挖和破樁頭。

（2）塌落度控制。樁體混合料嚴格按設(shè)計要求拌合，將坍落度宜控制在5~10 cm。塌落度過大，振動拔管時容易導致混合料離析。反之，不適合罐車運輸或易造成泵管堵塞。

（3）施工順序。樁機應(yīng)倒退移動，采用“跳打法”。

3 軟土地基施工效果評價

3.1 工程概況

依托工程為黃竹坑路市政工程（一期），北起現(xiàn)狀科環(huán)路，南至規(guī)劃業(yè)通一路。該道路建設(shè)標準為城市次干道，全長475 m，紅線寬度為40 m，設(shè)計速度為40 km/h，設(shè)計荷載為BZZ-100，路基斷面為雙向6 車道。主要建設(shè)內(nèi)容包含但不限于道路工程、交通工程、給排水工程、電氣電信工程、照明工程、通信工程、燃氣工程、綠化工程、管線改遷工程、水土保持工程等，施工工期為271 d。

根據(jù)施工圖紙中的軟基處理縱斷面圖可知，道路設(shè)計高程為53~54 m，地面高程約為51~55 m，土層至少而下為素填土、粉質(zhì)黏土、礫砂，且粉質(zhì)黏土可作路基持力層。軟弱土地基處理段落為K1+820~K2+025 段，K2+025~K2+105。

3.2 有限元模型建立

該文使用有限元軟件建立市政道路路基模型，計算其在不同地基處治方案下的工后沉降。ABAQUS 軟件計算軟基沉降的具體流程為：建立幾何模型→輸入路基及地基土參數(shù)→輸入車輛荷載→設(shè)置邊界條件→模型劃分網(wǎng)格→計算沉降→導出軟基工后沉降計算結(jié)果。其中，網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置是軟土地基沉降計算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.2.1 網(wǎng)格劃分

大量工程實踐表明，計算模型的網(wǎng)格尺寸越小，網(wǎng)格數(shù)量越多，軟土地基沉降計算結(jié)果越精確，同時計算效率越低，反之亦然。綜合考慮計算精度和速度，網(wǎng)格劃分均采用正六面體單元，將路堤填料、粉質(zhì)黏土層、淤泥質(zhì)黏土層的網(wǎng)格進行適當加密，網(wǎng)格尺寸取0.5 m；其他部位的網(wǎng)格尺寸正常取值，取1.0 m。最終，該軟土路基模型劃分出868 個單元，996 個節(jié)點。

3.2.2 邊界條件

軟土地基的邊界條件與沉降計算密切相關(guān)。結(jié)合其他研究成果，路基模型的底部邊界在X、Y、Z 方向均約束，無位移，不透水；路基模型的左側(cè)和右側(cè)邊界約束X 方向的變形，不透水；路基模型的頂面和邊坡坡面設(shè)置為自由邊界，可透水。

3.3 軟基計算結(jié)果分析

根據(jù)施工圖勘察資料，該軟土層埋深較大，擬選用水泥攪拌樁或CFG 樁。水泥攪拌樁的樁徑取0.5 m，樁間距1.2 m，樁長10 m；CFG 樁的樁徑取0.5 m，樁間距1.5 m，樁長10 m。不同加固技術(shù)下，軟土地基的工后沉降計算結(jié)果見圖2。

圖2 軟土地基沉降計算結(jié)果

圖2 計算結(jié)果表明：市政道路軟基未加固前，沉降為26.8 cm，不滿足《城市道路路基設(shè)計規(guī)范》（CJJ 194—2013）。經(jīng)水泥攪拌樁加固后，軟基沉降為10.9 cm，降低幅度為59.3%；經(jīng)CFG 樁加固后，軟基沉降為5.8 cm，降低幅度為78.3%。從沉降控制效果來看，CFG 樁優(yōu)于水泥攪拌樁。

4 結(jié)論

該文依托黃竹坑路市政工程（一期）項目，分析了市政道路軟土地基的加固目標、施工技術(shù)要點及施工效果，主要得到了以下幾個結(jié)論：

（1）軟基加固的目標是控制工后沉降，計算方法可用分層總和法或有限元法。

（2）市政道路軟基加固技術(shù)常用的有換填法、水泥攪拌樁、排水固結(jié)法、強夯法、CFG 樁等，在選擇時可遵循“工期短、造價低、效果好”的原則。

（3）軟基加固施工時，要嚴格遵循設(shè)計文件，制定合理的施工方案，嚴格控制施工質(zhì)量。

（4）CFG 樁對軟土地基沉降的控制效果要優(yōu)于水泥攪拌樁。