市政道路軟土地基處理技術(shù)應(yīng)用研究

中圖分類號(hào) U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）08-0080-03

0 引言

隨著我國(guó)新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速推進(jìn)，市政道路網(wǎng)絡(luò)正經(jīng)歷著前所未有的擴(kuò)張，這使得位于沿海、沿江等軟土分布區(qū)的新建道路也大大增加[12]。這類地區(qū)廣泛發(fā)育的第四紀(jì)海相沉積土具有高含水率（ 4 0 % ～ 8 0 % ）、大孔隙比 （ 1 . 0 ～ 1 . 8 ） 、低滲透系數(shù)""等典型的軟土特征，導(dǎo)致路基沉降問(wèn)題尤為突出[3。軟土地區(qū)市政道路在運(yùn)營(yíng)1年內(nèi)出現(xiàn)明顯不均勻和較大沉降的比例遠(yuǎn)高于以其他土層為地基的道路，由此引發(fā)了路面開(kāi)裂、管涵錯(cuò)位等病害，不僅大幅增加養(yǎng)護(hù)成本，更對(duì)城市交通運(yùn)行安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅 [4.5]。

當(dāng)前，軟土地基處理的方法主要包括物理加固法、化學(xué)改良法及排水固結(jié)法三大類。其中，水泥攪拌樁技術(shù)對(duì)軟土地基的加固效果顯著且施工周期短，在市政道路工程中應(yīng)用占比大，是較為理想的軟土地基處理方法[7]。然而，現(xiàn)有研究多聚焦于施工階段的即時(shí)加固效果，對(duì)施工完成后地基的長(zhǎng)期沉降規(guī)律缺乏認(rèn)知。這使得現(xiàn)有的水泥攪拌樁的施工設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化過(guò)于依賴經(jīng)驗(yàn)公式而缺乏相關(guān)的理論支撐。

該研究以某市開(kāi)發(fā)區(qū)市政道路工程為依托，通過(guò)開(kāi)展為期12個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)正交試驗(yàn)的方法系統(tǒng)探究水泥攪拌樁在不同設(shè)計(jì)參數(shù)（樁長(zhǎng) 6 ～ 1 0 m ，水泥摻量 12 % ～ 1 8 % 、置換率 1 5 % ～ 2 5 % ）下的施工完成后軟土地基的長(zhǎng)期沉降控制效能，并提出了最優(yōu)的水泥攪拌樁施工參數(shù)。試驗(yàn)還采用分布式光纖傳感技術(shù)（BOTDR），實(shí)現(xiàn)路基全斷面應(yīng)變場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，并在此基礎(chǔ)上提出了包含絕對(duì)沉降量、差異沉降率和穩(wěn)定時(shí)間的三級(jí)地基沉降評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。研究成果可為類似軟土地基道路工程的地基處理方案提供參考，同時(shí)對(duì)保障軟土地區(qū)城市基礎(chǔ)設(shè)施長(zhǎng)效運(yùn)營(yíng)具有重要工程價(jià)值。

1" "現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1工程背景

某新建市政道路工程位于某市開(kāi)發(fā)區(qū)濱海沉積區(qū)，選取 段新建市政道路開(kāi)展軟土地基處理的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)研究。區(qū)域工程地質(zhì)勘察報(bào)告與現(xiàn)場(chǎng)鉆孔顯示，場(chǎng)地地層自上而下可分為四個(gè)典型工程地質(zhì)層：① 素填土層：層厚 0 . 8 ～ 1 . 2 m ，呈松散狀，主要由灰黃色黏性土夾碎石、磚屑等建筑垃圾組成，局部可見(jiàn)貝殼碎屑。該層土體結(jié)構(gòu)松散不均，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù) N = 3 ～ 5 ，滲透系數(shù)約 cm/s，屬中壓縮性土，但受施工機(jī)械擾動(dòng)易產(chǎn)生附加沉降。 ② 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層：層厚 8 . 2 ～ 9 . 5 m ，連續(xù)分布于全場(chǎng)地，呈流塑狀，天然含水率達(dá) 5 2 % ～ 6 8 % ，飽和度 5 9 5 % ，液性指數(shù)I L = 1 . 1 2 ～ 1 . 3 5 。室內(nèi)土工試驗(yàn)顯示：該層土體天然密度為 ，孔隙比為 1 . 3 2 ～ 1 . 6 5 ，直剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力 、內(nèi)摩擦角 ，壓縮系數(shù) ，壓縮模量 ，承載力特征值 僅為 。該層土體呈現(xiàn)低滲透性特征，在外荷載作用下易產(chǎn)生顯著固結(jié)沉降與側(cè)向擠出變形，是制約地基穩(wěn)定的關(guān)鍵軟弱層。 ③ 粉砂層：層厚 3 . 5 ～ 4 . 8 m ，以灰褐色中砂為主，含少量云母碎片，顆粒級(jí)配曲線顯示不均勻系數(shù) ，曲率系數(shù) ，屬級(jí)配不良砂。標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù) N = 1 5 ～ 2 2 ，相對(duì)密度 ，滲透系數(shù)為 ，標(biāo)貫修正后承載力特征值 ，可作為水泥攪拌樁的樁端持力層。 ④ 殘積砂質(zhì)黏性土層：該層未揭穿，最大揭露厚度 5 . 3 m ，由燕山期花崗巖風(fēng)化殘積形成，呈硬塑一堅(jiān)硬狀，含石英顆粒及高嶺土團(tuán)塊，具弱膨脹潛勢(shì)，其壓縮模量 ，滲透系數(shù)為 ，可作為深層地基處理的可靠下臥層。故該項(xiàng)目采用水泥攪拌樁方案來(lái)對(duì)軟土地基進(jìn)行處理。

1.2試驗(yàn)方案

基于場(chǎng)地地質(zhì)特征與該市政道路荷載特點(diǎn)，同時(shí)考慮到試驗(yàn)的成本問(wèn)題，最終決定采用正交試驗(yàn)法開(kāi)展研究。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示，試驗(yàn)中固定水泥攪拌樁的樁徑為 0 . 5 m ，考慮的主要變量為：水泥樁攪拌樁長(zhǎng)（ 6 m 8 m 和 1 0 m 、水泥摻量（ 1 2 % . 1 5 % 和 1 8 % 和置換率（ 1 5 % 20 % 和 2 5 % 。

該試驗(yàn)采用先進(jìn)的分布式光纖傳感技術(shù) （BOTDR）進(jìn)行地基變形的監(jiān)測(cè)。分布式光纖傳感技術(shù)（BOTDR），即布里淵光時(shí)域反射技術(shù)是一種基于光纖中布里淵散射效應(yīng)的先進(jìn)監(jiān)測(cè)手段，通過(guò)激光脈沖與光纖材料的相互作用，捕捉布里淵散射光的頻移量，實(shí)現(xiàn)對(duì)沿光纖分布的應(yīng)變變化的精準(zhǔn)測(cè)量。這一技術(shù)因其全分布式、高精度、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特性，在地基沉降變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。相較于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段（如沉降板等），該技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）全空間連續(xù)監(jiān)測(cè)能力。傳統(tǒng)方法依賴離散點(diǎn)位的間斷測(cè)量，難以捕捉大范圍地基的不均勻沉降特征，局部沉降突變易被遺漏。而B(niǎo)OTDR通過(guò)單根光纖即可實(shí)現(xiàn)沿線每米級(jí)空間分辨率的連續(xù)覆蓋，能夠精準(zhǔn)定位沉降突變區(qū)，得到監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)土體的全場(chǎng)三維應(yīng)變；（2）高精度與抗干擾性。地基沉降常伴隨微小變形的長(zhǎng)期累積，傳統(tǒng)電子傳感器（如沉降計(jì)）易受濕度、電磁干擾或機(jī)械老化影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，而B(niǎo)OTDR的應(yīng)變測(cè)量精度可達(dá) ± 1 0 微應(yīng)變（對(duì)應(yīng)沉降分辨率約 ），且光纖本身由石英材料構(gòu)成，耐腐蝕、抗電磁干擾，在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境（如地下水位波動(dòng)區(qū)、強(qiáng)電磁場(chǎng)附近）中仍能穩(wěn)定工作；（3）長(zhǎng)周期監(jiān)測(cè)經(jīng)濟(jì)性。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)耗時(shí)費(fèi)力、周期長(zhǎng)，而B(niǎo)OTDR系統(tǒng)則可實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)數(shù)據(jù)采集，結(jié)合自動(dòng)化分析平臺(tái)，實(shí)時(shí)反饋沉降趨勢(shì)。此外，單根光纖可替代數(shù)百個(gè)傳統(tǒng)傳感器，大幅降低長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的硬件成本和維護(hù)成本，特別適用于高速公路路基、機(jī)場(chǎng)跑道、填海造陸等大尺度工程的全運(yùn)營(yíng)周期沉降監(jiān)測(cè)。

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)選用耐腐蝕單模分布式傳感光纖，在路基橫斷面內(nèi)分層布設(shè)三條測(cè)線：（1）上層光纖埋設(shè)于路床底部以下 0 . 5 m ，用于監(jiān)測(cè)填土荷載作用下的淺層變形；（2）中層光纖布設(shè)在軟土層中部（深度 4 m ），反映樁土復(fù)合地基核心區(qū)變形特征；（3）下層光纖置于深度 9 m 的位置，捕捉下臥層壓縮變形。數(shù)據(jù)采集采用N7360型BOTDR分析儀，通過(guò)光纜熔接實(shí)現(xiàn)三通道同步采集，設(shè)定空間分辨率 1 m 、時(shí)間分辨率1h，連續(xù)運(yùn)行12個(gè)月累計(jì)獲得10512組應(yīng)變數(shù)據(jù)。基于分層總和法建立應(yīng)變-沉降換算模型，將光纖應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為實(shí)際沉降量，其轉(zhuǎn)化公式為：

式中， S —累計(jì)沉降量（mm）； —各土層應(yīng)變； —各土層厚度（m）； a —應(yīng)變折減系數(shù)，根據(jù)工程實(shí)際取值 0 . 9 0 。

1.3 沉降評(píng)價(jià)體系

針對(duì)市政道路運(yùn)營(yíng)安全要求，該研究建立了包含絕對(duì)沉降量、差異沉降率和沉降穩(wěn)定時(shí)間的三級(jí)地基沉降評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。絕對(duì)沉降量以運(yùn)營(yíng)12個(gè)月后的監(jiān)測(cè)值為基準(zhǔn)，分級(jí)控制標(biāo)準(zhǔn)為 lt; 1 0 m m （優(yōu)良）、 1 0 ～ 1 5 m m （合格）、gt; 1 5 m m （不合格）；差異沉降率通過(guò)計(jì)算運(yùn)營(yíng)12個(gè)月后斷面左右幅沉降差 （ Δ S ） 與路面寬度 （ B ） 的比值（△S/B）進(jìn)行評(píng)估，控制閾值為 lt; 0 . 1 5 % （合格）、 0 . 1 5 % ～ 0 . 2 5 % （局部維修）、 gt; 0 . 2 5 % （結(jié)構(gòu)返工）；穩(wěn)定時(shí)間判定以日沉降速率連續(xù)30d小于 為基準(zhǔn)，記錄沉降達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的累計(jì)時(shí)間。數(shù)據(jù)采集周期根據(jù)運(yùn)營(yíng)階段動(dòng)態(tài)調(diào)整：初期（ 0 ～ 3 月）每周采集1次，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地基的快速沉降階段；中期（ 4 ～ 6 月）每半月1次，監(jiān)測(cè)荷載反復(fù)作用下的變形響應(yīng)；后期（ 7 ～ 1 2 月）每月1次，評(píng)估長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 絕對(duì)沉降量分析

表2為絕對(duì)沉降量的監(jiān)測(cè)結(jié)果。從中可以看到，不同參數(shù)組合對(duì)工后沉降量的控制效果存在顯著差異。樁長(zhǎng)從 6 m 增至 1 0 m 時(shí)，12個(gè)月累計(jì)沉降量由 1 3 . 5 m m 降至 ，降幅達(dá) 6 8 . 9 % 。當(dāng)樁長(zhǎng)固定為 8 m 時(shí)，水泥摻量從 12 % 提升至 1 8 % 時(shí)，沉降量從 7 . 2 m m 降至 ，降幅僅為 6 . 9 % ，表明深部樁長(zhǎng)對(duì)沉降的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于摻量提升。置換率的影響同樣具有閾值效應(yīng)：置換率從 1 5 % 增至 20 % 時(shí)，沉降量減少 1 . 6 m m ，降幅達(dá)到23 . 9 % ，但繼續(xù)增至 2 5 % ，僅沉降量?jī)H減少 0 . 6 m m 。

2.2 差異沉降率分析

表3為差異沉降率的計(jì)算結(jié)果。從中可以看到，橫向不均勻沉降與樁長(zhǎng)、置換率密切相關(guān)。樁長(zhǎng) 6 m 的試驗(yàn)組差異沉降率均超過(guò) 0 . 1 5 % ，當(dāng)置換率為 1 5 % 時(shí)，差異沉降率達(dá) 0 . 2 1 % ，需局部維修；而樁長(zhǎng) ？ 8 m 的試驗(yàn)組差異沉降率均低于 0 . 1 5 % 。此外，置換率的提升可顯著改善差異沉降，而水泥摻量對(duì)差異沉降的改善效果有限。

2.3 沉降穩(wěn)定時(shí)間分析

表4為沉降穩(wěn)定時(shí)間的分析結(jié)果。穩(wěn)定時(shí)間分析表明，樁長(zhǎng)與置換率是縮短工后沉降穩(wěn)定周期的關(guān)鍵參數(shù)。樁長(zhǎng) 6 m 的試驗(yàn)組穩(wěn)定時(shí)間普遍超過(guò) 1 8 0 d ，而樁長(zhǎng) 8 m 組穩(wěn)定時(shí)間縮短至 1 5 0 ～ 1 7 0 d ，樁長(zhǎng) 1 0 m 組進(jìn)一步縮短至 1 3 0 ～ 1 4 5 d 。置換率提升則可加速固結(jié)進(jìn)，置換率從1 5 % ～ 2 0 % ，穩(wěn)定時(shí)間從138d縮短至130d（G8和G9對(duì)比）。相比之下，摻量增加對(duì)穩(wěn)定時(shí)間的改善效果較弱。

2.4最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)分析

表5為正交試驗(yàn)的極差分析結(jié)果。極差分析表明樁長(zhǎng)對(duì)絕對(duì)沉降量（極差 4 . 9 m m 、差異沉降率（極差 0 . 0 7 % 0和穩(wěn)定時(shí)間（極差72d）均具有決定性影響，對(duì)三者均為第一位的控制因素。置換率的影響表現(xiàn)為次主導(dǎo)地位，其在差異沉降率（極差 0 . 0 5 % ）和穩(wěn)定時(shí)間（極差31d）控制中的影響程度高于水泥摻量，表明密樁布置可有效協(xié)調(diào)樁土協(xié)同變形；而水泥摻量?jī)H在絕對(duì)沉降量（極差2 . 5 m m ）中體現(xiàn)較顯著作用，對(duì)差異沉降和穩(wěn)定時(shí)間的改善效果極小（極差 ？ 0 . 0 2 % 和28d）。

基于多指標(biāo)協(xié)同優(yōu)化原則，該研究最終確定樁長(zhǎng) 8 m+ 水泥摻量 1 5 % + 置換率 20 % 為最優(yōu)參數(shù)組合，經(jīng)實(shí)測(cè)該組合的性能完全滿足市政道路運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn)且工程成本可控，可為濱海軟土區(qū)地基處理提供可靠的低成本優(yōu)化方案。

3結(jié)語(yǔ)

該研究通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與正交極差分析，系統(tǒng)揭示了水泥攪拌樁設(shè)置參數(shù)對(duì)軟土地基長(zhǎng)期沉降的控制規(guī)律。結(jié)果表明：樁長(zhǎng)是影響沉降的主控因素，置換率對(duì)差異沉降率（極差 0 . 0 5 % ）及穩(wěn)定時(shí)間（極差31d）的調(diào)控作用次之，而水泥摻量?jī)H對(duì)短期固結(jié)強(qiáng)度提升有效，對(duì)長(zhǎng)期沉降控制貢獻(xiàn)有限。最終推薦“樁長(zhǎng) 8 m+ 水泥摻量1 5 % + 置換率 2 0 % 為最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)組合。研究成果為濱海軟土區(qū)市政道路地基處理提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)優(yōu)化工程設(shè)計(jì)、延長(zhǎng)道路服役壽命具有重要實(shí)踐價(jià)值。

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