高等級道路軟土路基特性分析及加固工藝研究

武 瑞

（山西省祁縣公路管理段，山西 祁縣 030900）

0 引言

瀝青混凝土和水泥混凝土路面構成了目前國內外高等級道路（我國將二級及以上等級的道路界定為高等級道路）的主要路面結構形式，但無論何種路面形式，其路面及水泥穩定基層都是鋪筑在道路基層之上。基層的材質和種類很多，但基本上可分為高抗壓性和低抗壓性兩種，前者具有較高的抗壓強度，經壓實處理后形成的路基能夠承載較大的荷載而不易變形；而后者與之相反，若將其作為路基就必須進行必要的強化改造，以適應高等級道路高碾壓荷載的強度要求。在我國北方的黃土高原地帶和南方多雨水（包括伴生的較高地下水位）等地區大量的軟土地帶就屬于后者。

長期以來，國內外高等級道路基層的施工一直面臨軟土地基處理不當引發道路沉陷的難題，如筆者所在山西晉中地區的國省道路就曾多處出現不規則超限沉降。究其原因，除了因煤炭運輸經常出現的超載運輸外，軟土地基的抗壓強度不足亦是主要誘因之一。另外，縱觀國際道路施工領域也經常出現因軟土地基處理不當引發的道路沉陷事故，如2007年初路經美國印地安那州（Indiana,USA）某州際高速，因軟土地基失穩出現的水毀使路面出現300 mm以上的沉陷而緊急封閉必須進行工程處置。類似的交通工程實例在國內外經常見諸報道，有鑒于此，探討并不斷完善軟土地基的硬化加固工藝，并根據地質特點的不同不斷優化施工方法、提高軟土地基的硬化質量是十分必要的。

1 軟土地基基本特性分析

軟土（soft soil）亦稱松軟土，其主要物理特性是擾動性大、透水性差、土層層狀分布復雜、壓縮性高、抗剪強度低、各層之間物理力學性質相差較大。軟土的形態具有多樣性，但主要包括淤泥、淤泥質黏性粉土、松軟沙質土和泥炭質土等。軟土的含水量一般大于液限，天然孔隙比大于或等于1.0。主要分布在濱海、湖沼、谷地、河灘沉積、沙土丘陵和黃土高原松軟土等地帶。

有鑒于軟土的上述特性，在自然狀態下如果受到外力的作用，特別是剪切力和拉壓力的作用時很容易產生流動變形。顯然，軟土路基材料的抗壓和抗剪能力較弱，如果受到較大的動靜荷載，超過了其材料的穩定極限，將會導致路基及其上部結構的失穩而損毀。我國是一個大陸地區縱貫北緯22°～53°33′，從亞熱帶雨林到寒帶季風氣候，特別是海岸線長達數千公里的氣候各異且地形地貌廣大多樣的大國，軟土地貌復雜且多見。為了發展現代道路交通事業，研究軟土地質的特性，不斷提高和逐步完善軟土地基處置的施工工藝和技術水平（包括專用機械設備），從而有效提升道路基層的穩定性及承載能力[1]，對道路交通事業的健康發展具有重要意義。

2 對軟土地基進行加固是路基前期施工的主要內容

根據不同等級的道路，我國對其基層的壓實強度規定了相應的數據指標（JTG B01—2019），其中二級及以上高等級道路的技術指標相對較高。顯然，由于軟土地基物料組成的基本特性決定了其強度較低和穩定性較差，在壓實過程中容易出現向四周散射的流動性，材料的失穩使得路基的壓實指標難以實現。有鑒于此，對軟土地基進行加固是十分必要的。加固工程應當提前在道路的設計和施工之前勘測和預知，并提出設計和加固的方案，完成施工圖設計和選擇決定合適的施工工藝（包括材料的選取、合理的礦料級配和專用設備的配套作業等），從而保證加固工程的質量和有效性。

3 軟土地基的加固措施

大量實體工程表明，軟土地基的加固必須遵從的原則有二，一是工程方案的設計應盡量降低路基的設計標高。眾所周知，自然（或人為建設）結構穩定性的優劣與其幾何高度的高低成反比，所以盡可能降低路基的設計標高會有效提升路基的穩定性。二是在保證路基抗壓強度的前提下，使用較輕質量的材料（如筆者所在的山西地區大部為多品種石質山區，但玄武巖、砂巖、青石、石灰石等礦料的比重通常為1.6～2.2，差別較大）填筑路基，能夠有效減輕路基的靜荷載。

當然，軟土地基所處地段的地質條件比較惡劣，除了上述工程遵從的主要原則，在某些難以施工或施工后仍難以達到抗壓強度的特殊路段，應采取下述工程方法予以加強。

3.1 樁基礎作業

在條件較為惡劣的地段可采用樁基礎提升地基的承載能力，目前該方法大多以現場旋噴注漿樁或預制水泥樁打入為主要工藝選擇。雖然工程成本較高，但加固效果更為突出，故在高等級道路，特別是高速公路工程中應用較為普遍。如山西省晉中公路分局在208國道的汾河水網軟土地基施工中采用旋噴注漿樁加固工藝收到了良好效果。

采用旋噴注漿樁工藝作業對當地地質條件有一定限制，一般要求地基為淤泥、砂礫、沙土或其混合物，這些物質強度和硬度不大，能夠使鉆桿容易深入并旋轉注漿作業。使用的水泥不能低于425號的強度標準（即混凝土成樁養生期后的抗壓強度不低于42.5 MPa），同時應根據當地土質和含水量的不同進行水灰比設計，其技術參數應經過試樁測試后確定。長期以來，旋噴注漿樁的成樁因工藝和參數選擇問題經常出現廢樁或偏差較大，因此其施工工藝和技術參數應進行必要的優化以保證施工質量。首先，樁機的基礎必須穩定并以水平儀校準，這是保證鉆桿以鉛垂角度鉆進的前提（鉆桿與水平線的鉛垂誤差應小于等于1.5%）。樁機作業時，其鉆桿只能承受由電機或液壓馬達傳遞來用于旋轉鉆進的扭矩，而不能承受橫向彎矩，這是保證工程質量，更是確保設備和作業人員施工安全的前提。21世紀初山西省某道路施工單位承擔的一項黃河支流軟土地帶注漿工程就曾因基礎欠穩而使鉆桿受彎出現變形損壞的情況。國內道路施工部門此類現象常見報道，所以必須引起高度注意。

有鑒于大量實體工程的作業分析，為了杜絕施工風險，筆者認為應對鉆機的鉆進速度進行必要的工藝優化，即改鉆進恒速為漸進速度，以使鉆桿對地基的鉆入初始階段有一個必要的適應過程，易于在可能出現鉆桿受彎情況時及時修正（特別是對可能的基礎欠穩及時進行穩定處置），這對于抗壓強度較低且地質結構復雜的軟土路基施工是十分必要的（圖1）。

圖1 旋噴注漿鉆桿鉆入漸進速度的優化曲線示意

另外，當遇到硬度較大的地層時，應及時調低鉆進速度以保證施工安全和作業質量。

3.2 排水措施

大部分軟土地基中含水量較大并呈現較差的排水狀況，所以在其路基的結構設計和施工中，必須采取措施加強和保證其施工過程中和完成后的路基具有良好的排水能力[2]，這是保證道路達到設計承壓能力和使用壽命（包括有效抵抗道路的早期損壞）的重要舉措。在設計和施工時，應嚴格按照設計保證排水板在軟土地基中的布置（插入）深度、相鄰布置間隔距離和四周砂石鋪層的厚度，以保證基層中的水分盡可能快速排出，促進軟土地基固結可靠。

3.3 添加劑混合處理

如本文前述，由于軟土地基較高的含水量，加之黃土高原地區的砂質土易于流動，塌落度較大，如果在其中添加一些以石灰和水泥為主要成分的添加劑，使其與軟土材料混合后再實施壓實作業，將會有效改善軟土地質自身的團聚效應而加速固結，從而有效提升其土質的穩定性。

與水泥穩定層相較，軟土地質的處置數量和工程規模較大，故采用在材料基地拌合后運來攤鋪的作業工藝難以實施，因此可采用路上摻拌找平壓實方法完成作業，其作業工序如圖2。

圖2 采用添加劑摻拌提升軟土土質穩定性作業工序框圖

除了上述處置方法，軟土地基的加固方法還有很多可以選擇，如材料換置充填法、壓密碎石注漿和多種加固方式混合處置等[3]。采用何種方法進行作業，應當根據當地土質、材質及專用機械設備保有和投入情況對技術和經濟兩種可行性進行綜合考量后決定。

4 結語

21世紀以來，我國道路交通事業的快速發展使得很多地質結構復雜和偏遠（特別是三北地區）地區高等級道路的建設列入國家規劃并實施。由于我國國土面積廣大且地形、地質、地貌和落雨情況各不相同，且軟土地帶的分布十分廣泛，因此研究和探討軟土地基的加固技術和施工工藝并使之不斷完善，是我國道路交通事業高質量快速發展的迫切任務。