道路軟基處理方案選型研究

何長明 黎 軍

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東廣州 510060）

0 引言

隨著工程技術(shù)的發(fā)展，軟基處理方法越來越多。軟基處理方案適用的土層不同，處理效果、工程投資以及對環(huán)境的影響均不盡相同，選擇一種技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)能環(huán)保的軟基處理方案是軟基處理成功的關(guān)鍵[1-2]。

傳統(tǒng)的軟基處理的方案選擇大多依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，缺少量化數(shù)據(jù)支撐，個(gè)人知識(shí)水平和工程經(jīng)驗(yàn)的差異性導(dǎo)致方案選擇、處理效果不盡相同，選型不當(dāng)時(shí)達(dá)不到預(yù)期的處理效果[3]。

為此，國內(nèi)外學(xué)者對軟基處理方案選型進(jìn)行了廣泛研究。程賢志等[4]、李國維等[5]通過試驗(yàn)段來確定經(jīng)濟(jì)合理的處治方案；蘇謙等[6]、劉剛等[7]通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來選擇軟基處理方案；劉益良等基于模糊數(shù)學(xué)和灰色理論的軟基處理方案評價(jià)效果對比研究[8-9]；朱維倫等[10]、田園園[11]通過專家打分的方法，運(yùn)用層次分析法對公路軟基處理方案進(jìn)行優(yōu)選，為軟基處理方案選擇提供了新的思路。

基于上述分析，為推廣基于層次分析法的方案選型，從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性及環(huán)境影響因素對影響軟基處理的各因素詳細(xì)分析，構(gòu)建層次分析模型，利用專家決策系統(tǒng)對模型進(jìn)行權(quán)重分配，將復(fù)雜的軟基處理方案選型數(shù)字化，為軟基處理方案的選擇提供可量化的依據(jù)，也為工程技術(shù)人員選擇合適的軟基處理方案提供參考。

1 技術(shù)可行性影響因素分析

軟基處理方案首先應(yīng)滿足技術(shù)上可行。技術(shù)可行性包括軟基處理方案在相應(yīng)的地質(zhì)條件具有適應(yīng)性，能夠滿足路基穩(wěn)定性、施工工期和地基承載力要求，也能滿足路基工后沉降值要求，且具有施工便捷、施工質(zhì)量可控等特點(diǎn)。

1.1 地質(zhì)條件適應(yīng)性

常見的軟土地基是指由淤泥、淤泥質(zhì)土、沖填土或其他高壓縮性土層構(gòu)成的地基。地質(zhì)條件適用性包括巖土層適用性、十字板剪切強(qiáng)度和軟土深度等指標(biāo)。軟基處理方案的選擇的需根據(jù)巖土層情況，軟基深度確定合適的處理方案。

常用軟基處理方案的適用土層、不適用土層和處理深度（見表1）。

表1 常用軟基處理方法適用巖土層

從表1 可以看出，各種軟基處理方式都有一定適用范圍，處理深度也不相同。軟基處理方案選型時(shí)宜優(yōu)先根據(jù)地質(zhì)情況、軟土層的深度進(jìn)行選擇。

1.2 路基穩(wěn)定性

路基穩(wěn)定性主要是指軟土地基上因填土產(chǎn)生的路基整體和局部穩(wěn)定性，路基填土高度H適宜的軟基處理方案如下：

（1）H＜ 6 m時(shí)，可采用堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓或復(fù)合地基處理。

（2）6 m ≤H＜ 8 m時(shí)，宜采用真空預(yù)壓或復(fù)合地基處理。

（3）H≥ 8 m時(shí)，宜采用復(fù)合地基處理。

1.3 道路施工工期T 要求

（1）T＜ 1 a時(shí)，宜采用復(fù)合地基處理。

（2）1.0 a ≤T＜ 1.5 a時(shí)，可考慮采用復(fù)合地基、真空聯(lián)合堆載預(yù)壓等方法。

（3）T≥ 1.5 a時(shí)，可采用排水固結(jié)法、復(fù)合地基處理。

1.4 地基承載力fak 要求

（1）80 kPa ≤fak＜ 120 kPa時(shí)，宜采用排水固結(jié)法、柔性樁復(fù)合地基處理，可采用輕質(zhì)土填筑。

（2）120 kPa ≤fak＜ 160 kPa時(shí)，宜采用柔性樁或剛性樁復(fù)合地基處理，可采用輕質(zhì)土填筑，不宜采用排水固結(jié)法處理。

（3）fak≥ 160 kPa時(shí)，宜采用剛性樁復(fù)合地基或剛-柔組合樁復(fù)合地基處理，不宜采用排水固結(jié)法、柔性樁復(fù)合地基。

1.5 工后沉降值s 要求

（1）s＜ 10 cm時(shí)，宜采用剛性樁復(fù)合地基或輕質(zhì)土填筑。

（2）10 cm ≤s＜ 30 cm時(shí)，可采用柔性樁復(fù)合地基、真空聯(lián)合堆載預(yù)壓、堆載預(yù)壓法等方法。

（3）30 cm ≤s＜ 50 cm時(shí)，可采用柔性樁復(fù)合地基、真空聯(lián)合堆載預(yù)壓等方法。

（4）s≥ 50 cm時(shí)，可進(jìn)行簡單的軟基處理，軟土層較薄時(shí)也可不進(jìn)行軟基處理。

1.6 施工質(zhì)量受控程度

深層軟基處理方案的質(zhì)量受控程度包括施工工藝便捷性和施工質(zhì)量受控水平（見表2）。

表2 軟基處理施工質(zhì)量控制水平

從表2 可以看出，宜優(yōu)先選擇工藝便捷、質(zhì)量可控的施工工藝。

2 經(jīng)濟(jì)合理性影響因素分析

在滿足技術(shù)可行性前提下，軟基處理方案選型還要重點(diǎn)考慮經(jīng)濟(jì)合理性，包括軟基處理工程費(fèi)用、運(yùn)營期維護(hù)費(fèi)用以及因軟基處理增加（或減少）的用地費(fèi)用等。

2.1 軟基處理工程費(fèi)用

在滿足功能的前提下，軟基處理宜選擇工程費(fèi)用較低的排水固結(jié)法處理，如采用復(fù)合地基時(shí)，可參考表3 選擇合適的軟基處理方案。

表3 常用復(fù)合地基處理造價(jià)

從表3 可以看出，采用復(fù)合地基處理時(shí)，水泥攪拌樁的單位面積造價(jià)最低，高壓旋噴樁單位面積造價(jià)最高，預(yù)應(yīng)力管樁、CFG 樁、素混凝土樁由于樁徑小、樁間距較大，單位面積造價(jià)居中。

使用表3 數(shù)據(jù)時(shí)需注意深度的影響。如軟基深度28 m，采用水泥攪拌樁懸浮樁處理時(shí)，水泥攪拌樁樁長可取15～20 m，單位處理面積水泥攪拌樁造價(jià)為675～900 元；采用0.4 m 預(yù)應(yīng)力管樁處理時(shí)，剛性樁需保證進(jìn)入持力層不小于2 m，單位處理面積管樁造價(jià)為1380 元。

2.2 運(yùn)營期維護(hù)費(fèi)用

運(yùn)營期維護(hù)費(fèi)用主要指由于軟基的工后沉降，導(dǎo)致路橋過渡段日常維修的工作量。

從表4 可以看出，復(fù)合地基、輕質(zhì)土路堤運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用較少，堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓工后沉降相對較大，為保證行車安全和舒適，有必要在日常維護(hù)時(shí)對橋頭路段等工后沉降要求高的路段進(jìn)行調(diào)平處理。

表4 常用軟基處理方案運(yùn)營期費(fèi)用及用地系數(shù)

2.3 對用地的影響

不同的軟基處理方案占地不同，如反壓護(hù)道方案占地最大，真空預(yù)壓法需增加反壓及隔離墻的用地。而輕質(zhì)土處理時(shí)基本為垂直放坡，可以比常規(guī)路基更省地，帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。常用軟基處理方案的用地系數(shù)見表4。

3 環(huán)境影響

環(huán)境影響包括軟基施工期環(huán)境影響，運(yùn)營期環(huán)境影響和資源消耗情況。

3.1 周邊環(huán)境影響因素

軟基處理方案的選擇需“因地制宜”，充分考慮周邊環(huán)境，如道路拓寬工程，周邊有重要的建（構(gòu)）筑物時(shí)，不宜采用排水固結(jié)法處理；當(dāng)加固深度范圍內(nèi)強(qiáng)透水層中存在流動(dòng)地下水或承壓水時(shí)應(yīng)慎用水泥攪拌樁或高壓旋噴樁。周邊環(huán)境敏感性因素見表5。

表5 軟基處理方案敏感性因素

3.2 施工期環(huán)境影響因素

在地基處理設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)注意保護(hù)環(huán)境，處理好地基處理與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系。

與地基處理施工有關(guān)的環(huán)境污染（見表6），主要有噪聲、振動(dòng)、大氣污染、地面沉降、施工場地泥漿及廢棄物排放等。

表6 軟基處理施工期環(huán)境影響因素表

3.3 運(yùn)營期外部環(huán)境的相互影響

運(yùn)營期外部環(huán)境的相互影響主要包括兩方面：一是采用的軟基處理方案在運(yùn)營期要對環(huán)境影響小，如淺層換填采用廢棄瀝青混凝料時(shí)對地下水造成影響；二是軟基處理本身受周邊銜接地塊軟基處理方案影響小，如道路采用真空預(yù)壓法處理，在運(yùn)營后如周邊鄰近地塊也采用真空預(yù)壓法處理，可能造成道路的沉降、開裂，影響道路的運(yùn)行安全。

采用的軟基處理方式應(yīng)盡可能不影響后續(xù)項(xiàng)目施工，如地鐵施工、周邊建筑物基坑施工、錨索施工等。

3.4 資源消耗情況

資源消耗標(biāo)準(zhǔn)是在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中各種物資的消耗標(biāo)準(zhǔn)。軟基處理主要消耗水、電（或油）以及砂、石、水泥等礦產(chǎn)資源。由于水為可再生資源，故本次資源消耗評價(jià)主要評價(jià)不可再生資源（砂、碎石、水泥等）。常用軟基處理方案的資源消耗對比見表7。

表7 軟基處理方案資源消耗

從表7 可以看出，強(qiáng)夯法消耗資源礦產(chǎn)資源（砂、碎石、水泥）較少，散體材料樁（砂石樁、碎石樁）和強(qiáng)夯置換法消耗的資源較多。

4 層次分析法在道路軟基處理方案選型的應(yīng)用

4.1 層次分析法簡介

層次分析法（AHP）是指將一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題作為一個(gè)系統(tǒng)，將目標(biāo)分解為多個(gè)目標(biāo)或準(zhǔn)則，進(jìn)而分解為多指標(biāo)（或準(zhǔn)則、約束）的若干層次，通過定性指標(biāo)模糊量化方法算出層次單排序（權(quán)數(shù)）和總排序，以作為目標(biāo)（多指標(biāo)）、多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法。層次分析法具有系統(tǒng)性高、簡潔實(shí)用、所需信息量少等優(yōu)點(diǎn)。

4.2 建立層次分析模型

確定軟基最佳處理方案時(shí)，先進(jìn)行方案初選，再根據(jù)AHP 方法進(jìn)行最優(yōu)方案確定。在利用AHP 方法進(jìn)行最后確定時(shí)，影響軟基處理方案的因素很多，將這些因素根據(jù)彼此間的關(guān)系進(jìn)行歸類，可分為技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性和環(huán)境影響三大類?；谏鲜鲆蛩?，深厚軟土路橋過渡段軟基處理方案層次分析結(jié)構(gòu)模式見圖1。

圖1 軟基處理方案層次分析結(jié)構(gòu)模型

4.3 選型模型的權(quán)重分配

權(quán)重的分配可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定，也可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)或?qū)＜以u分法來確定。本文權(quán)重的確定采用經(jīng)驗(yàn)+專家評分法，對影響軟基處理方案的主因素（技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性和環(huán)境影響）采用經(jīng)驗(yàn)分析法；對子因素采用專家評分法，根據(jù)專家調(diào)查意見表，采用評分方法來確定這些因素的相對重要性權(quán)值。

從表8 可以看出，軟基處理深度小于15 m時(shí)，采用常規(guī)的軟基處理方式技術(shù)上均能實(shí)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)評價(jià)權(quán)重最大。隨著軟基處理深度的增加，技術(shù)評價(jià)權(quán)重越來越大，特別是軟基處理深度大于25 m時(shí)，采用常規(guī)的軟基處理方式從技術(shù)上較難實(shí)現(xiàn)，故技術(shù)評價(jià)權(quán)重最大。綜合分析：技術(shù)可行性權(quán)重為35%～45%，經(jīng)濟(jì)合理性權(quán)重為40%～30%，環(huán)境影響權(quán)重為25%。本次重點(diǎn)研究深厚軟土地基（H＞ 25 m）方案選型，選擇具有代表性的40 位軟基處理專家對軟土地基方案選型評價(jià)因素權(quán)重進(jìn)行評價(jià)，影響權(quán)重咨詢結(jié)果匯總見表9。

表8 評價(jià)模型權(quán)重值 %

表9 權(quán)重評分 %

4.4 選型模型的權(quán)重的計(jì)算與分析

本次選取了具有代表性的40 位專家及相關(guān)技術(shù)人員對路橋過渡段軟基處理方案選型進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查表匯總情況見表10。

表10 專家咨詢意見匯總表

從表10 可以得出以下信息：

（1）主因素中“技術(shù)可行性”中所有子項(xiàng)均有評價(jià)等級為“極其重要”，最多29 次（占比72.5%），最少7 次（占比17.5%）；主因素中“經(jīng)濟(jì)合理性”中僅1 項(xiàng)評價(jià)等級為“極其重要”，共13 次（占比32.5%）；主因素中“對環(huán)境影響”中有3 項(xiàng)評價(jià)等級為“極其重要”，均為5 次（占比12.5%）；這也驗(yàn)證了技術(shù)合理性權(quán)重 ＞ 經(jīng)濟(jì)合理性權(quán)重 ＞ 環(huán)境影響權(quán)重。

（2）技術(shù)可行性中，以“軟土深度”權(quán)重最為突出，這也是軟基處理方案選型時(shí)關(guān)鍵性因素。其次是“巖土層適應(yīng)性”和“工后沉降要求”，“施工質(zhì)量受控程度”權(quán)重最小。

（3）經(jīng)濟(jì)合理性中，以“軟土處理工程費(fèi)用”權(quán)重最為突出，這也是軟基處理方案選型需重點(diǎn)考慮的問題，其次是“運(yùn)營期維護(hù)費(fèi)用”，“新增用地費(fèi)用”權(quán)重最小。

（4）環(huán)境影響中，以“施工期間的環(huán)境影響”權(quán)重最為突出，其次是“運(yùn)營期環(huán)境影響”和“周邊環(huán)境影響因素”，“資源消耗情況”權(quán)重最小。

根據(jù)權(quán)重評分、計(jì)算，各因素權(quán)重值計(jì)算結(jié)果見表11。

表11 選型模型各因素計(jì)算結(jié)果

從表11 可以看出，軟基處理方案選型的主因素中技術(shù)可行性權(quán)重最大。

為定量評價(jià)各方案的優(yōu)劣，針對不同的評價(jià)等級（很好、較好、一般、較差、很差），結(jié)合各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，擬定模糊評價(jià)指標(biāo)描述與評分對照表（見表12）。

表12 模糊評價(jià)指標(biāo)描述與評分對照表

4.5 工程實(shí)例應(yīng)用-橋頭段軟基處理方案選型

項(xiàng)目位于廣州市南沙區(qū)，規(guī)劃道路為城市主干路，設(shè)計(jì)速度60 km/h，紅線寬度45 m，雙向6 車道。擬建跨涌橋橋面寬度45 m，橋臺(tái)填土高度3.5 m。

橋頭路段地勢開闊，無重要建（構(gòu)）筑物。工程場區(qū)內(nèi)軟土主要為淤泥、淤泥質(zhì)細(xì)砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。從軟土的埋深看，橋臺(tái)處地層上部軟土層底深度在17.30～19.90 m，其下細(xì)砂層厚度3.0～4.8 m，細(xì)砂層下臥軟土層深度13.0 m，軟土層底埋深大于33.20 m。

橋梁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，南側(cè)路基段軟基采用水泥攪拌樁復(fù)合地基處理，北側(cè)路基段采用袋裝砂井+超載預(yù)壓法處理。

（1）軟基處理方案的定性選擇

從技術(shù)可行性分析，本項(xiàng)目為橋頭段軟基處理，軟土層深厚，工后沉降要求高，故排除排水固結(jié)法處理，宜采用復(fù)合地基處理。

結(jié)合本項(xiàng)目軟土深度大于30 m 的特點(diǎn)，可以選用預(yù)應(yīng)力管樁、預(yù)應(yīng)力管樁+水泥攪拌樁處理，也可以考慮加芯水泥攪拌樁處理。

同時(shí)，考慮到本項(xiàng)目橋頭段軟土有一細(xì)砂夾層，也可以考慮采用柔性樁復(fù)合地基，樁底設(shè)置在細(xì)砂層的方案。

（2）路橋過渡段軟基處理方案的比選

根據(jù)分析，提出4 種軟基處理方案：預(yù)應(yīng)力管樁、管樁+水泥攪拌樁、加芯水泥攪拌樁和水泥攪拌樁。4 種軟基處理方案均采用復(fù)合地基處理方法，但其造價(jià)和處理深度不同，采用常規(guī)的定性評價(jià)難以客觀、全面地選擇合適的軟基處理方案。

參考4.4 節(jié)分析，對4 種軟基處理方案打分（見表13）。

表13 軟基處理方案評分表

從表13 可以看出，預(yù)應(yīng)力管樁的扣分項(xiàng)主要是工程費(fèi)用較高，扣6分，總分94 分；長短樁復(fù)合地基的扣分項(xiàng)主要為施工工期要求扣1 分、施工質(zhì)量受控程度扣1 分、工程費(fèi)用扣3分，共扣5分，總分95 分；加芯水泥攪拌樁的扣分項(xiàng)主要為巖土層情況扣1 分、軟基處理深度扣1 分、路基穩(wěn)定性扣1 分、施工工期要求扣1 分、施工質(zhì)量受控程度扣1 分、工程費(fèi)用扣3分，共扣8分，總分92 分；水泥攪拌樁的扣分項(xiàng)主要為巖土層情況扣1 分、軟基處理深度扣5 分、路基穩(wěn)定性扣1 分、地基承載力扣2 分、工后沉降值扣5 分、施工工期要求扣1 分、施工質(zhì)量受控程度扣1 分、運(yùn)營期維護(hù)費(fèi)用扣2分，共扣18分，總分82 分。

從評分情況看，水泥攪拌樁復(fù)合地基處理得分最低，不適合作為推薦方案，扣分的主要因素為軟基處理深度不滿足要求、工后沉降值大；得分較高的是長短樁復(fù)合地基和預(yù)應(yīng)力管樁，其技術(shù)可行性較好、環(huán)境影響小。得分最高的長短樁復(fù)合地基可作為本項(xiàng)目推薦方案。

5 結(jié)論

（1）軟基處理方案選型宜先結(jié)合技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性和環(huán)境影響進(jìn)行定性比選，提出有價(jià)值的比選方案。

（2）通過引入層次分析法、專家決策系統(tǒng)和模糊理論，從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性和環(huán)境影響三方面對影響深厚軟土區(qū)軟基處理方案選擇的各因素詳細(xì)分析，并對各影響因素進(jìn)行評價(jià)，可將復(fù)雜的非定量因素問題簡單化，為軟基處理方案定量選型提供依據(jù)。