軟土地基施工技術在路橋施工中的應用

欒 靜

（盛德路橋建設有限公司，山東 高密 261500）

0 引言

軟土地基大多分布在在河岸和沼澤等區域，土壤多為松散土，沉積物含水量高，滲透性能較差，缺乏抗剪能力，在自然狀態下會出現沉降現象，無法滿足路橋工程的建設要求。施工人員應該采取有效的施工技術對軟土地基進行處理，提升路橋施工中地基的穩定性和承載能力，避免出現沉降問題。現階段，隨著技術的不斷創新和施工經驗的不斷總結，已經出現了很多軟土地基施工技術，每個技術都有各自的優勢和特點，在具體路橋施工過程中，需要結合實際情況進行選擇，嚴格按照施工要求和標準完成施工，以保證路橋施工中軟土地基的處理效果，保證工程質量[1]。

1 路橋施工中軟土地基的設計

對于路橋施工而言，地基設計的好壞直接決定了施工的質量，在路橋施工中軟土地基設計至關重要。由于一般路橋施工的軟土地基所處環境的地質狀況比較復雜，該地基大多數為軟弱土層，會嚴重影響路基設計。因此，在路橋施工中，應該重點解決軟土地基的設計問題。

1.1 軟土定義及判別指標

根據《公路工程地址勘查規范》（JTG C20—2011）文件中的內容，對軟土進行了明確的定義，即在靜水中，或者流水速度較為緩慢的情況下，會沉積具有工程性質的土，這種土中的天然含水率較高，而且孔隙比e≥1.0，壓縮系數也超過正常數值，即a0.1-0.2>0.5 MPa-1，標準貫入試驗的錘擊數低于3擊，靜力觸探貫入阻力較低，Ps≤750 kPa，十字板抗剪強度Cu＜35 kPa。

結合上述相關指標，可以對軟土結合表1進行分類。

表1 軟體根據天然孔隙比和有機質含量分類

1.2 軟土地基路橋工程的特性及病害

1.2.1 工程特性

在路橋施工中，軟土地基會對整體施工造成影響，這種地基的結構所處的環境含水率較大，承載能力較低，壓縮性較高。而且這種地基在施工過程中也容易出現一些問題，例如，孔隙內水分增加，還會出現粉土和沙土等情況，導致地基的穩定性明顯下降。另外，軟土地基的滲透性較小，存在土質分布不均勻的情況，會在很大程度上影響整體工程建設的質量[2]。

1.2.2 常見病害

1.2.2.1 路基穩定性下降

當路橋工程施工區域的土層為軟土時，如果在新舊路基銜接部位增加荷載，那么軟土層區域的地基就無法承擔該荷載，出現滑動的情況。通常出現這種情況的原因是由于軟土的特性，其具有流塑性，軟土在上方荷載的作用下會向兩側移動，出現變形，導致路基穩定性下降。

1.2.2.2 沉降導致裂縫

出現沉降的原因主要是路基交接部位擴建導致的，在長期荷載的作用下，老路基已經處于固結狀態，在擴建的過程中，新路基會改變原本的應力，會增加地基的附加應力，產生壓索變形和固結沉降等問題。

1.3 路橋施工軟土地基設計要點和標準

1.3.1 設計要點

從設計要點角度而言，要保證路橋施工地基的穩定性以及強度，使其在交通負荷的影響下也不會出現沉降和變形的情況，而且建設相關構造物也不會對其造成影響，這些都是設計過程中需要重點考慮的內容，并且要在具體施工過程中嚴格控制[3]。

1.3.2 設計標準

1.3.2.1 沉降標準

一般路橋軟土地基的沉降標準為能夠維持其使用為15 a，一般針對使用年限以內的公路所產生的沉降量不超過30 cm，頂涵洞通道處不超過30 cm，橋頭路段處不超過10 cm。

1.3.2.2 安全系數驗算

在施工過程中，可以對地基固結進行安全系數驗算，采用直接快剪指標的方式，容許值為1.1 kPa。在運營期間對其進行驗算的過程中，采用直接快剪指標的方式和固結快剪指標的方式，容許值為1.2 kPa。

1.3.2.3 荷載設計

根據一級公路要求實施荷載設計，在土柱高0.9 m時，路基填料的容量為19 kN/m3。

1.3.2.4 預壓期

該期限是施工靜載之后進行沉降等待時的時間，一般采用單純預壓或者應用塑料排水板進行預壓的路橋地基施工地段的預壓時間在9個月以上。

1.3.2.5 預壓高度

欠載預壓的高度為0 m，欠載高程是上路高程和預壓期間沉降量的集合；等載預壓的預壓高度與路面荷載當量土柱高一致；等載預壓是預壓高度與路面荷載當量土柱高一致的情況，等載高程是路面設計標高、路面結構層數與厚度之差以及預壓期間沉降量的集合[4]。

1.3.2.6 加載速率

在路橋施工時，以計算陸地沉降量為核心，對加載速度進行有效把控，避免出現路堤穩定性下降的情況。對路基中心表面而言，在復合地基處沉降速率低于8 mm/d，在堆載預壓區沉降速率低于15 mm/d。對坡腳處側向位移而言，復合地基處沉降速率低于5 mm/d，在堆載預壓區沉降速率低于8 mm/d。

2 軟土地基的沉降計算

2.1 分層總和法

在路橋施工過程中，軟土地基施工之前應該對地基沉降進行計算，沉降時間和沉降量是重要的計算內容。一直以來，在計算地基沉降的應力和應變關系中，廣泛地應用了胡克定律。如果軟土地基的土體是線性彈性，就可以應用分層總和法進行沉降計算[5]。

該計算方法先設定軟土地基的主體具有線性和可變性，在外部荷載的作用下會在有限的范圍內出現變形的情況。在壓縮層厚度范圍內對地基層進行分層處理，這時可以求出每層的應力，進而借助土層的應力和應變關系求出每層的沉降變形，最后采用求和的方式獲取總體的地基沉降量。

對每層地基的平均自重應力Pi1，平均自重力Pi2和附加應力進行計算，結合e-p曲線圖，查找對應的孔隙比ei1和ei2，計算出分層壓縮變形量ΔSi，如公式（1）所示。

將計算出來的各分層的壓縮變形量疊加起來，進而獲取總體地基沉降量S，如公式（2）所示。

式中：hi為各土層的厚度，n為計算沉降分層數。

2.2 考慮到不同變形階段使用的計算方法

該沉降計算方式在應用過程中得出，路橋施工中軟土地基的土層在外力作用下會經歷3個階段，并產生3種類型不同的變形特征，分別為瞬時變形產生的沉降量Si，固結變形產生的沉降量Sc，次固結變形產生的沉降量Ss，這時地基沉降總量為S=Si+Sc+Ss。

對于瞬時變形Si而言，在加載的瞬間，土壤中的孔隙水還無法及時排出，這時孔隙體積還未發生改變，土壤體積未發生改變，但是在載荷的作用下出現土體剪切變形情況。如公式（3）所示。

式中：p為路基地面平均壓力，b為路基寬度，Ei為彈性模量（Ei=（500-100）Cu，Cu是不排水時的抗剪強度值），ω為沉降影響系數，μ是土的側膨脹系數（泊松比），在此選擇0.5數值。

對于固結變形Sc而言，主要是在除去孔隙水之后，使孔隙壓力轉變為有效應力，進而壓實土體，讓土體產生壓縮變形，一般應用分層總和法進行計算。

對于次固結變形Ss而言，主要是在完全排出土壤中的孔隙水之后會產生固結，在結束土壤固結后產生了變形，目前研究認為這種變形情況是由于土骨架粘滯蠕變所導致的，該變形可以用公式（4）計算。

式中：Ca1為第i分層土的次固結系數，t1為排水固結達到100%所需要的時間，t2為計算次固結需要的時間，hi為各土層厚度，ei1為孔隙比。

3 軟土地基施工技術在路橋施工中的應用

3.1 排水固結施工技術

該施工技術是路橋施工過程中對軟體地基進行處理最有效的技術，主要包括加壓和排水2個方面，其中加壓是借助建筑物自己的重量或者路堤土自己的重量進行逐漸加載，或者借用外力加載實現預壓。排水是采用袋裝沙井和塑料排水管將土壤中的孔隙水排出。這2個部分缺一不可，相輔相成。在附加應力的作用下，路基土會出現超孔隙水壓力，將軟土中的水分排出，然后進行固結沉降操作。如果土壤中的有效應力開始增加，那么地基抗剪力度也會提升，快速實現沉降。這種施工技術應用了完善的理論經驗，使用的設備和操作都比較簡單，費用投入比較少，適用于軟粘土、淤泥質土和淤泥等土層施工中，如果深度超過了3 m，可以利用這種技術提升埋設深度[6]。但是深度越深，孔隙水排出的速度會越慢，在設計時需要考慮這一點。具體排水固結施工技術可以采用堆載法、降水預壓法和真空預壓法。

3.1.1 堆載法

軟土地基會在緩慢地增加荷載的情況下進行排水固結，出現固結沉降后，土體強度提升，地基承載力也會提升。如果應用超過工作荷載的預壓荷載，就可以減少次固結沉降，如圖1所示。該方式適用于壓縮性較大，透水性良好的泥炭質地基上。

圖1 堆載法

在使用堆載法施工的過程中，盡可能地在通道和涵洞位置選擇合適的預壓材料，一般為土方，高度在2 m～3 m，壓實率大于90%，預壓范圍一般在施工兩側60 cm的位置，時間為5個月左右。然后進行沉降觀測工作，計算軟土地基的沉降量，當連續60 d沉降量在5 mm以內，則表示地基趨于穩定，可以進行下一步的卸載操作。需要注意的是，在沉降觀測的過程中，需要合理規劃觀測的位置，通常在施工區域的中心位置設置，在道路中心線縱向之間的距離為500 m；路基填土的高度>5.0 m，軟土的厚度>4.0 m的地段，從橫向上選擇3個位置，分別在中心線和兩側路邊上，縱向間距為200 m；如果軟土位置有一定的坡度，那么也可以選擇3個位置，分別在中心線和兩側路邊上，縱向間距為300 m。

3.1.2 降水預壓法

該方法能夠使軟弱土層承受與所下降的水位高度一致的水柱重量的壓力，使地下水下降，加快固結和沉降。這種技術主要應用路堤荷載預壓原理，并不會對地基造成破壞。該方法使用范圍較大，還可以與荷載堆載法結合應用。

3.1.3 真空預壓法

該方法在使用過程中需要在軟土區域中放置排水通道和砂井，將排水砂墊層鋪設于地面上，然后在上方覆蓋密封膜，將砂墊和空氣隔離開，再與排水通道相連接，利用真空裝置進行抽氣操作，這時密封的膜內部壓力與外部壓力會產生一定的差距，進而讓這種壓差成為地基荷載。該技術主要采用射流真空泵設備，在砂墊層中放置濾水管，以此形成回路，然后敷設砂層[7]。這樣處于真空狀態時，不會讓軟土區域產生剪應力，可以保證地基的穩定性。該方法適用于軟土性質較差，施工較為緊張的情況下。

3.2 化學加固法

3.2.1 水泥土攪拌法

該方法主要應用的材料為石灰或者水泥，再加上地基土，進行攪拌使材料發生化學、物理變化，在凝固后形成柱體，該柱體結構的穩定性較強。如果攪拌足夠充分，還能產生固化的效果，使樁體和軟弱土硬化，形成復合地基，進而加固地基。這種方法能夠顯著提升地基的承載力和強度，減少沉降。

3.2.2 高壓噴射注漿法

高壓噴射注漿法也被稱為旋噴法，主要是土體開挖后，將漿液經過鉆機噴嘴鉆入到深層的軟弱土層中，進而產生強烈的沖擊流。利用高壓提升土層強度，這時土壤中的顆粒也會在噴射壓力的作用下逐漸隨著液體流出，其余顆粒會在作用力的影響下和漿液攪拌在一起，根據一定的比例均勻混合，等到混合土凝結硬化后，可以在土層中構成混凝土樁，應用該技術后可以增強地基支撐力度，減少沉降量，并起到一定的防滲效果。

3.3 加筋技術

在路橋軟土地基施工的過程中，加筋技術也是常用的技術，該技術采用的加筋材料主要是一些穩定性強、有一定韌性的材料，包括天然材料和化工材料。在具體應用該技術的過程中，主要是先將土工格柵埋設于砂石墊層中，采用檢測→清理→人工鋪設土工格柵→搭接、捆綁、固定→鋪設上層路基土→碾壓→檢驗的流程，提升軟土地基的綜合強度，使排水更加通暢。在鋪設土工格柵時，應注意材料的使用，確保其符合施工標準和規范，為了避免由于受力不均勻出現的變形情況，需要在施工時檢查材料是否符合設計標準。

3.4 快速分離夯實法

快速分離夯實法是新型加固技術，以管井降水的形式作為前提，運用真空操作方法，將水氣有效分離，并聯合預壓方式，對傳統管井進行優化和調節，從而更高效地處理淤泥質土固結的問題[8]。一般在路橋施工中有3個環節，分別為水土分離、水氣分離和分離預壓。在第一個環節中，經過現場試驗計算出水氣分離群井的高度、直徑以及分布等，將管井埋設到土體內一定高度，這時水會滲流到管井中，利用管井中的潛水泵設備將水排出，并進入水氣分離控制管，和真空泵進行連接，在真空抽水的過程中，會產生一定的壓力，土體內的水會快速流入管井中，達到水土分離的目的。在第二個環節中，土體產生超靜孔隙壓力，應用水氣分離技術可以將該壓力排出。在第三個環節中，在前2個環節已經形成了8 m～10 m后的硬層，利用該硬層，插入厚度一致的水氣分離管進行抽真空操作，這時上部硬層為堆載層，厚度為8 m～10 m，能夠形成120 kPa～160 kPa的荷載，在荷載的作用下，會進一步壓縮固結軟土地基。

4 結語

總之，軟土地基中含水量較大，承載力較低，無法滿足路橋施工要求，在這種情況下，應該結合實際工程建設的情況，計算地基沉降，加強施工設計，并考慮地基的土質狀況，有針對性地采用施工技術，保證施工順利進行，提升軟土地基的穩定性和承載力。