某省級公路改建工程部分軟基處治措施對策研究

王晨煒，王海濤，汪 義

（中國核工業中原建設有限公司，北京100142）

0 引言

隨著國家對基礎設施領域投資的持續增長及公路工程項目數量的持續增加，在公路建設過程中，軟土地基作為一種常見的地質條件問題對工程建設的開展及工程質量的優劣產生一定影響，如果對軟土地基處理措施不到位，將會導致公路地基沉降及公路本體損壞，因此在施工過程中，根據工程的地質特點，采取相應的處理措施，對提高工程質量具有重要意義。

1 軟土地基的特點

1）軟土地基承載力較低、含水量高、滲透性較差，對地基基礎的承載能力產生很大的影響。

2）軟土地基抗剪性能較差，相較于其他類型地基基礎，在承受壓力時產生的變形更大，地基內部結構出現移動和擠出，嚴重時會導致地基塌陷，最終導致公路路面發生不均勻沉降等現象。

2 工程概況

某省道工程項目位于湖北省，工程K28+469—K28＋649段存在一定深度的軟土地基，為保證該項目的建設與交通運營安全，通過對該區域進行鉆探勘察后發現本地區地貌單元屬長江I級階地，本路段地形較平緩，場地較開闊，原為山田地，已基本整平。根據鉆探取芯觀察、室內土工試驗及標準貫入試驗等結果，按其成因、結構特征及強度將場地內土層劃分為4層：[1]素填土層；[2]粉質黏土層；[3]黏土層；[4]粉質黏土層。勘察結果顯示[3]黏土層為高壓縮性的軟弱地基層，該層地基承載力偏低，需經過加固處理才能滿足地基強度要求。

針對以上地質情況，輕型動力觸探試驗結果顯示，該軟弱黏土層的地基承載力約為50kPa，遠低于規范要求，必須進行處治。根據地質勘察結果分析，提出采用漿液灌注法作為地基處理措施。灌漿法在我國煤炭、冶金、水電、建筑、交通和鐵道等部門都進行了廣泛使用，并取得良好效果。漿液采用水泥-水玻璃漿液，亦稱C-S漿液，是以水泥和水玻璃為主劑，二者按一定比例采用雙液方式注入，必要時加入速凝劑或緩凝劑所組成的注漿材料。漿液灌注通過較高的壓力在黏土層中灌入濃度較大的水泥漿或水泥砂漿，擠出軟土層中的部分水體，同時硬化的漿液固化軟黏土，使之成為具有滿足路基強度要求的復合地基。

設計方案為在軟土區域梅花形布置鉆孔，排距和孔距均為2m（根據注漿壓力下的漿液擴散半徑進行確定），孔深為6.7m（素填土層1.2m+粉質黏土層2.5m+軟黏土層3m），注漿層厚度為軟黏土層3.0m）。

3 作用機理及影響因素

3.1 水泥加固土的機理

固化劑主要采用強度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥和水玻璃，通過固化劑與被加固土之間進行一系列的物理化學反應形成水泥土復合地基。主要作用如下。

1）水泥的水解和水化反應。

2）形成膠體，填充孔中縫隙。

3）黏土顆粒與水泥水化物的作用（離子交換和團粒化作用、硬凝反應）。

4）碳酸化作用 水泥土試樣的室內無側限抗壓強度試驗表明，水泥土的無側限抗壓強度隨加固土中含水量的降低而增大。

3.2 水灰比對水泥土性狀的影響

水泥土的工程性狀主要指水泥土的物理、力學特征及影響因素。加固后的水泥土重度比原地基土略有增加，并隨著水泥摻入比的增大呈微弱遞增。從復合地基作用理論來講，水灰比及質量較小時，凝膠時間短，擴散半徑小且易造成堵管；水灰比及質量比較大時，終凝時間太長，均不宜作為施工時的配合比。試驗表明水灰比為1∶1時，其強度最高，凝膠時間適中；漿液結石體強度試驗表明，并不是水灰比和質量比越大越好，水灰比在0.5～1.0時結石體強度較高，比較適合加固地基。

3.3 水玻璃摻入比對水泥土性狀的影響

在一定范圍內，對于水泥-水玻璃漿液，決定其漿液結石體抗壓強度的主要因素是水泥漿濃度。在水灰比相同時，水泥-水玻璃質量比增大，抗壓強度會降低，漿液結石體前期強度增長較快，后期增長較慢。實際上，濃水泥漿需要濃水玻璃，稀水泥漿需要稀水玻璃。因此，本次軟土地基處理根據實際情況建議取水玻璃摻入比例為2%～4%。

3.4 水泥土復合地基的工程性狀

水泥加固土作為路面建筑材料已有50多年的歷史。早在1935年美國修建了第一條水泥加固土路面。隨后，水泥加固土在很多國家的道路和機場的應用日益普遍。我國在援外工程中也曾大量應用過水泥加固土作為路面的基層。

土粒的礦物成分主要是蒙脫石等黏性礦物，具有非常大的比表面積和較強的親水性，強烈吸附水泥的水解物質。當地基土為砂性土時，土粒容易分散與水泥形成均勻的混合料，在所有的土粒孔隙中充填水泥水解物，膠結固化形成水泥土復合地基，復合地基承載力受水泥土的摻入量影響較大，水泥摻入量越大，復合地基的承載力越高，承載力發揮較快；當地基土中黏粒較多時，黏性土粒往往呈團粒狀或團塊狀，攪拌的水泥土或水泥漿包裹黏土顆粒，隨著水泥的水解作用，在團粒內部逐漸滲入水泥的水解物質形成水泥土的骨架結構，此時水泥土骨架結構的強度決定了復合地基的承載力，水泥僅起到了填充與膠結作用，水泥的強度為水泥土地基的膠結強度是復合地基承載力的影響因素。

3.5 水泥-水玻璃高壓靜壓注漿法原理及應用

3.5.1 高壓靜壓注漿法原理

土體用漿液灌注法加固是處理地基的一種原位加固方法，一般是用壓力將加固土的漿液通過注漿管注入土的孔隙或縫隙中，藉漿液的膠結或凝固增強松散土粒間或土體間的連結，從而提高地基強度，減少沉降，也可用于防滲或結構物基礎加固等。

3.5.2 水泥-水玻璃高壓靜壓注漿法應用及要求

根據JGJ/T 211—2010《建筑工程水泥-水玻璃雙液注漿技術規程》要求：對軟弱地層進行注漿加固前，應進行注漿加固方案設計。注漿設計應根據軟弱地層加固的目的和鄰近建筑物的狀況規定強度和變形要求，并確定注漿加固深度及范圍。軟弱地層注漿加固時，注漿孔布置應符合下列要求。

1）采用梅花形布置，注漿孔間距宜為（0.8～1.7）R，排間距宜為孔距的0.8～1.0倍，R為漿液擴散半徑（m）。

2）注漿孔深度應穿過軟弱地層，并進入下一土層0.5～1.0m，或加固深度滿足地基承載力和變形的要求。

注漿完成后，宜在注漿固結體強度達75%或注漿結束后14d進行質量檢測。質量檢測方法應根據設計要求確定，可采用靜載法、標貫試驗、靜力觸探法、動力觸探等方法。

4 灌注漿設計方案

根據現場實際勘測數據，本設計灌注漿加固K28+649—K28+469路段軟黏土層呈不規則形狀分布，考慮軟黏土層厚度最不利狀態，取K28+529處斷面為設計斷面（淤泥質黏土層厚度為8.5m），如圖1所示。

圖1 水泥注漿復合土計算剖面（單位：m）

設計方案為在軟土區域梅花形布置鉆孔注漿，漿液水灰比為1∶1，水泥摻入比2.5%，水玻璃為水泥漿液用量的2%，氯化鈣為水泥用量的1%，鉆孔排距和孔距均為2m（注漿壓力為1.0～3.0MPa，根據現場的漿液擴散半徑1.26m進行調整確定），孔深為6.7m，注漿層厚度為軟黏土層3.0m。根據試驗結果進行布設灌漿孔。注漿鉆孔布設及漿液擴散半徑如圖2所示。同時以設計斷面處為準，核算路基工后沉降是否符合要求。

圖2 注漿鉆孔平面布置

采用水泥灌漿處理軟黏土層時，路堤可分為4層，取最不利分層分別為1.2m素填土層、2.5m上粉質黏土層、3.0m水泥土復合黏土層、5.5m軟黏土層（見圖3）。

圖3 路基沉降計算斷面

分層總和法沉降計算公式為：

計算中，[1]素填土層的壓縮模量取為8.0MPa；上層粉質黏土層的壓縮模量為6.0MPa；軟黏土層的壓縮模量為4.0MPa；水泥土復合黏土層的壓縮模量為6.5MPa。

1）素填土層沉降 素填土層厚為1.2m，共分1層計算，則該層沉降Sc1=2.269mm。

2）粉質黏土層沉降 該層層厚為2.5m，分2層計算，則該層沉降Sc2=5.342mm。

3）水泥土復合黏土層沉降 該層層厚為3.0m，分2層計算，則該層沉降Sc3=3.8mm。

4）軟黏土層沉降 該層層厚為5.5m，分3層計算，則該層沉降Sc4=5.785mm。該層底的附加應力為土體自重應力的2.9%，且該層為土質較好的下臥層，因此沉降計算深度到此為止。

依上可知，路基工后沉降為Sc=17mm，則S=0.029m＜0.300m，滿足要求。

5 數值模擬計算結果及分析

選取軟黏土層厚度最不利狀態下K28+529處斷面為計算斷面，運用FLAC3D軟件進行運營期數值模擬，土體模型應用Mohr-Coulomb塑性模型，采用八節點塊體（brick）單元和六節點楔體（wedge）單元，分析公路運營加載對路基變形和應力分布的影響。模擬數值計算時位移邊界采用固定邊界，上臨空面為自由表面邊界，不受任何約束，橫向兩側面面域受到x方向的位移約束，地基下層底邊界面域受到z方向的位移約束，路基縱向兩側面面域受到y方向的位移約束。

5.1 計算模型

路基自上而下分為5層結構，施工工序為漿液灌注法注水泥漿液、路基填筑至路面、施加車輛荷載。為消除尺度效應影響，數值計算模型計算高度取至軟弱黏土層底，約為路基高度的7倍，即15.20m，計算寬度取為路基寬度的5.1倍，即111m。計算模型網格劃分35 360個單元和39 802個節點。

5.2 計算結果分析

為評價水泥漿液注漿效果，對數值模擬計算結果的路基豎向應力分布及豎向位移進行分析。

根據路基填筑完成后車輛運營期整個路基的豎向位移、應力等值線，從豎向位移云圖可看出位移呈倒鐘形分布，路面頂面最大位移增量為2.16cm，與沉降理論計算方法的2.9cm接近，同時由于水泥水-水玻璃注漿使軟弱黏土層的復合地基強度提高，復合地基支撐了上部車輛荷載作用，降低差異沉降，沉降控制在加固層。從豎向21應力等值線可看出加固層強度的提高均布了應力，應力分布形態比較均勻，總體而言，運營期相對施工結束時的豎向應力變化不大，在路基淺層應力有所調整增加，這主要是由于荷載工作區深度的影響。說明在軟弱黏土層段應用注漿工藝提高了軟弱區域的復合模量，形成一個整體，承載力得到提高。

6 施工注意事項

1）冒漿 在高壓靜壓灌漿施工過程中，往往有一定數量的土顆粒隨一部分漿液沿注漿管管壁冒出地面。通過對冒漿的觀察，可及時了解地層狀況，判斷灌漿的大致效果和確定灌漿參數的合理性等。根據經驗，冒漿量（內有土粒、水及漿液）小于注漿量20%為正常注漿，超過20%或完全不冒漿時，應查明原因及時采取相應措施。當流量不變而壓力突然下降時，應檢查各部位的泄露情況，必要時拔出注漿管檢查封密性能。出現不冒漿或斷續冒漿時，若因土質松軟，則視為正常現象，可適當進行復噴；若因附近有孔洞、通道，則應提升注漿管繼續注漿直到冒漿為止，或拔出注漿管待漿液凝固后重新注漿，直至冒漿為止，或采用速凝劑，使漿液在注漿管附近凝固。冒漿量過大的主要原因一般是有效灌漿范圍與注漿量不相適應，注漿量超過高壓靜壓固結所需的漿量所致。

2）嚴格控制注漿壓力，確保路基處理達到要求。

3）高壓注漿完畢或注漿過程因故中斷時，短時間內不得繼續噴漿時，均應立即拔出注漿管清洗備用，以防漿液凝固后拔不出來。

4）施工中應做好泥漿處理工作，及時將泥漿運出，保持場地文明。

7 結語

目前我國經濟已由高速增長階段轉向高質量發展階段，對于公路工程的施工質量提出更嚴格的要求，作為公路施工質量重要的核心影響因素之一，軟土地基處理措施的優劣直接影響公路橋梁的穩定性。

在某省道工程施工中，通過科學的計算及有效的處理措施，以及施工過程的嚴格控制保證了施工過程質量，對工程的順利推進及公路交付后的穩定運行發揮了重要作用。