施工中軟土地基處理技術分析應用

胡鵬偉 劉淵 薛超 辛寧

中電建路橋集團有限公司 北京 100160

引言

從歷史沿革看，我國自大禹治水開始就十分重視水利工程建設。進入新時代后，水利工程行業通過工業化改革、產業化轉型，一方面建立了以水利工程項目研發設計、物料采購、施工建設、運維管理為主要環節的產業鏈條。另一方面，在總項目、分部項目、子項目中，通過運用項目管理辦法與數字化技術，創建了系統性管理與專業化管理相結合的全過程指標化管理方案，全面提高了水利工程生產建設與生產管理水平。防洪工程作為水利工程的重要組成部分，遭遇軟土地基時不僅會增加施工難度，也要求在施工實踐中對軟土地基進行專門化處理。下面先對軟土地基的概述與主要特征做出說明。

1 軟土地基概述

1.1 概念

從概念界定看，軟土地基（也稱軟弱地基）主要是指在工程項目生產建設中，被規劃為地基的某個區域內，部分土地無法起到作為地基應有的支撐作用。此類軟土地基類型相對較多，包括了單一原因造成的軟土地基與綜合原因導致的軟土地基，比如，軟土、泥沙、淤泥、沖填土等。

1.2 特征

軟土地基具有透水性差、可塑性強、沉降速度快、土層結構不均勻等特征。分述如下：以透水性差為例，軟土地基受到地質條件、水文條件的限定，地基結構本身具有一定的特殊性。從具體表現看，主要是軟土地基內部顆粒物間隙大、含水量較多、垂直方向滲水參數約為每秒10cm，在地基開挖施工時會引發積水現象。以可塑性強為例，在外力作用下，軟土地基結構中的空隙會收縮，并對土層結構造成間接影響。當這種外力作用具有持續性時，地基表面會發生變形，并妨礙對不規則沉降問題的解決。以沉降速度快為例，工程選址本身靠近水源，軟土地基周邊的地基強度也會相應下降，因而在結構強度低、土層密度小條件下，受到外界壓力，或進行機械碾壓作業時，均會加快沉降速度。以土層結構不均勻為例，在軟土地基所在區域，地基厚度、密度、含水量具有差異化，造成了同一區域不同位置結構差異，因而需要區分軟土地基結構類型，選用針對性較強的軟土地基處理技術加以解決[1]。

2 施工中軟土地基處理技術分析

2.1 換填技術

從原理看，換填技術主要是以人工方式、機械方式，用換填材料代替軟土地基中的土質。該技術的優勢主要體現在操作簡便、換填材料易得、質量可控性強、應用范圍相對較廣等方面。從當前的實踐經驗看，使用的換填材料以碎石、粗砂、沙土、水泥等材料為主。同時，在應用方面主要以淺層部分的軟土地基作為應用對象。對該技術的應用效果表明，有利于規避施工中的沉降現象、降低排水系統施工難度，預防土壤膨脹收縮情況的出現等。目前對該技術的應用中需要注重對換填材料的強度、成本、密度、分層換填厚度、伸縮性能、抗剪力、配套機械等要素的分析，并對照要素清單設置與之匹配的技術指標，保障對軟土地基的處理效果。

2.2 墊層技術

當施工中遇到土層較薄的軟土地基時，除了應用換填技術外，也可以實際需求選擇墊層技術。應用該技術時的目標定位于對地基形狀的改變、對土層強度的提升、對地基承載能力的增強等方面。應用經驗表明，在實踐過程中要求先做好對軟土土層的挖去處理，再使用礦渣、煤石、碎石、砂石等具有抗腐蝕能力、抗壓性能力、抗變形能力材料，填充挖去的軟土地基部分。一般情況下，需要按照分層方式，墊一層材料進行多次壓實，確保填充均勻、密度達標、壓力適度。進而，使其能夠起到規避滲透、減少土層沉降、增強承載力的作用。

2.3 加筋技術

當軟土地基砂礫較多時，土質位移時軟土地基也會發生相應的變化并使工程出現問題。目前在處理時主要根據軟土地質勘察報告及相關數據，選擇匹配的鋼筋用于實現加固地基的目標。加筋法具有一定的復雜性，要求對鋼筋排布的疏密度、規格、型號、強度、硬度等數據進行采集，同時需要在使用前對鋼筋進行表面處理，預防在加筋后因土質中的水分與鋼筋發生化學反應后生成鐵銹并逐漸出現腐蝕等情況。通過對加筋技術的應用，通常能夠有效改善工程沉降。需要說明的是，加筋法應用時牽涉到較大的成本投入，而且造價成本的大部分來自鋼筋使用量。因此要求從經濟成本的角度，對防洪工程本身開展全面評估，盡可能制定性價比較佳的應用方案。

2.4 樁基處理技術

在部分防洪工程中，也會出現大滿園填充處理軟土地基不能實現的情況，為了較好的解決此類問題并達到處理目的，一般會選擇樁基技術，如粉噴樁、木樁、水泥攪拌樁、砂石樁等。從當前經驗看，淤泥軟土地基中對于此技術的應用相對較多，一方面能夠減少工程量，另一方面也能夠滿足軟土地基處理需求。當前應用較多的為鋼筋混凝土樁，此類樁基強度大、硬度好、可以向下深入到預期的位置（現階段我國水下樁施工技術已經比較成熟），而且可以為后續施工奠定必要條件并規避沉降問題的發生等。需要注意的是樁基技術應用時要做好地基加固設計，其中包括了施工標準、各種參數、施工技術，以及軟便觸探、靜載試驗等。另外，在處理固化材料（如水泥）時需要增加篩濾工序，減少雜質，提高樁基質量等[2]。

2.5 排水加固技術

從軟土地基的概念、內涵看，其中存在較大的水分含量，因此在遇到含水量較大的軟土地基時，一般可以選擇排水加固技術進行處理。從原理上看，主要是通過縮減地基內部的空隙與減少含水量改變其結構。由于該技術投入成本低、操作易實現、投入成本相對較低、有利于提高軟土地基穩定性，因此在含水量較大土層的應用也比較普遍。當前應用的排水加固技術中包括了水管排水、砂井排水，雖然應用方式存在差異，但是在應用效用方面均能夠滿足實際施工需求。根據實踐經驗看，應用排水加固技術時，需要對操作人員進行技術培訓，確保其能夠在施工中按部就班的以標準化程序進行操作，進而 達到預期的提升地基承載能力的目標等。

2.6 其他技術

近年來，隨著對軟土地基的研究增多、處理經驗積累、處理技術創新，已經出現了多種類型的軟土地基處理新技術，其中包括了使用物理原理進行夯實的強夯技術、借助化學原理改善軟土地基凝固性的添加劑處理方法、化學固結方法，以及旋噴注漿處理技術等。無論在軟土地基處理時選擇哪一種技術，均要求以軟土地基處理機理作為前提條件。如在防洪工程中的堤防受到軟土地基影響會發生滑動變形，因此對于滑動變形的控制指標確定十分關鍵，此時就需要在設計過程中以抗滑穩定安全系數為準，開展相應的計算分析并完成具體的軟土處理技術選擇及應用。考慮到每項處理技術的差異化，在實際應用時應該盡可能按照以軟土地基制宜的原則進行合理處理。

3 施工中軟土地基處理技術應用

3.1 工程概況

以某防洪工程安全區圍堤項目為例，工程規模大、涉及到軟土地基問題。通過查閱讀歷史資料、進行現場勘察，發現新建堤防堤線范圍存在淤泥地質土。埋深約在0～3m范圍，最厚可達12m，最淺是5m，發生結構不均勻沉降、滑動變形的可能性較大，考慮到同一地區曾發生過滑坡塌陷案例，因此需要對淤泥軟土地基做進一步處理。該工程項目中軟土地基所在堤段的總長度為5.69km，分為四個堤段：①2+350+070堤段；②5+730～7+250堤段；③7+250-9+000堤段；④10+695—12+394堤段[3]。

3.2 土層物理性質指標及相關參數

3.2.1 填土層：以近期素填土為準，在沒有實施固結處理前，較疏松、濕度大、色褐紅。其物理指標γ、c、Φ、fk、Es的具體數值分別為：20.1kN/m3、5kPa、16°、120kPa、4.1MPa。

3.2.2 黏土層：屬于本項目主要土質類型，軟塑狀、濕度較大，其中拌有少量螺絲殼、植物根系，壓縮性高、色褐或褐紅。其物理指標γ、c、Φ、fk、Es的具體數值分別為：13.2kN/m3、9.16kPa、15°、1.58kPa、1.277、48.6%、1.7MPa。

3.2.3 淤泥層：處于流塑狀態、呈現出高壓縮性，色褐紅或褐灰，根據勘察階段的測定數據分析，其中的有機質量含量在局部區段中可以達到30%。其物理指標γ、c、Φ、I1、e、w、fk的具體數值分別為：11.5kN/m3、10.61kPa、17°、1.58kPa、1.127、41.7%、0.7MPa。

3.3 軟土地基處理方案

首先，需要進行方案比選。本項目中的軟土堤基處理措施中包括：①挖除淺層軟土；②難挖除部分鋪墊透水材料進行排水固結處理，其中包括了設置堤腳反壓平臺、打排水井、實施堤坡放緩處理、完成施工加荷速率控制等；③復合地基處理。其中，換填技術、墊層技術相對成熟，容易實現。考慮到排水固結能夠達到分期堆載、增強土體強度，存在不同排水固結方式，本項目根據實際需求選擇了塑料排水板。而在復合地基法方面，需要采用格柵加筋處理，旨在通過增加土體模量后擴散土體應力、傳遞拉應力，進而限制側向滑動。最終確定的方案是在軟土地基較厚土層選擇“塑料排水板+反壓平臺”方案，在較薄土層選擇“土工格柵+反壓平臺”方案，在表層選擇換填方案[4]。

其次，在方案設計中，重點放在對塑料排水板固結、土工格柵、換填計算及設計上。其中，塑料排水板固結計算包括：①極限填土高度計算按照Fellenius公式完成；②地基平均固結云計算采用高木俊介法；③地基抗剪強度增長計算用τft=η（τf0+△τfc）=η（τf0+△σz·Ut·tgΦcu）公式；④施工堆載期堤坡穩定復核按照瑞曲圓弧法操作。土工格柵計算包括：①穩定計算采用Bishop條分法；②錨固長度計算采用Le=TaFs/（2fpaσ?v）公式。換填計算用公式b≥b+2Ztgθ。

第三，在方案設計方面，該項目施工準備時間為期2月、加載施工5月、總工期24月，考慮到后續護坡、堤頂道路等工程，擬定的計算加載施工期為12月。土工格柵橫向鋪設直至到堤內外腳外5m范圍，對于上下層的處理以錯開接縫方式為主，其中的距離在50cm以上、長度控制在30cm以上。為了保障換填土緊密度，設計方案中將軟基層下0.2m作為開挖換填部分，寬度控制在堤腳線外1m范圍，開挖臨時邊坡為1∶2。在防滲復核方面，主要選擇了斷面進行滲流計算，具體采用“堤身標準斷面+反壓平臺+排水砂墊層”方案進行操作，結果顯示堤身無出逸現象。該項目中的沉降量計算以《堤防工程設計規范》中的沉降計算公式為準[5]。

4 結束語

總之，在水利工程規模化、功能化發展趨勢下，需要進一步結合實際需求提高防洪工程生產建設質量。由于軟土地基會給防洪工程造成實質性影響與潛在風險，因此需要對其進行細致分析并結合具體的軟土地基處理技術，研發設計內容完整、流程標準、適用性強的軟土地基處理方案。通過以上初步分析可以看出，軟土地基處理技術種類繁多，在實際應用時，一方面應該注重對不同技術的原理、功能、應用范圍的分析，另一方面則應該以在具體的防洪工程中軟土地基分部項目生產建設產業鏈條，科學開展生產建設與生產管理活動，擴大軟土地基處理技術的應用效用。