關于道路軟基創新處理方法的技術經濟探討

黃 怡

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010）

0 前言

近年來，隨著經濟的快速發展，城市建設規模不斷擴大，需新建或改造的城市道路越來越多。道路建設中遇到的軟弱地基處理主要是穩定性和變形兩大類問題。軟土路基處理方法的選擇沒有固定的模式但卻有一定的原則，這就是要依據土力學原理，結合軟土層的組成及指標選擇合理可行的方法，達到路基穩定和沉降值符合規范的要求。特別是復雜地基處理應根據不同地質情況全面分析其相關力學指標，結合工程周期采取不同的處理措施，達到技術可行、施工方便、經濟實用、穩定可靠的目的。

1 創新地基處理的應用

1.1 創新地基處理的基本原理

由于長江三角洲以及江漢平原地區分布著含水量高，壓縮性大，強度低，透水性差，覆蓋層厚，埋深淺等特點土質，在路基荷載作用下，軟土路基很容易產生承載力不足，沉降量大且不均勻和固結時間長等問題。軟土路基處理可選擇的方法很多，考慮工期、投資和質量三大影響因素，可按照“時間換金錢，金錢換時間，因地制宜”的原則選擇軟基處理方法。按照地基處理的作用機理方法歸結起來大致分為三大類：土質改良法、土體的置換法、土體的補強法等。筆者通過高真空擊密法新型專利技術的實踐，在道路或港口、房建等大面積建設中推廣一種能夠充分加固現狀軟弱土體,顯示其價值和生命力的新型筑路技術，充分體現經濟環保、節源、節能的城市建設理念。

高真空擊密法采用“壓差”理論，使“飽和軟土不宜強夯”成為過去，擴大了強夯的應用范圍。高真空排水結合數遍變能量擊密，人為多遍制造超過一個大氣壓的“壓差”，擴大了規范中真空井點在低滲透性軟土排水的應用范圍。高真空強制排水形成“負壓”主動排水，擊密產生的超孔隙水壓力為“正壓”；通過“壓差”作用，加快孔隙水壓力的消散，縮短了軟土二遍擊密間隙時間，間隙時間從規范的“不小于3～4 周”縮短為“5～10 d”，大大縮短了工期。

1.2 從常規演繹至創新的處理方法

黃岡大道起于在建的黃鄂高速公路黃岡收費站，向南下穿武漢至黃岡城際鐵路后，與禹王工業園區規劃的長江四路、新港北路平面交叉，終點與黃岡市黃州大道連接，全長約6.43 km。道路征地紅線寬度60～100 m，是一條城市品牌的景觀大道。根據地勘報告揭示的土層及力學指標，黃岡大道道路沿線路基范圍內的地質情況見表1，上、下層粉質粘土高含水量低強度，中間“夾心”一層淤泥

本工程原地基處理方案結合黃鄂高速公路的處理經驗，清表后采用現狀路面反挖80 cm 路床后回填麻料（石渣）。但是在實施過程中受暴雨氣候及地下水位影響，一般路段開挖回填麻料時，場地表層翻水嚴重（見圖1）；特殊路段采用水泥攪拌樁施工后樁基及管線開挖時出現了比較嚴重的坍塌，開挖難度大（見圖2）。

圖1 路基開挖現狀

表1 黃岡大道地質情況一覽表

圖2 橋梁樁基施工

采取井點降水強排的輔助措施也是“杯水車薪”,沒能達到預想的效果（見圖3）。考慮到換填處理后路面在后期使用過程中可能出現不均勻沉降導致道路開裂等問題，為了保證黃岡市“迎賓大道”工程質量和工程進度，引進了專利技術地基處理新工藝——高真空擊密法進行處理（見圖4），不僅達到了預期的目的，而且縮短了工期，節省了工程投資。

圖3 采用井點降水

圖4 采用高真空擊密法

1.3 高真空擊密法的工藝

“高真空擊密法”軟地基處理方法是一種快速加固軟土地基的新技術，屬于動力主動排水固結法。它通過數遍的高真空壓差排水，并結合數遍合適的變能量擊密，達到降低土層的含水量、提高密實度和承載力、減少地基工后沉降和差異沉降量的目的，見圖5。

設計與施工單位配合先選擇地質條件較差的半幅路作為試驗段，通過試驗確定相關的施工參數，為后期大面積施工提供依據。即確定有關排水參數，包括真空管間距、排水時間、最佳排水措施；確定最佳夯能、擊密間距、擊密間隔時間、擊密次數和遍數等擊密工藝和參數。根據試驗段成功經驗，調整不同地質情況采取不同排水及夯擊能相關參數。

具體施工處理工藝為：清表整平場地→施工準備→測量定點（方格網測量標高）真空管布置→管路、泵的連接和密封→開動真空泵排水第一次擊密（測量定點）→第二次擊密→拆除真空泵平整→滿夯場地平整（方格網測量）→交工驗收。

根據土層的分布情況采用深層和淺層高真空管分層布置，深管間距3.5 m×3.5 m，長度6 m，淺管間距3.5 m×3.5 m，長度3 m。開始水泵連接縱橫向真空管不間斷排水約4～5 天，使地下水位降至地面以下2 m 左右后進行第一遍擊密，擊密過程中不中斷排水，然后進行第二次擊密，拆除真空管后滿夯平整場地并可以進行路床以上結構層的施工，見圖6。

根據黃岡大道路幅組成，確定道路處理范圍為道路外邊線為輔道邊線處外擴3 m，內邊線為機動車道邊線處外擴3 m，中央綠化帶不做處理，處理寬度為 6 7 m（33.5 m+33.5 m）。

圖5 高真空擊密示意圖

圖6 高真空排水示意圖

施工前選最不利路段作為試驗段采用專利的高真空系統強制調整土體的含水量，將處理的路基土體逐步接近最優含水量,同時，采用大型擊密設備分遍擊密需處理的土體，逐步接近最大密實度,并正確計算被處理土體超孔隙水壓的消散時間，合理確定土體每遍擊密的固結回復時間，嚴防“彈簧土”的形成。通過試驗段成功處理工藝流程及相關控制要素確定信息化施工模型，在大面積路基處理過程中結合沿線地質勘察報告揭示的不同地質土層及厚度，確定地基的處理深度及各層不同土體擊密所需的擊振能量。施工前后進行靜力觸探試驗了解土性的變化，同時對地表沉降、地下水位、孔隙水壓力等進行監測，對各項監測結果進行詳細記錄和分析，及時了解場地加固效果，并根據監測結果來指導施工，調整施工參數。

2 地基處理后實測結果

2.1 地表沉降觀測

在滿足處理消散期后在道路上布置方格網分別測量其左、中、右的標高了解高真空擊密后產生的沉降量，場地平均沉降約53 cm。并在高真空擊密處理前后分別進行靜力觸探試驗，0～6 m 深度范圍內P s 值平均值由1.23 MPa 提高到2.37 MPa，根據經驗公式推算承載力大于120 kPa。P s 提高幅度平均為85%，圖7為處理前后的P s 對比曲線。

2.2 水位觀測

為掌握在真空擊密過程中地下水位隨時間變化規律，高真空擊密試驗前在路上埋設地下水位管，進行地下水位觀測。試驗期間除受到雨水影響和擊密能量的影響，水位一般在2 m 以下。在強夯擊密期間，因受到強夯沖擊力的影響，孔隙水壓力上升，地下水位也升高，通過靜止消散期后恢復常態達到預期目的,見圖8。

圖7 處理前后的Ps 對比曲線

2.3 孔隙水壓力觀測

高真空擊密施工前在試驗區路段中埋設孔隙水壓力計，埋深分別為2.0 m、4.0 m 各測點孔壓隨時間的變化曲線見圖9。

由曲線可見，在排水約5～6 d 時間內，孔隙水壓力持續下降到穩定值后開始第一遍擊密，第一遍強夯時因受到較大的沖擊力，孔隙水壓力升高，擊密后隨著高真空排水孔隙水壓力再次降低，在排水約7 d 后開始第二遍擊密，第二遍擊密后孔隙水壓力再次升高。

圖8 水位隨時間的變化曲線

圖9 孔壓隨時間的變化曲線

2.4 處理效果分析

高真空擊密法直接在現狀土體中插入高真空排水管，通過快速高真空排水—擊密多遍循環，來增加動力排水固結效果。由于兩道工序的有機結合、相互作用，巧妙地解決了軟土超孔隙水壓力消散及強夯容易使軟土形成“彈簧土”等關鍵問題，通過人為在土層中制造的“壓差”（擊密產生的超孔隙水壓力為“正壓”，高真空產生的為“負壓”）來快速消散超孔隙水壓力，使軟土中的水快速排出。采用高真空排水后，使擊密效果大大提高，從而使被處理土體形成一定厚度的超固結“硬殼層”，正因為“硬殼層”的存在，使得表層荷載有效擴散，提高場地的整體性，減少了因荷載不均勻產生的不均勻沉降。處理后土體的密實度、承載力及土體回彈模量大幅度提高，在處理過的原軟弱土層上可以放陡坡或直立開挖管槽，達到預期的目的。

高真空擊密法在黃岡大道地基處理后綜合結論：有效地解決了軟弱路基與現場土源就地利用的問題，達到了提高地基承載力、減少地基不均勻沉降的目的；地基處理工后沉降不大于25 cm；同時交工面土層的承載力特征值不小于120 kPa；土基處理后的回彈模量不小于25 MPa。

3 經濟比較和造價分析

高真空擊密法不僅處理效果好，而且經濟上亦優于同類軟基處理方法。根據黃岡大道的地勘資料，對淺層處理的換填法、高真空擊密法和深層處理的水泥攪拌樁、低位高真空預壓擊密法進行經濟上的比較分析。材料價格按黃岡市2014年1月市場信息價取定如下：

3.1 換填法

處理方法:換填深度2～3 m,挖除淤泥層,換填毛渣(石渣),并分層壓實。

優缺點：該處理方法的優點是施工簡單，對于含水量低的軟土地基處理效果較好，但換填深度過大時，工程質量難控地層淤泥未硬化；工后差異沉降偏大。同時管線開挖土方量大需增加支護等措施。對于自然資源匱乏、砂石料緊缺、嚴重缺土需要大量外購土修建市政道路的黃岡地區來說，將現狀不良地基土外運，同時大量購土換填，不僅處理后達不到預期的效果，棄土購土所產生的費用高，而且置換出的棄方多占土地，容易污染環境。按照黃岡大道全線軟弱處理范圍施工周期一般為4～6 個月。

造價分析：換填法主要費用為挖除不良軟土層并外運3 km、購置毛渣等滲水性材料回填壓實，經計算，換填深度2 m 的單方造價為195.36 元/m2，深度3 m 的單方造價為293.05 元 / m2。

3.2 水泥攪拌樁

處理方法:樁長8 m，樁徑500 mm，水泥含量15%，間隔1.2 m，三角形布置。

優缺點：施工技術成熟，處理效果較好，在各種復合地基處治方案中造價偏低，但對軟基下部攪拌不易均勻，樁質量不可控，處理的深度有限，工后差異沉降偏大。對環境污染較大，按消耗10萬t 水泥計算相當于1.9 萬輛2.2 Lco2年排放量；同時水泥攪拌樁樁基對后期管槽開挖不利。施工范圍同上施工周期為4～5 個月（投入機械臺班有關）。

造價分析：主要費用為水泥攪拌樁，50 cm 碎石墊層，單方造價為379.59 元 / m2。

3.3 高真空擊密法

處理方法:安裝高真空擊密系統，真空管分層布置，深管間距3.5 m×3.5 m，長度6 m，淺管間距3.5 m×3.5 m，長度3 m。第一遍排水點夯擊密后緊接著第二遍排水點夯擊密，然后滿夯或碾壓平整場地。

優缺點：擴大了規范中真空井點在低滲透性軟土排水的應用范圍,工后差異沉降小，承載力高；淤泥全固化，避免土方外運及購土費用，環保零污染；同時管線開挖土方量小，節省支護等措施費用；施工周期為2 個月左右，造價低。

造價分析：主要費用為真空管布置、真空泵排水、第一次擊密（測量定點）、第二次擊密、滿夯場地平整、回填麻料，單方造價為189.67 元 / m2。

3.4 低位高真空預壓擊密法

處理方法:針對深厚淤泥層，利用低壓預壓，控制消除土體的適量沉降。平整場地后設置插塑料排水板并布置豎向和水平排水通道，鋪土工布和密封膜安裝密封預壓系統真空泵抽水。同時在密封膜覆水預壓沉降觀測并測真空度達到要求后卸載，回填墊層安裝高真空擊密系統，下道工序同高真空擊密法一致，真空布管間距同高位擊密一致。

優缺點：處理深度深，質量可控。相對于高真空擊密法，造價略高，工期約為4 個月。

造價分析：主要費用為砂墊層、插排水板及鋪設真空膜、覆水預壓達到要求后卸載、拆除真空膜、真空管布置、真空泵排水、點夯加滿夯擊密、回填麻料平整場地，單方造價為269.11 元 / m2。

通過以上分析比較可知：高真空擊密作為一種新型的地基處理技術，不僅實現了就地取材，節約資源和能源，保護生態環境的目標，而且提高了路用性能，使得道路建設工后差異沉降小，承載力高；淤泥全固化，避免土方外運及購土費用；同時管線開挖土方量小，節省支護等措施費用；施工周期短造價低。有著明顯的經濟效益和環境效益。

4 結語

城市道路工程在實施過程中所受影響因素較多，工程造價也必然因采取處理方案的不同而產生差異。本文通過高真空擊密法在黃岡大道中的應用實踐，對快速排水、快速擊密固結的工法相關工藝和數據進行分析對比，得到如下結論：

（1）造價節約：與傳統的地基處理方法相比，造價一般可節約30%左右。

（2）質量可控：施工過程是信息化施工過程，在施工前期根據專利要求對場地進行摸探，施工過程中進行靜力觸探、施工沉降、夯擊能量等指標跟蹤監測，以達到最佳的地基處理效果。

（3）工期節約：與傳統地基處理方法相比，可節省工期約30%左右。

（4）環保零排放、節省資源：施工過程是純物理方法，施工過程中無需向土體中摻入任何固化劑或外加劑，真正做到了對環境的零污染。