天津濱海新區(qū)西外環(huán)高速公路軟土路基處理技術(shù)研究

魏鵬

（天津城建設(shè)計院有限公司，天津市 300122）

0 引言

在公路工程施工中軟土路基的施工是較為常見的地基問題，其施工質(zhì)量的好壞與整個公路的運行壽命有著緊密的關(guān)系。目前伴隨著我國公路建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，軟土路基的施工也呈現(xiàn)增長趨勢。因為軟土路基的構(gòu)成比較特殊，主要成分為黏土顆粒和淤泥，并且相互之間有較大的孔隙，具有易流變、含水量高、壓縮性高、抗剪強度低、滲透性差等特點，使得其承受力和穩(wěn)定性不能滿足公路交通運輸?shù)囊蟆Ｋ栽诠返氖┕ぶ校瑧扇】茖W的施工技術(shù)，加固軟土路基并提高其穩(wěn)定性，進而避免軟土路基給公路質(zhì)量造成不良影響。通過科學的施工技術(shù)，改變軟土路基的結(jié)構(gòu)、環(huán)境等，以強化軟土路基，促進公路交通事業(yè)的健康發(fā)展。

1 西外環(huán)高速公路軟土路基的特點

該項目路線走廊位于天津市東部濱海新區(qū)，K18～K32段由北往南主要跨越濱海新區(qū)塘沽的廣大沖積、海積平原地區(qū)，境內(nèi)地勢低平，地表以人工填土及耕植土為主。地面標高一般在1.06～3.40 m（大沽標高，下同）。工程沿線地處海河下游，河流渠道縱橫，坑塘洼淀廣布[1]。場地內(nèi)微地貌主要以人工開挖的魚塘、耕地、水庫、灌溉水渠、公路、溝壟為主，地表主要為人工填土及耕植土。在海潮進退和河流沖積的共同作用下，該地區(qū)廣泛沉積了厚層的海陸交互相軟土，其軟土層一般夾有薄層粉細砂層，砂層的厚薄不同，層次有多有少，具有一定的水平層理。該區(qū)分布于地表硬殼層之下的一般多呈現(xiàn)淤泥和淤泥質(zhì)土。大部分地區(qū)分布一層軟土，局部地區(qū)分布有兩層軟土，其下臥層多為砂層，少數(shù)為黏土層。軟土層平均厚度為4～6 m，局部厚度可達到15 m，基底為第三系紅色巖系軟巖質(zhì)。軟土的主要礦物為伊利石和高嶺土，伊利石和高嶺土多呈片狀，具有較強的表面活動性和親水性，沉積多為片堆組，因而沉積為絮狀結(jié)構(gòu)。天津濱海軟土具有下列工程特性：

（1）含水量較高。淤泥的平均天然含水量為76%，少部分大于100%，淤泥質(zhì)土的平均天然含水量為48%。所以其土體一般均呈流塑狀。

（2）孔隙比大。淤泥天然孔隙比為1.80，少數(shù)大于2.0，淤泥質(zhì)土的天然孔隙比為1.25。

（3）高壓縮性。軟土的天然孔隙比與其壓縮性成正比，天然孔隙比大，其壓縮性就高。淤泥質(zhì)土的壓縮系數(shù)為0.73 MPa，淤泥的壓縮系數(shù)為1.34 MPa，均屬于高壓縮性土。

（4）凝聚力小。淤泥質(zhì)土快剪凝聚力平均為12.4 MPa，淤泥快剪凝聚力平均為9.1 MPa，所以土體剪切變形能力較差。施工中經(jīng)常碰到路堤填筑到一定的高度就出現(xiàn)滑塌，導致路堤失穩(wěn)。

（5）固結(jié)系數(shù)小。固結(jié)系數(shù)通常在4.0×10-3cm2/s左右，因此土體完成固結(jié)沉降所需要的時間就較長，對施工工期影響較大。

2 西外環(huán)高速公路軟土路基處理技術(shù)及原理

根據(jù)天津地區(qū)經(jīng)驗，道路工程巖土工程問題重點是路基沉降和路基土的穩(wěn)定性，主要涉及軟土路基和坑塘的處理。

2.1 天然淺層地基基本情況

淺層地基土除了對橋梁樁——承臺基礎(chǔ)產(chǎn)生一定作用外，還將作為該工程引橋路基的主體。因此淺層地基土性質(zhì)的好壞將直接對該工程產(chǎn)生影響。現(xiàn)將K28～K32段有關(guān)淺層場地土層的情況描述如下（見表1）。

表1 K28～K32段場地土層分布情況及承載力基本容許值

根據(jù)以上工程沿線路孔勘探資料分析，對存在上部陸相沖積層，當承載力能滿足要求的前提下，可以考慮采用全新統(tǒng)上組陸相沖積層黏土作為引橋部位淺基的天然持力層。但在涉及的軟土地段，應注意軟土對路基沉降的不利影響。

2.2 地基處理方法及其加固機理

在引橋的初段，填土較少，對承載力的要求相對較低；隨著引橋的延伸，填土高度逐漸增加，在承載力能滿足的條件下，尚應驗算路基沉降；當沉降量過大，不能滿足工程需要，應對地基進行加固處理。

該工程對地基加固處理主要采用了以下幾種方法。

2.2.1 CFG樁

近年來復合地基理論的研究和應用發(fā)展較快，一些新的樁型、施工設(shè)備和施工工藝應運而生。復合地基可分為兩大類：一類是由散體材料（如砂、碎石、土、鋼渣等）組成的樁與天然地基復合；另一類是由水泥與土結(jié)合而成的樁與天然地基復合。CFG樁按其性質(zhì)屬于后者，適用于軟土處理，且是一種較為經(jīng)濟合理的地基處理方法。

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱，它是由中國建筑科學研究院提出的一種新型樁體。樁身的材料是在素混凝土樁的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，主要是碎石、石屑、粉煤灰摻適量水泥和水拌和而成，具有良好的和易性。碎石是該樁的粗骨料；石屑是填充碎石孔隙、改善骨料級配的次骨架材料；粉煤灰具有粗骨料和低標號水泥的作用。CFG樁和樁間土一起通過由碎石或石屑組成的褥墊層形成CFG復合地基。

CFG樁彌補了碎石樁和樁基礎(chǔ)的缺點，與兩者相比，CFG樁復合地基具有以下優(yōu)點：

（1）CFG樁同時具有碎石樁對地基的擠密加固和置換作用。由于CFG樁樁體強度較高，在黏性土地基上擠密效果不佳時，CFG樁可有效地將地基荷載傳遞到深處土層，確保樁對地基的置換加固作用。

（2）CFG樁復合地基通過在樁和基礎(chǔ)間設(shè)置柔性褥墊層，使調(diào)整樁土相對變形的問題從根本上得到解決。

（3）CFG樁復合地基的強度和模量比較均勻，對上部結(jié)構(gòu)、受力結(jié)構(gòu)抗震等極為有利。

（4）褥墊層使樁間土的有效接觸增加，提高了樁周土的抗剪強度，使得樁體承載力得到提高。

（5）褥墊層對于地基的不均勻沉降也有一定的補償作用。

2.2.2 薄層加載預壓排水固結(jié)

所謂加載預壓就是指超過理論路基面（和邊坡）的附加填料，它將在沉降期間沉降，成為永久路堤的一部分。薄層加載就是控制每層填料的厚度。

飽和軟黏土基礎(chǔ)在荷載作用下，孔隙水慢慢排出，軟土孔隙體積減小，固結(jié)變形，同時超靜水壓力逐漸消散，有效應力逐漸提高，地基土強度逐漸增加。軟土中的孔隙水主要從水平向通過徑向排出，加快了地基的固結(jié)速度。薄層加載預壓是通過增加軟土的總應力，并使空隙水壓力消散來增加有效應力的有效辦法，使沉降提前進行，軟土層在使用荷載作用下的變形大大減小，這就是薄層預壓排水固結(jié)法加固軟土地基的機理。

但在軟土地基加載過程中，若一次加載過大，超過軟基極限承載強度，軟土地基就會失穩(wěn)，產(chǎn)生破壞性變形。故軟土路基填筑過程中如何加載預壓，達到減少填筑時間，爭取較長的預壓期是軟基處理成敗的關(guān)鍵，薄層加載預壓就是充分利用每次加載后的強度增長，根據(jù)沉降、位移等觀測數(shù)據(jù)來確定填筑速率、填筑厚度和間歇時間，有效地指導路基施工，縮短路基施工時間，增加預壓時間，減少工后沉降量。采用薄層預壓方法可以增加施工的安全性，保證路基穩(wěn)定；另一方面也可以達到增長預壓時間的效果。它是建立在認真、細致、準確、及時的動態(tài)觀測基礎(chǔ)之上的，是利用地基土強度增長來指導路基填筑的有效施工方法。

3 西外環(huán)高速公路軟土路基施工技術(shù)要點

3.1 西外環(huán)高速軟土路基施工技術(shù)要求

在設(shè)計中雖然采用了合理的地基處理方案，但由于施工管理不善，造成地基處理失敗或未達到預期效果的工程也不少見，因此軟基處理施工必須確保施工質(zhì)量，科學地做好施工組織設(shè)計，加強工地技術(shù)管理，嚴格按照有關(guān)操作規(guī)程實施，認真做好工程質(zhì)量檢查和驗收工作。

軟基處治和其他土工問題的解決一樣，包括以下四個環(huán)節(jié)：

（1）對地質(zhì)資料、土工試驗的詳細檢查，對設(shè)計圖和實踐經(jīng)驗的調(diào)查研究。

（2）室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗。

（3）施工現(xiàn)場檢測和觀測數(shù)據(jù)收集。

（4）反復分析，驗證設(shè)計，監(jiān)測工程安全。

上述四個環(huán)節(jié)是解決土工問題最理想的方法，即近年來國際巖土工程界提出的觀測方法，稱其為“邊觀察、邊分析”方法。在施工中，如發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場地質(zhì)情況與設(shè)計提供資料不符或原設(shè)計的處治方法因故不能實施，需改變設(shè)計時，應及時報告并根據(jù)有關(guān)規(guī)定報請變更設(shè)計。

軟基處治施工前，應完成以下工作：

（1）收集并熟悉有關(guān)施工圖、工程地質(zhì)報告、土工試驗報告和地下管線、構(gòu)造物的布設(shè)等資料。

（2）編制施工組織設(shè)計或施工大綱。（3）原材料、半成品、成品的檢驗。

（4）施工機械設(shè)備的調(diào)試。

（5）必要的成樁試驗。

總之，在施工中應遵循“按圖施工”的原則和“邊觀察、邊分析”的方法，做到經(jīng)濟、可行、安全、創(chuàng)新并有利于環(huán)保。

3.2 西外環(huán)高速軟土路基施工關(guān)鍵技術(shù)及其要點

3.2.1 墊層施工

墊層是指地面上設(shè)置的砂墊層、砂礫墊層、灰土或素土墊層、礦渣墊層以及其他性能穩(wěn)定、無侵蝕性材料墊層。雖然材料不同的墊層，其應力分析有所差異，但從適用經(jīng)驗分析，其作用和特征都可近似地按砂墊層進行計算。墊層的厚度以保證不至因沉降發(fā)生斷裂為宜，日本常用1 m，國內(nèi)一般為0.3～0.5 m，以0.5 m居多。墊層的寬度適當大于路堤寬度，以防止在施工過程中由于施工機械的破壞影響墊層的有效作用。

對砂墊層下設(shè)置土路拱的問題，各地看法不盡一致。一種看法認為，孔隙水是在地基中孔隙水壓力消散過程中排出的，是有壓水，只要排水通道不斷開，孔隙水就能排出地基，因而認為做土路拱無效果。另一種看法認為，砂墊層的排水作用會因地基下沉、砂墊層彎曲而受到影響，所以主張在地基上做土拱。實踐證明，做土拱給施工帶來很大的困難，土拱也無明顯效果。

墊層施工分為砂墊層施工和石灰上墊層施工，其詳細的施工過程及要點可參見有關(guān)文獻。

3.2.2 土工合成材料施工

3.2.2.1 施工要點

土工合成材料加筋路堤的施工，主要在于保證合成材料能充分發(fā)揮作用。其施工要點可參見我國行業(yè)標準《公路土工合成材料應用技術(shù)規(guī)范》（JTG/T D32—2012）。

填成施工通道后，再由兩側(cè)向中心平行于路堤中線對稱填筑，宜保持填土施工面呈U形。

第一層填料宜采用推土機或其他輕型壓實機具進行壓實；只有當已填筑壓實的墊層厚度大于60 cm后，才能采用重型壓實機械壓實。

3.2.2.2 質(zhì)量檢驗

質(zhì)量檢驗參見我國行業(yè)標準《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》（JTG F80—2017）。

4 結(jié)語

隨著沿海城市經(jīng)濟的快速發(fā)展，對高等級道路的建設(shè)需求也不斷擴大。由于沿海道路地質(zhì)形成的特殊性和復雜性，沿線路基下經(jīng)常存在深厚的海濱相軟土層，若處理不當，在道路的運營過程中將出現(xiàn)不可估量的沉降量，極大地影響著道路的長期穩(wěn)定性和安全使用。因此本文結(jié)合天津西外環(huán)高速軟土路基的處理工程，對濱海軟土地基的工程特性、處理技術(shù)以及沉降分析方法等進行較深入的研究，取得了如下研究成果及結(jié)論：道路工程地基處理技術(shù)方法多種多樣，應因地制宜地做出正確選擇，以便在保證工程質(zhì)量的同時盡可能降低工程造價。因此本文針對濱海軟土地基的自身特點，在現(xiàn)有的軟土地基處理方法中，經(jīng)過比較選擇了適合濱海軟土地基處理的方法，并發(fā)展和提出了濱海軟土地基處理的一系列新技術(shù)，如CFG樁法、薄層加載預壓排水固結(jié)等，并經(jīng)過天津西外環(huán)高速的實際應用，得到了令人滿意的結(jié)果。