軟土路基加固處理技術(shù)數(shù)值分析及在公路工程中的應(yīng)用

牟俊杰

（寧夏公路管理中心銀川分中心，寧夏 銀川 750001）

在公路工程中，軟土路基是一種比較常見的病害地質(zhì)。由于路基土壤的含水量較高、流動性較強(qiáng)，在受到上部荷載的擠壓后容易發(fā)生沉降、變形，進(jìn)而導(dǎo)致路面開裂、錯(cuò)臺。因此，無論是從保障行車安全，還是從延長公路使用壽命、降低公路養(yǎng)護(hù)成本角度，都需要做好軟土路基的加固處理?，F(xiàn)階段行業(yè)內(nèi)關(guān)于軟土路基處理的技術(shù)體系已經(jīng)比較完善，像強(qiáng)夯法、CFG樁法、超輕質(zhì)料填土法、高壓噴射灌漿法等，均在公路工程中得到了廣泛應(yīng)用。粉噴樁法屬于深層攪拌樁法的一種，其原理是利用特殊的設(shè)備，鉆入軟弱土層一定深度后，使用壓力噴射水泥粉料，然后通過攪拌讓水泥與土體混合，在水泥硬化后得到具有一定強(qiáng)度的混合土。該方法操作簡便，而且不會造成污染，符合綠色施工要求，是公路工程軟土路基加固中比較理想的一種技術(shù)。

1 軟土路基加固處理技術(shù)數(shù)值分析

1.1 軟土路基模型的構(gòu)建

本研究使用Plxais 軟件建立軟土地質(zhì)條件下公路路基模型，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用二維有限元分析方法探究影響軟土路基穩(wěn)定性的因素。該模型的路堤邊坡坡度設(shè)定為1:1.3，路堤底部寬度為36.0 m。路堤斷面自上而下分為4 層，依次是填料、軟弱土層1、軟弱土層2、下臥土層，見圖1。

圖1 有限元模型網(wǎng)格劃分

在此基礎(chǔ)上繪制軟土路基有限元模型網(wǎng)格劃分圖，整個(gè)模型中共包含20 個(gè)節(jié)點(diǎn)三角形單元，形成非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格。整個(gè)模型網(wǎng)格被劃分成772 個(gè)單元、共計(jì)7 380 個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)，每個(gè)單元的平均尺寸為1.05 m。該路基的土層參數(shù)見表1。

表1 軟土路基土層參數(shù)

適用于軟土路基的加固處理技術(shù)有多種，比較常見的有換填法、強(qiáng)夯法、排水固結(jié)法、粉噴樁法等。本研究以粉噴樁加固處理軟土路基為例，利用Plaxis 軟件模擬整個(gè)施工過程。

1.2 軟土路基加固處理過程模擬

在Plaxis 軟件中設(shè)定粉噴樁施工的相關(guān)參數(shù)，樁體直徑為50 mm，樁的長度為10.0 m，相鄰兩根樁的間隔距離為1.8 m。完成粉噴樁的打樁施工后，開始填筑路堤。采用分步施工的方式，先后分4 次進(jìn)行填筑，每一層的填筑厚度為1.5 m，兩層路堤填筑的施工間隙為14 d。然后統(tǒng)計(jì)路基沉降量，并生成路基沉降增量矢量圖。根據(jù)Plaxis 軟件提供的矢量圖，可以發(fā)現(xiàn)在填筑第一層路堤時(shí)，沉降量的最大值為5.36 mm，第二、三、四層路堤的沉降量最大值分別是6.36 mm、6.80 mm、8.17 mm。從整體上來看，沉降區(qū)域集中分布在粉噴樁周圍，分析其原因是打樁作業(yè)引起了土體擾動，改變了原來軟土地基的力學(xué)平衡狀態(tài)，從而發(fā)生沉降[1]。對比來看，隨著填土量的增多、填土自重的增加，路基沉降量也呈現(xiàn)出上升趨勢，從第一層時(shí)的5.36 mm 增加至第四層的8.17 mm。

1.3 加固前后路基穩(wěn)定性分析

使用粉噴樁加固軟土路基前后的邊坡安全系數(shù)見圖2。

圖2 粉噴樁加固前后安全系數(shù)對比

結(jié)合上圖可以發(fā)現(xiàn)，在未采取加固處理措施前，軟土路基的安全系數(shù)僅為1.22，略高于臨界值1.0；而經(jīng)過粉噴樁加固后，路基邊坡安全系數(shù)達(dá)到了1.87，相比加固處理前提升了53.3%，加固效果明顯。由此可見，使用粉噴樁加固軟土路基，可以將水泥、石灰等材料作為固化劑，通過與富水軟土攪拌的形式，提高復(fù)合土體的強(qiáng)度，從而將軟土地基轉(zhuǎn)變成具有一定強(qiáng)度的優(yōu)良地基。

2 軟土路基加固處理技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用

2.1 工程概況

某公路工程為城市I 級主干道，總長4 631.8 m，路幅寬度38.6 m，設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h。該路段內(nèi)有2座橋梁和2 座涵洞，整體呈南北向。從地質(zhì)勘察結(jié)果來看，該公路沿線地下水較為豐富，主要來源為地表水和大氣降水，6-10 月份地下水位較高，其他月份地下水位較低，水量變化較為明顯。該路段周邊覆蓋涂層以紅粘土為主，部分低洼地區(qū)有淤泥。土層類型自上而下依次為雜填土（厚度0.8～7.4 m）、紅粘土（厚度1.4～17.7 m）、砂土（厚度1.2～6.0 m）、基巖。下臥基巖有明顯風(fēng)化情況，質(zhì)地較軟、有蜂窩狀溶蝕痕跡。結(jié)合該地區(qū)的水文特點(diǎn)和地質(zhì)條件，判斷該路段地基為軟土地基，如果不采取加固處理措施極有可能導(dǎo)致路基和路面的不均勻沉降。為此，設(shè)計(jì)了以下軟土路基加固處理方案：

對于低挖低填路段，采用換填法處理表層雜填土。使用挖掘機(jī)將表層雜填土挖出后，重新填入性狀良好的素土，并使用壓路機(jī)反復(fù)壓實(shí)，作為路基持力層。素填土的放坡坡比為1:1.3，坡面使用“混凝土格構(gòu)+綠化護(hù)坡”的方式，提高蓄水固土效果。在坡腳修筑擋墻，并設(shè)置排水溝。對于挖方路段，采用粉噴樁法處理紅粘土，具體施工方法如下。

2.2 粉噴樁法施工方案

本次施工中所用水泥材料為42.5 級普通硅酸鹽水泥，使用前應(yīng)檢查水泥質(zhì)量，保證無過期、結(jié)塊等情況。同時(shí)核對水泥標(biāo)號，并對安定性等指標(biāo)進(jìn)行檢測，確保符合施工要求后，按照50 kg/m 的劑量使用。該路段需要使用粉噴樁加固的軟土路基共有1 100 m，其中超過80%的粉噴樁均設(shè)置在橋頭區(qū)域，目的是減少橋頭跳車情況[2]。粉噴樁采用正三角形布置，相鄰兩根樁的間隔距離統(tǒng)一設(shè)定為1.8 m，樁體直徑為0.5 m。粉噴樁的布置見圖3。

圖3 粉噴樁布置平面圖

本次施工使用到的設(shè)備主要有粉噴樁鉆機(jī)，以及配套的粉體發(fā)送器、空氣壓縮機(jī)、儲灰罐、攪拌鉆頭全站儀等。在正式施工前，要求監(jiān)理工程師在施工區(qū)域附近選點(diǎn)進(jìn)行成樁試驗(yàn)，并調(diào)節(jié)粉噴樁施工的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，包括鉆進(jìn)速度、攪拌速度、噴氣壓力等。各項(xiàng)參數(shù)確定以后，方可正式開展粉噴樁施工。

2.3 粉噴樁法施工要點(diǎn)

施工前做好場地平整處理，對于部分低洼地區(qū)要使用粘性土填平。然后根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行樁位放樣，標(biāo)記處樁位點(diǎn)，并確保誤差在20 mm 以內(nèi)。各類施工機(jī)具到場后，啟動粉噴樁鉆機(jī)從1#樁位點(diǎn)開始鉆掘。現(xiàn)場施工人員要密切觀測鉆進(jìn)深度，在鉆頭下沉至樁底標(biāo)高位置后，旋轉(zhuǎn)噴射水泥干粉，保證水泥干粉能夠與軟土充分混合。在樁底停留噴粉60 s 后，開始提升鉆頭，每次提升高度為50 cm，然后在該位置處繼續(xù)停留噴粉60 s[3]。按照上述方法，直到鉆頭提升至距離地面50 cm 后停止，可以避免水泥干粉噴出地面造成污染。然后重復(fù)攪拌下沉至樁底標(biāo)高位置，重復(fù)提升至地面50 cm 處，完成1#樁位的粉噴樁施工。將粉噴樁鉆機(jī)移動至2#樁位，重復(fù)上述施工操作。對于已經(jīng)完成施工的1#樁位，現(xiàn)場施工人員還要繼續(xù)進(jìn)行回填、壓實(shí)操作。

2.4 粉噴樁法施工質(zhì)量燮制

在粉噴樁施工過程中，現(xiàn)場施工人員還要密切關(guān)注噴粉壓力、噴粉計(jì)量等參數(shù)的變化，并加強(qiáng)施工誤差燮制。其中，樁間距、樁體垂直度、單樁噴粉量等都是誤差燮制的主要因素，具體要求見表2。

表2 粉噴樁施工允許誤差

除了加強(qiáng)誤差燮制外，在本次軟土路基的粉噴樁法加固處理中，還重點(diǎn)采取了以下技術(shù)燮制：

（1） 施工期間靈活調(diào)節(jié)機(jī)械葉輪的轉(zhuǎn)速與供料壓差，改變粉噴樁鉆機(jī)的出粉劑量。從而保證了連續(xù)、均勻出料，提高了成樁效果。隨著鉆掘深度的增加，同步增加出粉劑量，可以使底部淤泥質(zhì)粘土的強(qiáng)度得到更好地提升。

（2） 在輸送水泥干粉時(shí)，考慮到粉末的運(yùn)動主要取決于氣流的高低，因此施工期間要維持空氣壓縮機(jī)輸出功率的恒定，保證氣體流速均勻，從而實(shí)現(xiàn)水泥干粉的正常輸送。同樣的，隨著鉆掘深度的增加，土體壓力上升，會導(dǎo)致粉噴樁鉆機(jī)出料口的阻力變大。這是要注意適當(dāng)增加空氣壓縮機(jī)的功率，避免氣體流速太低導(dǎo)致機(jī)械管道阻塞的情況。

（3） 在粉噴樁加固軟土地基中，水泥干粉與軟土之間的混合均勻度，是決定樁體強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。因此本次施工中選擇了雙頭短螺旋葉片式鉆頭，能夠有效克服地基土層軟硬分布不均時(shí)水泥干粉與軟土混合不一致的問題[4]。另外，在施工過程中，按照“預(yù)攪下沉——攪拌提升——復(fù)攪下沉——攪拌提升”的流程，讓水泥粉料與軟土充分混合，對進(jìn)一步提高粉噴樁的成樁效果也有積極幫助。

2.5 軟土路基加固處理效果

為了驗(yàn)證粉噴樁法在軟土路基加固處理中的應(yīng)用效果，在完成施工28 d 后，需要進(jìn)行成樁檢測。常用的檢測方法有抽芯法、動測法、Nio 檢測法等，本研究選擇現(xiàn)場靜載法測定成樁效果。該方法即可用于垂直承壓樁，也能適用于水平受力樁，將該方法應(yīng)用到粉噴樁復(fù)合地基的靜載試驗(yàn)，其檢測流程為：

首先確定最大承載力，通常為設(shè)計(jì)承載力的2倍。本次工程中粉噴樁的設(shè)計(jì)承載力為180 kN，那么靜載試驗(yàn)中最大承載力即為360 kN。然后分9 級加載，每級加載為40 kN。在每一級加載后的第10 min、20 min、30 min 觀測并記錄讀數(shù)。當(dāng)最后一次讀數(shù)完成后，開始分4 級等量卸載，每級荷載下維持60 min，并且在每級卸載后的第10 min、20 min、30 min 觀測并記錄讀數(shù)。直到卸載為0 后，觀測粉噴樁殘余沉降量[5]。

粉噴樁靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，在荷載為360 kN 時(shí)，本級沉降量最大，為6.25 mm；累計(jì)沉降量達(dá)到了23.11 mm，滿足相關(guān)規(guī)范要求，說明本次公路工程中應(yīng)用粉噴樁法加固處理軟土路基，取得了良好效果，保障了公路工程的質(zhì)量安全。

3 結(jié)論

在公路工程的施工中，由于公路跨度較大，不可避免會遇到軟土路基。如果未采取有效的路基加固處理，后期開放通車后，在車輛的反復(fù)碾壓下路基會出現(xiàn)不均勻沉降，路面也會出現(xiàn)開裂等病害。因此，公路工程中必須要對軟土路基采取針對性的加固處理。本研究提出了一種粉噴樁加固處理技術(shù)，利用專用鉆機(jī)向軟土噴射水泥粉料，并且反復(fù)攪拌使水泥干料與富水軟土進(jìn)行充分混合。兩者發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)后，混合土體的強(qiáng)度得到大幅度的加強(qiáng)，從而提高了路基的強(qiáng)度。除此之外，相比于強(qiáng)夯法、換填法等常用的軟土路基處理方法，粉噴樁法還具有噪聲小、污染少，對周邊建（構(gòu)）筑物影響小等優(yōu)點(diǎn)，可以作為公路工程中加固軟土地基的首選方法。