淺談軟土地基處理常用的方法及選擇時應注意的問題

朱建軍

(河北通達監理工程咨詢有限公司)

1 前 言

在路基設計和施工中,常會遇到軟土地基的處理,如果軟土地基的處理方法采用不當,不僅浪費了資源,起不到應有的作用,還會造成路基的破壞。因此,在路基設計和施工中,對軟土地基的處理方法的選擇上要特別慎重。

2 選擇軟土地基處理方法應注意以下幾個問題

2.1 軟土地基處理后對路基作用的認識

(1)路基在施工和使用期間應該是穩定的,不因填筑荷載、施工機械和交通荷載的作用引起路基的失穩、破壞,也不應由于路基的過大變形,引起橋臺、涵洞、擋土墻等構造物及沿線各種設施過大的變形。

(2)在可以不進行軟土地基處理的情況下,為了避免路基沉降造成涵洞、擋土墻等構造物變形破壞,首先應考慮提前填筑路基,在其充分沉降后再修筑構造物的路基施工方案。

(3)高等級公路嚴格限制了路基在規定年限內的工后剩余沉降量,對工后 15～20年的剩余沉降量通常采用如下標準:一般路段 30cm,橋頭 10cm,過渡段沉降坡差小于2‰。這樣就可避免路面的變形破壞,以及連接橋梁、涵洞等構造物的引道路基產生不均勻沉降。

(4)在軟土層較厚且沉降歷時較長的地區及大范圍的軟土地區,有時將工后剩余沉降量控制在要求的范圍內是很困難的,或者雖能控制但不經濟時,則應考慮對路基進行堆載預壓或超載預壓、設置橋頭搭板、鋪筑臨時性路面、加強養護等修建方案。

(5)在沒有一定厚度硬殼層的軟土地基上,不宜直接修筑填土高度小于 2～2.5m的低路基。這種低路基在交通荷載作用下,可使路面發生較大的不均勻沉降,特別是當軟土層不均勻,重型車輛交通較大時,引起路面破壞。

2.2 軟土地基處理方案確定的步驟

首先要進行水文地質堪察,搞清地基的工程地質和水文地質條件,這是搞好路基設計、施工的關鍵。地基處理方案的確定一般按下列步驟進行。

(1)搜集詳細的工程地質、水文地質及地基基礎的設計資料。如地形及地質成因、地基成層狀況;軟土層厚度、不均勻性和分布范圍;持力層位置及狀況;地下水情況及地基土的物理和力學性質。

(2)根據地基處理的目的(如解決路基變形或穩定性問題)、使用要求(如工后沉降量及差異沉降量)、結構類型、荷載大小等,并結合地形地貌、地層結構、土質條件、地下水特征、周圍環境和相鄰建筑物等因素,初步選定幾種處理方案。

(3)對初步選定的各種處理方案,分別從處理效果、材料來源、機具條件、工程進度、環境影響等方面進行技術經濟比較,根據安全可靠、施工方便、經濟合理的原則選擇最佳處理方案。

(4)對已選定的處理方案,根據道路等級和場地復雜程度,可在有代表性的場地上進行相應的現場試驗,通過試驗,檢驗設計參數和處理效果如達不到設計要求時,要查找原因,采取措施或修改設計。試驗工程的修筑也可為大規模施工積累經驗,提供設計依據和控制指標。在軟土地基處理施工之前,如軟土地基地質情況比較復雜、或水文條件變化較大、或工程規模很大、或沉降量控制的精度要求較高,有必要在施工前重新進行地質水文情況調查,如與設計不同,應重新確定軟土地基處理方案,并報監理工程師及業主批準。在正式施工之前,應考慮在現場修筑試驗路基,并對其穩定和沉降情況進行觀測,以便根據觀測結果選擇適當的處理方案,或對原來的處理方案進行必要的修正。

2.3 軟土地基處理方法和適用范圍

高等級公路軟土地基處理方法根據加固原理、所起作用及適用范圍的不同可分為如下幾種。

(1)清除換填法。此法適用于軟土層較薄,底部為硬底的地基。換填的材料可根據地基底部的軟弱程度換填砂礫、碎石、石灰土等材料。

(2)拋石擠淤法。適用于湖塘、河流或積水洼池、常年積水且不宜抽干,軟土層厚度薄的情況。此法采用的片石不宜小于 30cm,拋填時,自中線向兩側展開,橫坡陡于 1∶10時,自高向低展開拋填,使淤泥向兩側擠出,片石拋出水面后應用小石塊填塞墊平,以重型壓路機碾壓,其上鋪設反濾層,再進行填土。有時候為了防止水分浸入路基中,也要對路基邊坡進行防護。

(3)排水固結法。適用于軟粘土、淤泥和淤泥質土地基。此法是在軟土地基中設置豎向排水系統(如插設塑料排水板、袋裝砂井等)和水平橫向排水系統(砂墊層),在逐層填筑路基,在路基荷載的作用下使土體排水固結、密實,強度增長,地基承載力提高,可有效減小工后沉降。若采用大于路基及工作荷載的超載預壓方式預壓,可進一步減少工后沉降,并可減小次固結沉降。排水固結法的豎向排水系統和橫向排水系統必須同時發揮作用,這就要求施工過程中,不能出現斷板、斷井現象,地基表面一定要有一定的平整度和拱度,以確保水能夠排出路基之外,充分發揮該體系的作用。

(4)超載預壓法。可直接作為一種處理軟土地基的方法,也可與其他處理軟土地基的方法共用。直接作為一種處理軟土地基的方法,適用于表面有硬殼層、軟土下埋較深、較薄的軟弱地基;與其他處理軟土地基的方法共用,適合各種復雜的軟基處理方法。在設計上對超載預壓土的幾何尺寸往往忽略,而且預壓土的填筑要求要達到 90%的壓實度,這對工期要求特別緊的高速公路來說是不現實的,也是不必要的,只需確定預壓土的堆載重量和堆積范圍就可以了,對其壓實度可不做要求。另外,超載預壓期按規范規定不應低于6個月,且必須進行沉降觀測,地下水壓力觀測,地基側位移觀測,變形穩定后才允許卸載。

(5)反壓護道法。反壓護道是在路堤一側或兩側填筑一定寬度和高度的護道,運用力學平衡原理,平衡路堤自重作用而產生的滑動力矩,以提高路基的穩定性。反壓護道一般采用單級形式,其高度不應超過極限高度,適用于路堤高度不大于極限高度 5/3倍的情況,單級反壓護道的高度宜采用路堤高度的 1/3～1/2,寬度通過穩定性計算確定,且應注意滿足路堤完工后的沉降要求。

(6)強夯法。適用于碎石土、砂土、低飽和度的粉土、粘性土、濕陷性黃土、雜填土和素填土地基。此法是采用質量為 10～40t的夯錘從高處自由落下,地基土在強夯的沖擊力和振動力作用下振實、擠密,部分土體液化,水分從地基中排出,從而提高了地基的承載力,減少沉降。強夯法處理軟土地基正式施工前必須進行試驗,以確定加固深度、加固范圍、最佳夯擊能、夯擊遍數、間歇時間等強夯參數。規范規定:最后兩擊夯沉量不應超過其平均值 5cm,在施工過程中一定要加強觀測;強夯施工結束后間隔一定時間后必須對地基承載力進行檢測,對于碎石土和砂土地基,間隔時間為最少7～14d,對于低飽和度的粉土和粘性土、濕陷性黃土地基間隔時間為最少 14～28d。

(7)深層攪拌法。適用于淤泥、淤泥質土和含水量較高、地基承載力標準值不大于 120kPa的粘土、粉土等軟土地基,用于處理泥炭土或地下水具有侵蝕性時,應通過試驗確定其適用性。此法是利用深層攪拌機將水泥或其他固化劑與地基土原位攪拌形成圓柱狀、格柵狀或連續墻狀土的增強體,形成樁土復合地基以提高地基承載力,減小沉降。從深層水泥攪拌樁加固效果來看,淺部存在硬殼層時,其復合地基加固效果一般較好,為了減小不均勻沉降,最好在攪拌樁頂鋪設砂墊層,砂墊層上增鋪土工織物。深層水泥攪拌樁質量控制的重點是施工過程中要嚴格控制水泥用量、水泥漿的比重、復攪次數及成樁的均勻性,水泥樁的下部樁體由于地基下部軟土的含水量高、土質差難以成型,或強度偏低;深層水泥攪拌樁施工完成 28d后,一定要按規范規定頻率做鉆孔取芯試驗和復合地基承載力試驗。深層攪拌法分噴漿攪拌法和噴粉攪拌法 2種。

(8)碎石(砂)擠密樁法。適用于不排水抗剪強度不小于 20kPa的粘性土、粉土、飽和黃土和人工填土地基。此法是利用機器在地基中成孔,在孔內填入砂、碎石等粗粒料,利用沉管的振動、抽插,使孔中的骨料密實,形成樁體,同時周圍的土體也被擠密了。樁體與樁間土形成復合地基,以提高地基承載力,減小沉降。碎石(砂)擠密樁施工過程中,不允許出現斷樁,規范規定灌入成孔中的粗粒料為大于成孔體積的2倍;碎石(砂)擠密樁完成后間隔一定時間必須做復合地基承載力試驗,間隔時間一般最少為 7～14d。

(9)強夯置換法。適用于人工填土、砂土、粘性土、黃土、淤泥和淤泥質土地基。此法是邊強夯邊填粗粒料,粗粒料可為碎礫石、建筑垃圾等具有一定級配的堅硬顆粒,粗粒料被夯入地基中,在地基中形成粗粒料墩體,墩體與墩間土及砂墊層形成復合地基,從而提高地基承載力,減小沉降。

(10)石灰樁法。適用于軟土層較淺的雜填土,軟粘土地基。此法是通過機械或人工成孔,在軟弱地基中填入生石灰或生石灰摻合料,通過石灰的吸水膨脹、放熱以及離子交換作用,改善樁周圍土的物理力學性質,并形成石灰樁復合地基,從而提高地基承載力,減少沉降。

(11)低強度混凝土樁復合地基法。適用于各類深厚軟弱地基。在地基中設置低強度混凝土樁,與樁間土形成復合地基。

(12)加筋土法。適用于各種軟弱地基,在土體中埋置土工合成材料(土工織物、土工格柵等)、金屬板條等形成加筋土墊層,增大壓力擴散角,提高地基承載力,減小沉降。

(13)輕質路基。適用于具有一定承載力的軟弱地基,用粉煤灰等輕質材料填筑路基,達到減輕路基自重,以減少路堤沉降及提高路堤穩定安全系數的目的。

2.4 選擇軟基處理方法應考慮的條件

為保證路基穩定或控制工后剩余沉降在選擇處理方法時,除了考慮處理方法的特點、對地基的適用性和效果外,還應考慮公路條件、施工條件、經濟性、可靠性等。目前,新技術、新工藝、新機具、新測試方法不斷涌現,當開發、引進新的軟基處治方法或進行軟基處治方法比較時,應在大規模施工前進行現場試驗,以驗證該處治方法的可靠性,并驗證設計參數、工藝參數作為施工時的控制指標,掌握必要的施工經驗和施工工藝。

3 工程實例

石黃高速公路滄州至黃驊港段三合同段按照施工圖設計,軟土地基處理方法為水泥攪拌樁和強夯,施工單位進場后對軟土地基的水文地質情況進行了調查,并做了軟土地基處理試驗段。發現 K25+460處 0～4.2m深范圍內為低液限粘土,4.2～9m深范圍內為高液限粘土,該段設計的軟土地基處理方法為強夯,施工單位在該處做了試驗段,處理效果沒有達到設計要求。施工單位進行了原因分析:該段軟土地基土質為低液限粘土和高液限粘土,雖然進行了強夯,但是土基中的水分難以從地基中排出來,達不到振實、擠密效果,因此沒有達到設計要求的地基承載力。施工單位要求對該處理方法進行變更,變為深層水泥攪拌樁,理由是該段0～4.2m深范圍內為低液限粘土硬殼層,且低液限粘土和高液限粘土都適合用水泥固化。監理工程師對此變更進行了批復,并報業主批準。深層水泥攪拌樁施工完成后 28d,檢測單位對水泥攪拌樁的成型情況及復合地基承載力進行了檢測,水泥攪拌樁成型情況良好,復合地基承載力滿足設計要求。可見,在軟土地基處理方法的選擇上一定要根據具體的地質情況,選擇可靠的處理方法,才能達到要求的處理效果。

[1] 公路軟土地基路堤設計與施工技術規范JTJ017-96.人民交通出版社.

[2] 建筑地基處理技術規范JGJ79-2002.中國建筑工業出版社.