市政道路軟土地基處理技術(shù)應(yīng)用研究

中圖分類號 U445 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）08-0080-03

0 引言

隨著我國新型城鎮(zhèn)化進程的加速推進，市政道路網(wǎng)絡(luò)正經(jīng)歷著前所未有的擴張，這使得位于沿海、沿江等軟土分布區(qū)的新建道路也大大增加[12]。這類地區(qū)廣泛發(fā)育的第四紀海相沉積土具有高含水率（ 4 0 % ～ 8 0 % ）、大孔隙比 （ 1 . 0 ～ 1 . 8 ） 、低滲透系數(shù)""等典型的軟土特征，導(dǎo)致路基沉降問題尤為突出[3。軟土地區(qū)市政道路在運營1年內(nèi)出現(xiàn)明顯不均勻和較大沉降的比例遠高于以其他土層為地基的道路，由此引發(fā)了路面開裂、管涵錯位等病害，不僅大幅增加養(yǎng)護成本，更對城市交通運行安全構(gòu)成嚴重威脅 [4.5]。

當(dāng)前，軟土地基處理的方法主要包括物理加固法、化學(xué)改良法及排水固結(jié)法三大類。其中，水泥攪拌樁技術(shù)對軟土地基的加固效果顯著且施工周期短，在市政道路工程中應(yīng)用占比大，是較為理想的軟土地基處理方法[7]。然而，現(xiàn)有研究多聚焦于施工階段的即時加固效果，對施工完成后地基的長期沉降規(guī)律缺乏認知。這使得現(xiàn)有的水泥攪拌樁的施工設(shè)計參數(shù)優(yōu)化過于依賴經(jīng)驗公式而缺乏相關(guān)的理論支撐。

該研究以某市開發(fā)區(qū)市政道路工程為依托，通過開展為期12個月的現(xiàn)場對比試驗，通過正交試驗的方法系統(tǒng)探究水泥攪拌樁在不同設(shè)計參數(shù)（樁長 6 ～ 1 0 m ，水泥摻量 12 % ～ 1 8 % 、置換率 1 5 % ～ 2 5 % ）下的施工完成后軟土地基的長期沉降控制效能，并提出了最優(yōu)的水泥攪拌樁施工參數(shù)。試驗還采用分布式光纖傳感技術(shù)（BOTDR），實現(xiàn)路基全斷面應(yīng)變場的監(jiān)測，并在此基礎(chǔ)上提出了包含絕對沉降量、差異沉降率和穩(wěn)定時間的三級地基沉降評價標準。研究成果可為類似軟土地基道路工程的地基處理方案提供參考，同時對保障軟土地區(qū)城市基礎(chǔ)設(shè)施長效運營具有重要工程價值。

1" "現(xiàn)場試驗設(shè)計

1.1工程背景

某新建市政道路工程位于某市開發(fā)區(qū)濱海沉積區(qū)，選取 段新建市政道路開展軟土地基處理的長期監(jiān)測研究。區(qū)域工程地質(zhì)勘察報告與現(xiàn)場鉆孔顯示，場地地層自上而下可分為四個典型工程地質(zhì)層：① 素填土層：層厚 0 . 8 ～ 1 . 2 m ，呈松散狀，主要由灰黃色黏性土夾碎石、磚屑等建筑垃圾組成，局部可見貝殼碎屑。該層土體結(jié)構(gòu)松散不均，標準貫入試驗擊數(shù) N = 3 ～ 5 ，滲透系數(shù)約 cm/s，屬中壓縮性土，但受施工機械擾動易產(chǎn)生附加沉降。 ② 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層：層厚 8 . 2 ～ 9 . 5 m ，連續(xù)分布于全場地，呈流塑狀，天然含水率達 5 2 % ～ 6 8 % ，飽和度 5 9 5 % ，液性指數(shù)I L = 1 . 1 2 ～ 1 . 3 5 。室內(nèi)土工試驗顯示：該層土體天然密度為 ，孔隙比為 1 . 3 2 ～ 1 . 6 5 ，直剪強度參數(shù)黏聚力 、內(nèi)摩擦角 ，壓縮系數(shù) ，壓縮模量 ，承載力特征值 僅為 。該層土體呈現(xiàn)低滲透性特征，在外荷載作用下易產(chǎn)生顯著固結(jié)沉降與側(cè)向擠出變形，是制約地基穩(wěn)定的關(guān)鍵軟弱層。 ③ 粉砂層：層厚 3 . 5 ～ 4 . 8 m ，以灰褐色中砂為主，含少量云母碎片，顆粒級配曲線顯示不均勻系數(shù) ，曲率系數(shù) ，屬級配不良砂。標準貫入擊數(shù) N = 1 5 ～ 2 2 ，相對密度 ，滲透系數(shù)為 ，標貫修正后承載力特征值 ，可作為水泥攪拌樁的樁端持力層。 ④ 殘積砂質(zhì)黏性土層：該層未揭穿，最大揭露厚度 5 . 3 m ，由燕山期花崗巖風(fēng)化殘積形成，呈硬塑一堅硬狀，含石英顆粒及高嶺土團塊，具弱膨脹潛勢，其壓縮模量 ，滲透系數(shù)為 ，可作為深層地基處理的可靠下臥層。故該項目采用水泥攪拌樁方案來對軟土地基進行處理。

1.2試驗方案

基于場地地質(zhì)特征與該市政道路荷載特點，同時考慮到試驗的成本問題，最終決定采用正交試驗法開展研究。正交試驗設(shè)計如表1所示，試驗中固定水泥攪拌樁的樁徑為 0 . 5 m ，考慮的主要變量為：水泥樁攪拌樁長（ 6 m 8 m 和 1 0 m 、水泥摻量（ 1 2 % . 1 5 % 和 1 8 % 和置換率（ 1 5 % 20 % 和 2 5 % 。

該試驗采用先進的分布式光纖傳感技術(shù) （BOTDR）進行地基變形的監(jiān)測。分布式光纖傳感技術(shù)（BOTDR），即布里淵光時域反射技術(shù)是一種基于光纖中布里淵散射效應(yīng)的先進監(jiān)測手段，通過激光脈沖與光纖材料的相互作用，捕捉布里淵散射光的頻移量，實現(xiàn)對沿光纖分布的應(yīng)變變化的精準測量。這一技術(shù)因其全分布式、高精度、實時性強等特性，在地基沉降變形監(jiān)測領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。相較于傳統(tǒng)監(jiān)測手段（如沉降板等），該技術(shù)的核心優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）全空間連續(xù)監(jiān)測能力。傳統(tǒng)方法依賴離散點位的間斷測量，難以捕捉大范圍地基的不均勻沉降特征，局部沉降突變易被遺漏。而BOTDR通過單根光纖即可實現(xiàn)沿線每米級空間分辨率的連續(xù)覆蓋，能夠精準定位沉降突變區(qū)，得到監(jiān)測區(qū)域內(nèi)土體的全場三維應(yīng)變；（2）高精度與抗干擾性。地基沉降常伴隨微小變形的長期累積，傳統(tǒng)電子傳感器（如沉降計）易受濕度、電磁干擾或機械老化影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，而BOTDR的應(yīng)變測量精度可達 ± 1 0 微應(yīng)變（對應(yīng)沉降分辨率約 ），且光纖本身由石英材料構(gòu)成，耐腐蝕、抗電磁干擾，在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境（如地下水位波動區(qū)、強電磁場附近）中仍能穩(wěn)定工作；（3）長周期監(jiān)測經(jīng)濟性。傳統(tǒng)監(jiān)測耗時費力、周期長，而BOTDR系統(tǒng)則可實現(xiàn)分鐘級數(shù)據(jù)采集，結(jié)合自動化分析平臺，實時反饋沉降趨勢。此外，單根光纖可替代數(shù)百個傳統(tǒng)傳感器，大幅降低長期監(jiān)測的硬件成本和維護成本，特別適用于高速公路路基、機場跑道、填海造陸等大尺度工程的全運營周期沉降監(jiān)測。

試驗現(xiàn)場選用耐腐蝕單模分布式傳感光纖，在路基橫斷面內(nèi)分層布設(shè)三條測線：（1）上層光纖埋設(shè)于路床底部以下 0 . 5 m ，用于監(jiān)測填土荷載作用下的淺層變形；（2）中層光纖布設(shè)在軟土層中部（深度 4 m ），反映樁土復(fù)合地基核心區(qū)變形特征；（3）下層光纖置于深度 9 m 的位置，捕捉下臥層壓縮變形。數(shù)據(jù)采集采用N7360型BOTDR分析儀，通過光纜熔接實現(xiàn)三通道同步采集，設(shè)定空間分辨率 1 m 、時間分辨率1h，連續(xù)運行12個月累計獲得10512組應(yīng)變數(shù)據(jù)?；诜謱涌偤头ń?yīng)變-沉降換算模型，將光纖應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為實際沉降量，其轉(zhuǎn)化公式為：

式中， S —累計沉降量（mm）； —各土層應(yīng)變； —各土層厚度（m）； a —應(yīng)變折減系數(shù)，根據(jù)工程實際取值 0 . 9 0 。

1.3 沉降評價體系

針對市政道路運營安全要求，該研究建立了包含絕對沉降量、差異沉降率和沉降穩(wěn)定時間的三級地基沉降評價標準。絕對沉降量以運營12個月后的監(jiān)測值為基準，分級控制標準為 lt; 1 0 m m （優(yōu)良）、 1 0 ～ 1 5 m m （合格）、gt; 1 5 m m （不合格）；差異沉降率通過計算運營12個月后斷面左右幅沉降差 （ Δ S ） 與路面寬度 （ B ） 的比值（△S/B）進行評估，控制閾值為 lt; 0 . 1 5 % （合格）、 0 . 1 5 % ～ 0 . 2 5 % （局部維修）、 gt; 0 . 2 5 % （結(jié)構(gòu)返工）；穩(wěn)定時間判定以日沉降速率連續(xù)30d小于 為基準，記錄沉降達到穩(wěn)定狀態(tài)的累計時間。數(shù)據(jù)采集周期根據(jù)運營階段動態(tài)調(diào)整：初期（ 0 ～ 3 月）每周采集1次，重點監(jiān)測地基的快速沉降階段；中期（ 4 ～ 6 月）每半月1次，監(jiān)測荷載反復(fù)作用下的變形響應(yīng)；后期（ 7 ～ 1 2 月）每月1次，評估長期穩(wěn)定性。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 絕對沉降量分析

表2為絕對沉降量的監(jiān)測結(jié)果。從中可以看到，不同參數(shù)組合對工后沉降量的控制效果存在顯著差異。樁長從 6 m 增至 1 0 m 時，12個月累計沉降量由 1 3 . 5 m m 降至 ，降幅達 6 8 . 9 % 。當(dāng)樁長固定為 8 m 時，水泥摻量從 12 % 提升至 1 8 % 時，沉降量從 7 . 2 m m 降至 ，降幅僅為 6 . 9 % ，表明深部樁長對沉降的貢獻遠高于摻量提升。置換率的影響同樣具有閾值效應(yīng)：置換率從 1 5 % 增至 20 % 時，沉降量減少 1 . 6 m m ，降幅達到23 . 9 % ，但繼續(xù)增至 2 5 % ，僅沉降量僅減少 0 . 6 m m 。

2.2 差異沉降率分析

表3為差異沉降率的計算結(jié)果。從中可以看到，橫向不均勻沉降與樁長、置換率密切相關(guān)。樁長 6 m 的試驗組差異沉降率均超過 0 . 1 5 % ，當(dāng)置換率為 1 5 % 時，差異沉降率達 0 . 2 1 % ，需局部維修；而樁長 ？ 8 m 的試驗組差異沉降率均低于 0 . 1 5 % 。此外，置換率的提升可顯著改善差異沉降，而水泥摻量對差異沉降的改善效果有限。

2.3 沉降穩(wěn)定時間分析

表4為沉降穩(wěn)定時間的分析結(jié)果。穩(wěn)定時間分析表明，樁長與置換率是縮短工后沉降穩(wěn)定周期的關(guān)鍵參數(shù)。樁長 6 m 的試驗組穩(wěn)定時間普遍超過 1 8 0 d ，而樁長 8 m 組穩(wěn)定時間縮短至 1 5 0 ～ 1 7 0 d ，樁長 1 0 m 組進一步縮短至 1 3 0 ～ 1 4 5 d 。置換率提升則可加速固結(jié)進，置換率從1 5 % ～ 2 0 % ，穩(wěn)定時間從138d縮短至130d（G8和G9對比）。相比之下，摻量增加對穩(wěn)定時間的改善效果較弱。

2.4最優(yōu)設(shè)計參數(shù)分析

表5為正交試驗的極差分析結(jié)果。極差分析表明樁長對絕對沉降量（極差 4 . 9 m m 、差異沉降率（極差 0 . 0 7 % 0和穩(wěn)定時間（極差72d）均具有決定性影響，對三者均為第一位的控制因素。置換率的影響表現(xiàn)為次主導(dǎo)地位，其在差異沉降率（極差 0 . 0 5 % ）和穩(wěn)定時間（極差31d）控制中的影響程度高于水泥摻量，表明密樁布置可有效協(xié)調(diào)樁土協(xié)同變形；而水泥摻量僅在絕對沉降量（極差2 . 5 m m ）中體現(xiàn)較顯著作用，對差異沉降和穩(wěn)定時間的改善效果極小（極差 ？ 0 . 0 2 % 和28d）。

基于多指標協(xié)同優(yōu)化原則，該研究最終確定樁長 8 m+ 水泥摻量 1 5 % + 置換率 20 % 為最優(yōu)參數(shù)組合，經(jīng)實測該組合的性能完全滿足市政道路運營標準且工程成本可控，可為濱海軟土區(qū)地基處理提供可靠的低成本優(yōu)化方案。

3結(jié)語

該研究通過現(xiàn)場試驗與正交極差分析，系統(tǒng)揭示了水泥攪拌樁設(shè)置參數(shù)對軟土地基長期沉降的控制規(guī)律。結(jié)果表明：樁長是影響沉降的主控因素，置換率對差異沉降率（極差 0 . 0 5 % ）及穩(wěn)定時間（極差31d）的調(diào)控作用次之，而水泥摻量僅對短期固結(jié)強度提升有效，對長期沉降控制貢獻有限。最終推薦“樁長 8 m+ 水泥摻量1 5 % + 置換率 2 0 % 為最優(yōu)設(shè)計參數(shù)組合。研究成果為濱海軟土區(qū)市政道路地基處理提供了科學(xué)依據(jù)，對優(yōu)化工程設(shè)計、延長道路服役壽命具有重要實踐價值。

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