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南沙地区软土路基处理技术分析研究王告

发表时间：2021/7/8 来源：《基层建设》2021年第12期作者：王告

[导读] 随着我国道路工程的大规模建设，工程中软土路基越来越常见，由于其具备含水量高、压缩性高、孔隙比大、渗透系数小、灵敏度高等缺点，严重影响道路的安全和稳定

        南沙地区软土路基处理技术分析研究
        王告
        中铁上海设计院集团有限公司上海 200000
        摘要：随着我国道路工程的大规模建设，工程中软土路基越来越常见，由于其具备含水量高、压缩性高、孔隙比大、渗透系数小、灵敏度高等缺点，严重影响道路的安全和稳定。采取必要的软基处理成为道路建设过程中的关键。随着软基处理技术种类的不断发展，越来越多的软基处理方案被用到实际工程中，为后续工程进行方案比选提供可能。然而每一个软基处理方案选择，都是多个影响因素综合分析的过程，往往很难选择最优方案，应用到实际项目中达不到预期效果，造成浪费，甚至是存在安全隐患。本文以广州市南沙区横沥工业园市政道路项目为依托，对不同软基处理技术进行分析论证，旨在得出适用于园区周边地区的软基处理方案。
        关键词：道路工程；软土地基；复合地基；处理方案

        1 概述
        在道路工程建设中，路基常遇到具有含水率高、孔隙比大、流动性强、压缩性高、抗剪强度低和渗透性低的软弱土层，包括杂填土、冲填土、淤泥、淤泥质土、泥炭质土、饱和水黏性土等。
        鉴于软土的易坍塌和承载力小的地质特性，软土路基对整个道路工程建设的影响是十分不利的，其中软土路基的沉降与稳定问题直接影响着工程施工进度、施工质量及施工安全，而且软土路基抗剪强度低的特性无法满足路基正常承载力要求，容易出现路堤整体侧向滑移的情况。在正常使用过程中，软土路基很容易产生不均匀沉降导致路基变形，路面发生破坏。同样的，在实际工程中如果对软土路基的处理不当，将会直接影响道路使用过程中的行车及施工安全，也会大大增加工程事故发生的可能性。因而一定要重视软土路基的危害。
        在工程中遇到软土路基时，应根据实际工程情况采取适当的应对处理措施，才能有效地降低软土路基对道路工程的危害，提高道路的施工质量，达到车辆快速行驶时舒适、经济、安全的要求。
        目前，在路基处理设计中，根据软基的深度常用的方法有：换填法、抛石挤淤法、浅层加固法；水泥搅拌桩、袋装砂井法、塑料排水板、强夯置换、挤密碎石桩；CFG桩、PHC管桩等
        2 软土的工程性质
        软土作为道路地基，它变形和稳定的时间比其它类型的土层来得长。其在自然状态下，可保持稳定，当软土受到扰动，其结构很容易遭到破坏而发生流动。因此，处理软土地基的主要工程问题被归结到了促进沉降和保持稳定性上。软土按不同的形式划分，其种类很多。但它们都具有以下几点共同的工程特征。
        （1）天然含水量高，一般大于液限WL，通常大于30%，相对含水量大于1.0；
        （2）天然孔隙比大，e一般大于1.0；
        （3）软土饱和度Sr高达100%，甚至更大；
        （4）容重小，天然容重γ=1.5～19kN/m3；
        （5）渗透系数小，其大小范围为10-6～10-8cm/s，自然沉降固结速度慢，且时间长；
        （6）粘粒含量高，塑性指数大，Ip=13～15；
        （7）高压缩性，压缩系数大，压缩系数a1-2＞0.005MPa-1，甚至到a1-2=0.02MPa-1；
        （8）强度指标小，具有较高的固结快剪强度指标，抗剪强度低C＜0.02MPa；
        （9）具备高的灵敏度，其大小范围为2～10，有些情况下超过10，其流动变形特性显著。
        3 不同软基处理方案分析
        3.1 浅层软基处理方案（处置深度0～3m）
        3.1.1 换填法
        1、原理及作用
        通过采用人工、机械等方法，将基底一定深度范围内的软土层予以挖除，回填强度较高、稳定性较好的砂砾、碎石等材料，并且分层压实至规定的密实度。提高持力层的承载力，减少沉降量。
        2、适用范围
        适用于处理浅层非饱和软弱地基、湿陷性黄土地基、膨胀土地基、季节性冻土地基、素填土和杂填土地基。
        3、特点
        简易可行，但仅限于不大于3m的浅层处理。
        3.1.2 抛石挤淤法
        1、原理及作用
        在路基底部，抛投一定数量的片石，利用片石将淤泥挤出路基基底范围，以提高地基强度，降低土层压缩系数。
        2、适用范围
        适用于淤泥厚度较薄，表层无硬壳的地段，挤淤深度不大于3.0m。
        3、特点
        施工简单，工期短，造价低，但抛石深度难控制。
        3.1.3 浅层加固法
        1、原理及作用
        在土中掺入水泥和生石灰，利用土体与掺入料之间的化学反应，达到改善土层的性质，加固土体强度的作用。
        2、适用范围
        适用于处置浅层湿陷性黄土、素填土、膨胀土、非饱和软土、杂填土等地基。
        3、特点
        简易可行，但仅限于不大于0.5～2m的浅层处理。
        3.1.4 方法选用
        1、当地基浅层软土深度小于3.0m的路段，其软基处理方法可优先采用排水垫层结合换填法或浅层加固法；排水垫层厚度取值范围为30～80cm，一般情况下其设计者为50cm，材料应该选用透水性能良好的沙砾或碎石；排水垫层铺设的范围可以延伸到路堤坡脚以外50cm～100cm。当路堤较宽且排水距离长，或者预计有大量地下水渗出，仅靠排水垫层不能完全满足排水需要时，可在适当位置设置排水盲沟；
        2、当路基填土高度小于2.0m及浅挖路段的软土地基，可采用排水垫层结合浅层加固法；排水垫层的材料选择、厚度及铺筑铺装范围同上；
        3、当路基填土高度较高，浅层软土深度小于等于3.0m的软土路段可采用全部换填的浅层处理；
        4、对于湖塘、滩地及常年积水的洼地，表层无硬壳层，软土呈流塑状、层厚较薄时，可采用抛石挤淤法。抛石宜采用中～微风化硬质岩，小于30cm粒径含量不宜大于20%。
        5、在存在构造物时，换填垫层厚度应满足《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》公式5.2.6-1～3。
        3.2 中层软基处理方案（处置深度3～15m）
        3.2.1 水泥搅拌桩
        1、原理及作用
        利用深层搅拌机械或粉喷机械将水泥浆或水泥粉与地基土原位拌合，搅拌后形成柱状水泥土体，以提高地基承载力，减少沉降，增加稳定性。具有湿法和干法两种。
        2、适用范围
        适用于处理淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高，地基承载力标准值不大于120kPa的粘性土地基。要求路基填土高度不大于7m，十字板抗剪强度不小于10kPa、有机质含量不大于10%。
        泥炭土地基、大粒径块石含量多的地基不宜采用水泥搅拌桩；对于有机质土和塑性指数大于25%的黏土不适用；地基土或者地下水对素混凝土具有中等以上侵蚀时，不宜采用；对于含水率大于80%或地下水流动时，须通过现场试验确定其实用性。
        3、特点
        经济效果显著，但不能用于含石块的杂填土。
        4、设计要求
        （1）设计参数
        ①水泥搅拌桩直径宜采用0.5~0.6m；
        ②水泥掺量宜为15%~20%，含水率高时取大值，含水率大于70%时，应通过配合比试验确定水泥掺量；水泥搅拌桩宜采用湿法施工，水泥灰水灰比为0.5~0.7。
        （2）强度及承载力要求
        ①单桩承载力
        单桩承载力应通过现场试验确定，初步设计时可通过公式3.1确定，通过公式3.2进行检验，最终结果取两者计算中小值。
         （公式3.1）
                      （公式3.2）
                 （公式3.3）
        （公式3.4）
        up：桩周长；
        qsi：桩侧摩阻力特征值，lpi：桩身穿过土层厚度；
        fcu：搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块，边长为70.7mm的立方体在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值（kPa），按照公式3.3计算；
        αp：桩端承载力折减系数，根据地方经验确定；
        η：桩身抗压强度折减系数，单向搅拌桩宜取0.2~0.3；
        qp：桩端端阻力特征值（kPa），可按地区经验确定，对于水泥搅拌桩、旋喷桩应取未经修正的桩端地基土承载力特征值。
        Ap：桩截面面积，m：桩置换率；
        H：包括汽车荷载、路面、工作垫层的等效填土高度；
        γm：填土重度（kN/m3）；
        Re：桩土压缩模量值比，可取6~10；
        n：桩顶桩土应力之比，一般取4~6。
        通过公式3.3计算出水泥搅拌桩桩身抗压强度值，通过公式3.1、公式3.2计算出单桩承载力值，取二者较小值，同时单桩承载力值须满足公式3.4计算结果要求。
        ②复合地基承载力计算
                        （公式3.5）
        fsk：处理后桩间承载力特征值，宜按当地经验取值，无经验时，可取天然地基承载力特征值（kPa）；
        β：桩间土承载力折减系数；当桩端土未经修正的承载力特征值大于桩周土的承载力特征值的平均值时，可取0.1~0.4，差值大时取低值；当桩端土未经修正的承载力特征值小于或等于桩周土的承载力特征值的平均值时，可取0.5~0.9，差值大时或设置垫层时取高值。
        （3）变形计算
        加固土桩复合地基的沉降计算应包括复合地基加固区的沉降S1计算和加固区下卧层的沉降S2计算。
                      （公式3.6）
                        （公式3.7）
        Epsi：各分层的桩土复合压缩模量（kPa）；
        Ep：桩体压缩模量（kPa）；
        Esi：各分层土体压缩模量（kPa）；
        桩端以下未加固下卧层沉降S2计算：
                   （公式3.8）
        （4）算例
        以拟建道路4钻孔1为例，水泥搅拌桩采用桩径Ф500，桩间距1.2×1.2m，人行道采用1.3×1.3m梅花形布桩，桩长为9mm，以第②2层为桩端持力层。从上至下水泥搅拌桩依次穿过素填土，厚度2.05m；淤泥质粉质黏土，厚度4.1m，侧摩阻取6kpa；粉砂土，厚度2.85m，侧摩阻取12kpa。水泥采用硅酸盐水泥，掺入量17%。桩顶设0.3m厚级配砂石垫层，压实系数不小于1.6。水泥土桩90天无侧限抗压强度不低于1.6Mpa。
        通过公式3.1计算得到单桩竖向承载力为98kN，通过公式3.2计算得到单桩竖向承载力为91kN，根据规定单桩竖向承载力为91kN。
        通过公式3.5计算得出复核地基承载力为105kPa。
        通过公式3.6~3.8计算得出沉降值为32mm，满足沉降要求。
        同时通过计算结果分析，在满足要求的条件下，继续增加桩长，对承载力和变形的影响效果不显著。因此设计时，确定合适的桩长和桩间距，在满足设计要求的同时，还可以节省工程投资。
        3.2.2 袋装砂井法
        1、原理及作用
        该方法是利用沉入或打入机械设备，将透水性好的沙袋，沉入软土地基内，形成竖向排水通道。软基中的水分在载荷的作用下，从排水通道排出，从而达到排水固结软基的目的。
        2、适用范围
        适用于处置较大深度的冲填土、饱和软土，但处置软基中有较大深度的泥炭层应谨慎选用。
        3、特点
        对砂材料消耗少、施工简便、费用较低、加固效果较好。当天然地基承载力严重不足时，袋装沙井具有明显的优势。
        3.2.3 塑料排水板
        1、原理及作用
        该方法是利用插板机械在软土地基上插入塑料排水板，在软土层中形成竖向排水通道，经过排水预压后，使软土地基中水从排水通道中排到砂垫层中，加速软土沉降固结，从而提高地基土层的承载力。
        2、适用范围
        适用于处置较大深度的冲填土、饱和软土，但处置软基中有较大深度泥炭层应谨慎选用。
        3、特点
        施工速度快、效率高、施工机械轻便、对软土地基扰动较小、可工厂化生产。
        3.2.4 挤密碎石桩
        1、原理及作用
        该方法是通过冲锤不断地冲击套管中的碎石，将孔底及桩周围土体挤密，然后分段提升套管和分段将套管内的碎石冲出管底并冲密，从而形成密实的碎石桩。碎石桩与桩间土形成了具备较高承载力的复合地基。
        2、适用范围
        适用于砂性土、粉砂土、可液化土等软土地基
        3、特点
        具有经济性好、施工工艺简单且成熟可靠、施工进度快、对环境无污染、加固及消除液化效果良好等优点。
        3.2.5 强夯置换
        1、原理及作用
        利用夯锤产生的强大夯击能量形成坑洞，在坑洞内填入碎石等粗骨料后，使用夯锤再次进行夯击，最后形成成片的强夯置换墩。该方法使软土与置换墩之间形成了高强度复合地基，提高了地基承载能力。
        2、适用范围
        适合使用的土质有软粘性土、碎石土、素填土、杂填土、低饱和度粉质土等。
        3、特点
        施工工艺成熟、方法简单、施工期短、造价经济等优点，但施工噪音大，震动大。
        3.3 深层软基处理方案（处置深度>15m）
        常用的深层处治方法有CFG桩、PHC管桩。
        3.3.1 CFG桩
        1、原理及作用
        在软基中以碎石为主要骨料，并掺入粉煤灰、石屑或砂以及少量水泥，按一定的比例拌和成一种具有一定粘结强度的半刚性桩体。桩体与桩体间土层相互作用构成了复合地基，它们通过桩顶褥垫层一起承受来自上部的荷载作用
        2、适用范围
        适用于处置的软土地基有人工填土、淤泥质土、砂土、粉土、粘性土等。
        3、特点
        具有施工速度快、工期短、工艺性好、质量容易控制等优点，但容易造成环境污染
        3.3.2 PHC管桩
        1、原理及作用
        PHC管桩又名预应力高强混凝土管桩，管桩在专业工厂里采用先张法预应力，结合离心成型工艺，经过蒸压养护，而制成的一种空心圆筒体的等截面混凝土预制构件；然后运往施工现场，通过锤击、静压等方法沉入软基中形成高承载力复合地基。
        2、适用范围
        适用于人工填土、淤泥质土、粘性土、粉土、粉砂、细砂等
        3、特点
        具有适用范围广、桩身强度高、单桩承载力大、抗弯抗拉性能好、桩身耐打、穿透力强、施工速度快、工期短、检测方便等优点，但锤击法施工时打桩噪声大、施工机械设备投资大。
        4 总结
        本文以广州市南沙区横沥工业园市政道路项目为依托，对不同软基处理技术进行分析论证，总结了各种软土路基处理方法的适用性和特点，对软土路基方案的选用具有一定的指导意义。但是，针对一个项目中几种处理方法的综合应用还有待进一步研究，后续将针对这一方向进行研究。
        参考文献：
        [1]GDJTG/T E01-2011 广东省公路软土地基设计与施工技术规定[S].
        [2]JTG/T D31-02-2013 公路软土地基路堤设计与施工技术细则[S].