軟土地基處理技術(shù)在路基工程中的應(yīng)用研究

0 引言

軟土地基強(qiáng)度低、壓縮性高，常含有有機(jī)質(zhì)，對(duì)路基穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，它廣泛分布于我國(guó)沿海地區(qū)、江河中下游及湖泊周邊，制約著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。在這些地區(qū)，由于沉積環(huán)境和地質(zhì)構(gòu)造的特殊性，形成了大面積的軟弱土層。軟土的工程特性復(fù)雜多變，給路基設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)諸多難題，因此對(duì)軟土地基進(jìn)行有效處理，確保路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，成為工程建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文以提高路基穩(wěn)定性為切入點(diǎn)，分析軟土地基的主要特征及其對(duì)路基工程的影響，并系統(tǒng)闡述了土質(zhì)置換、強(qiáng)夯加固、排水加固以及水泥攪拌樁等多種處理技術(shù)，旨在為軟土地基處理方案的選擇和優(yōu)化提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1軟土地基的主要特征

1.1 含水量高

一般情況下，軟土地基的自然含水量普遍維持在34%～72% 的區(qū)間，遠(yuǎn)高于一般土體的正常水平。這種特殊的物理性質(zhì)，源于軟土中大量存在的粉土顆粒表面帶有負(fù)電荷，使其具備強(qiáng)烈的親水性和較高的吸水能力，當(dāng)暴露在潮濕環(huán)境中時(shí)會(huì)持續(xù)吸收空氣中的水分。

土體中過(guò)量的水分不僅弱化了土顆粒之間的結(jié)構(gòu)連接，還導(dǎo)致土體呈現(xiàn)出明顯的軟弱性和可塑性。在實(shí)際工程建設(shè)中，這種高含水量的特征對(duì)地基的整體性能和工程安全構(gòu)成重大挑戰(zhàn)，土體在外部荷載作用下容易產(chǎn)生較大變形。

1.2壓縮系數(shù)高

軟土壓縮性極高，壓縮系數(shù)較高通常在 0.5～1.5MPa^-1 之間，甚至可達(dá) 4.5MPa^-1 ，在荷載作用下易發(fā)生壓縮變形。壓縮系數(shù)高的地基在承受路基荷載時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的沉降變形，這種變形不僅體現(xiàn)在豎向位移上，還會(huì)引起橫向擠壓變形。

地基土體的壓縮變形過(guò)程可分為初始?jí)嚎s階段和固結(jié)壓縮階段。初始?jí)嚎s階段主要表現(xiàn)為骨架結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)變形，而固結(jié)壓縮階段則體現(xiàn)為孔隙水壓力逐漸消散過(guò)程中的長(zhǎng)期變形。

地基壓縮系數(shù)高會(huì)引起路基不均勻沉降，這種沉降差異可能導(dǎo)致路面開(kāi)裂、錯(cuò)臺(tái)等病害，嚴(yán)重影響道路使用性能和行車安全。

1.3 流變性強(qiáng)

土體的流變特性與其膠體顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，水分子在其中起到潤(rùn)滑劑的作用。在持續(xù)荷載的作用下，軟土顆粒間的接觸應(yīng)力會(huì)引起土骨架結(jié)構(gòu)的持續(xù)調(diào)整，導(dǎo)致土體產(chǎn)生顯著的蠕變變形。這種變形過(guò)程不僅體現(xiàn)在豎向位移上，還包括水平向的側(cè)向擠壓變形，進(jìn)而引發(fā)路基的不均勻沉降和穩(wěn)定性問(wèn)題。軟土流變變形具有累積性和長(zhǎng)期性的特點(diǎn)，即使在較小荷載作用下也可能在長(zhǎng)期作用下產(chǎn)生顯著變形[1]。

2路基工程中的軟土地基處理技術(shù)

2.1土質(zhì)置換法

土質(zhì)置換法適用于淺層軟土的處理，通常用于置換深度在 0.5～3.0m 之間的軟弱土層。其核心是將承載力不足的軟弱土層挖除，回填強(qiáng)度更高的優(yōu)質(zhì)填料，以提升地基的整體穩(wěn)定性和承載能力。

2.1.1 填料選擇

實(shí)施土質(zhì)置換法，填料的選擇至關(guān)重要，不同類型的填料具有不同的特性和適用范圍。砂和砂石墊層宜選用級(jí)配良好、質(zhì)地堅(jiān)硬的中粗砂，可摻入適量碎石以提高墊層的排水性能和抗變形能力。其顆粒的不均勻系數(shù)最好不小于10，含泥量宜控制在 3%～5% 之間。同時(shí)，應(yīng)避免含有植物殘?bào)w、垃圾等有機(jī)雜質(zhì)，以保證墊層的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

素土墊層可利用施工過(guò)程中開(kāi)挖的黏性土，但不得含有凍土或膨脹土，也不宜使用地表耕植土、淤泥、淤泥質(zhì)土以及有機(jī)質(zhì)含量超過(guò) 5% 的土料。碎石墊層一般可采用粒徑為 5～50mm 的自然級(jí)配碎石，含泥量不應(yīng)超過(guò) 5% 。

灰土墊層通常是將石灰和土按照一定體積比例混合，并在最佳含水量條件下分層回填夯實(shí)。石灰的活性越高，灰土的強(qiáng)度也就越高，因此通常選擇活性氧化鈣和氧化鎂含量不低于 50% 的Ⅲ級(jí)以上熟石灰粉末，并將其儲(chǔ)藏時(shí)間控制在3個(gè)月以內(nèi)，以防止活性降低。拌制灰土的土料粒徑不宜大于 15mm ，且不應(yīng)含有凍土、膨脹土以及有機(jī)質(zhì)含量超過(guò) 8% 的土料。

礦渣墊層需根據(jù)工程的具體情況選擇合適的礦渣材料。大面積應(yīng)用時(shí)，多采用不經(jīng)篩分的高爐混合礦渣，其最大粒徑通常不超過(guò) 200mm 或碾壓分層虛鋪層厚的2/3。小面積應(yīng)用時(shí)則可采用 20～60mm 的分級(jí)礦渣，其松散密度通常不小于 1.1t/m³ 。

2.1.2施工方法

若地基表層存在承載力較強(qiáng)的硬殼層，可采用分堆攤鋪法施工。該方法是將填料堆放成多個(gè)砂堆后，再用機(jī)械或人工攤平。如果硬殼層承載力較弱，無(wú)法支撐常規(guī)機(jī)械設(shè)備，則應(yīng)采用順序推進(jìn)攤鋪法，以保證施工安全和效率。

對(duì)于表層極其軟弱的地基，例如新近沉積或吹填的超軟地基，需要先進(jìn)行預(yù)處理，提高表層承載力，使其能夠承受施工人員和輕型運(yùn)輸工具的質(zhì)量，之后再進(jìn)行土質(zhì)置換[2]。

2.2強(qiáng)夯加固技術(shù)

在路基工程的軟土地基處理中，強(qiáng)夯加固技術(shù)適合處理濕陷性黃土、素填土及黏性土等地基，對(duì)改善深層軟土地基具有顯著效果。

2.2.1 強(qiáng)夯機(jī)理及作用

強(qiáng)夯法利用重錘高落差產(chǎn)生的巨大沖擊能，對(duì)地基土進(jìn)行加固。重錘自由下落時(shí)，將沖擊能傳遞至地層，有效壓縮土體孔隙、排出孔隙中的氣體和水分，提高土體的密實(shí)度和強(qiáng)度。這種沖擊作用還能降低土體的壓縮性，減輕甚至消除砂土的振動(dòng)液化風(fēng)險(xiǎn)，并有效抑制濕陷性黃土的濕陷性，最終提升地基的均勻性，減少不均勻沉降。

2.2.2合理選擇技術(shù)參數(shù)

在強(qiáng)夯法的工程應(yīng)用中，合理選擇各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)至關(guān)重要。有效加固深度，需綜合考慮工程規(guī)模、地基土層情況以及工程特性，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試夯或當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定。一般情況下，粗顆粒土的單位夯擊能取值范圍為1000～3000kN/m² ，細(xì)顆粒土則為 1500～4000kN/m² 。

夯錘的質(zhì)量和落距，需要根據(jù)預(yù)定的有效加固深度、所需夯擊能以及施工設(shè)備等條件進(jìn)行綜合考慮，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試夯進(jìn)行驗(yàn)證。一般來(lái)說(shuō)，最后兩擊的平均夯沉量應(yīng)不超過(guò)規(guī)定值，夯坑周圍地面隆起不應(yīng)過(guò)大，且夯坑深度不應(yīng)導(dǎo)致起錘困難[3]。

2.2.3 夯點(diǎn)布置

夯點(diǎn)平面布置通常采用三角形或正方形布置。第一遍夯擊點(diǎn)間距一般為夯錘直徑的 2.5～3.5 倍，后續(xù)夯擊點(diǎn)則布置在第一遍夯擊點(diǎn)之間，且間距可適當(dāng)減小。兩遍夯擊之間的時(shí)間間隔與土體中超靜孔隙水壓力的消散時(shí)間相對(duì)應(yīng)。對(duì)于滲透性較好的碎石和砂土，可以連續(xù)夯擊。對(duì)于滲透性較差的黏性土，則需要間隔3＼～4周以上。

2.3 排水加固法

排水加固法通過(guò)加速軟土層中孔隙水的排出，提高地基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。此方法適用于飽和軟黏土、淤泥以及泥炭土等含水量高、壓縮性大的地基類型。

2.3.1 砂墊層法

砂墊層法主要適用于淺層、滲透性較好的軟土層。其原理是通過(guò)在地表鋪設(shè)一定厚度的砂墊層，為軟土中的孔隙水提供便捷的排出通道。在外荷載作用下，軟土中的水逐漸滲入砂墊層并最終排走，從而使土體固結(jié)，強(qiáng)度得以提升。墊層材料宜采用級(jí)配良好的中砂、粗砂、砂礫或碎石，最大粒徑宜小于 50mm ，含泥量應(yīng)控制在 5% 以內(nèi)。為保證排水效果，墊層鋪設(shè)時(shí)應(yīng)注意保持一定的流水坡度并進(jìn)行分層壓實(shí)。

2.3.2 豎向排水法

當(dāng)軟土層較厚或滲透性較差時(shí)，單純依靠砂墊層排水效果有限，此時(shí)需要借助豎向排水體加速排水固結(jié)過(guò)程。砂井排水法和塑料排水板法是兩種常見(jiàn)的豎向排水技術(shù)。砂井排水法是利用沉管式打樁機(jī)（插板機(jī)）將套管插入預(yù)定深度，然后灌入砂料形成砂井。塑料排水板法是在砂井中插入帶有縱向排水通道的塑料板，進(jìn)一步提高排水效率。

在施工過(guò)程中，套管拔起時(shí)應(yīng)保持垂直，防止帶出或損壞砂井或排水板[4]。砂井或排水板的底部應(yīng)延伸至砂墊層內(nèi)，以確保排水暢通。

2.3.3 真空預(yù)壓法

真空預(yù)壓法通過(guò)在覆蓋于地基表面的不透水膜下抽真空，形成負(fù)壓梯度，促使土體中的孔隙水快速排出。這種方法特別適用于飽和度高、滲透性低的軟土層。實(shí)際工程中，真空預(yù)壓法通常與砂墊層和豎向排水體聯(lián)合使用，以達(dá)到最佳的加固效果。

2.4水泥攪拌樁施工技術(shù)

2.4.1施工原理及適用范圍

水泥攪拌樁施工技術(shù)的核心是利用水泥漿液與軟土進(jìn)行原位攪拌，形成強(qiáng)度較高、壓縮性較低的水泥土復(fù)合地基。該技術(shù)通過(guò)改善土體的物理力學(xué)性質(zhì)，有效提高地基承載力，并減小路基沉降變形。水泥攪拌樁適用于多種土層，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、素填土、軟可塑黏性土以及松散至中密粉細(xì)砂等，尤其適用于埋深較淺（一般小于20m）的軟土地基處理。

2.4.2施工方案編制

施工前，必須對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘察，準(zhǔn)確掌握地質(zhì)條件、地下水位、土層分布以及可能存在的地下障礙物等信息?；诳辈旖Y(jié)果，編制科學(xué)合理的施工方案。

2.4.3場(chǎng)地平整與樁位放樣

場(chǎng)地平整是施工準(zhǔn)備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要清除樁位處的地上和地下障礙物。如果場(chǎng)地低洼，應(yīng)回填黏土，嚴(yán)禁使用雜土回填，以確保施工機(jī)械的正常運(yùn)行和水泥攪拌樁的施工質(zhì)量。

施工人員需嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行樁位放樣，精確確定樁位和鉆機(jī)定位，確保鉆頭正對(duì)樁位中心。同時(shí)，調(diào)整鉆機(jī)底盤，使其主軸傾斜度控制在 1% 以內(nèi)，以保證樁身的垂直度和均勻性[5]

2.4.4水泥漿液制備與輸送

水泥漿液的制備是保證樁身質(zhì)量的關(guān)鍵。應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)確定的配合比，嚴(yán)格控制水灰比，并使用經(jīng)過(guò)校核的定量容器加水，確保計(jì)量準(zhǔn)確。水泥漿必須充分拌和均勻，使用砂漿攪拌機(jī)時(shí)，每次投料后的拌和時(shí)間不得少于3min。

同時(shí)，需要對(duì)水泥漿液的密度進(jìn)行檢測(cè)并記錄，以保證漿液的質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。制備好的水泥漿液經(jīng)過(guò)篩網(wǎng)過(guò)濾后，倒入貯漿桶，然后啟動(dòng)灰漿泵，將漿液輸送至攪拌頭。當(dāng)漿液從噴嘴噴出并具有一定的壓力后，方可開(kāi)始鉆進(jìn)攪拌。

2.4.5鉆進(jìn)攪拌與補(bǔ)漿

根據(jù)試樁結(jié)果調(diào)整灰漿泵的壓力檔次，確保噴漿量滿足設(shè)計(jì)要求。在鉆進(jìn)過(guò)程中，需連續(xù)噴入水泥漿液，直至達(dá)到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)或遇到硬土層。到達(dá)預(yù)定深度后，應(yīng)原地噴漿攪拌30s，確保水泥漿液與土體充分混合。如果發(fā)現(xiàn)局部位置噴漿不足，應(yīng)在反轉(zhuǎn)提升過(guò)程中進(jìn)行補(bǔ)漿，確保樁身質(zhì)量均勻。

鉆頭提升至地面后，應(yīng)反向鉆進(jìn)復(fù)攪，復(fù)攪過(guò)程中對(duì)局部噴漿不足的樁身部位進(jìn)行補(bǔ)漿，同時(shí)防止噴漿口堵塞。當(dāng)重復(fù)攪拌提升到樁體頂部時(shí)，關(guān)閉噴漿泵，停止攪拌，完成單根樁的施工。水泥攪拌樁施工完成后，應(yīng)滿足JTGD30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)路基承載力的要求承載力，通常不得小于120kPa[6]。

3結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)軟土地基進(jìn)行科學(xué)的處理能夠顯著提升路基的穩(wěn)定性和耐久性，保障道路的長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)。選擇合適的處理技術(shù)并進(jìn)行精細(xì)化施工，是確保工程質(zhì)量的關(guān)鍵。

未來(lái)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)新型環(huán)保材料和智能化施工技術(shù)的研發(fā)，并結(jié)合具體工程條件進(jìn)行綜合分析，以期實(shí)現(xiàn)更加經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的軟土地基處理目標(biāo)，推動(dòng)路基施工技術(shù)的不斷進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

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[4]尹國(guó)慶，馮安翠.公路工程軟土地基處理技術(shù)措施研究[J].運(yùn)輸經(jīng)理世界，2024（17）：16-19.

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[6]JTGD30—2015公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2015.