孫志遠(yuǎn)

（中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán)有限公司，河北石家莊 050000）

0 引言

我國幅員遼闊，特殊地質(zhì)如軟土、膨脹土、濕陷性黃土、鹽漬土、巖溶等分布廣泛，是工程設(shè)計(jì)、施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，關(guān)系著路基的穩(wěn)定性和承載能力，影響著行車舒適度和行車安全性。本文著重討論軟基處理設(shè)計(jì)思路及目前應(yīng)用較廣的混凝土攪拌樁的相關(guān)計(jì)算問題。

1 軟土地基的主要特性及危害

主要特性有：（1）高孔隙比和觸變性。軟土是土顆粒緩慢沉淀并膠結(jié)形成的絮凝狀沉積物，其孔隙比同一垂直壓力下重塑土高20%～40%。一旦施工擾動(dòng)，積木狀土顆粒潰散、強(qiáng)度迅速降低呈現(xiàn)出流體狀態(tài)，導(dǎo)致上覆物側(cè)向滑動(dòng)、沉降，此特性稱為觸變性。（2）承載力低。其壓縮曲線前半段較平緩，當(dāng)壓力超過限值時(shí)，壓力曲線陡降，之后接近重塑土的線型，陡降階段為土顆粒重新分布、膠結(jié)破壞的階段，承載力極低，此階段是軟土與重塑土的重要區(qū)別。（3）不均勻性。在靜水或緩慢流水環(huán)境中有機(jī)質(zhì)沉積并經(jīng)過生物化學(xué)作用，除有機(jī)質(zhì)外還夾雜粉細(xì)砂晶體，導(dǎo)致不均勻性。

危害：軟基壓縮性高、強(qiáng)度低、透水性差、沉降速度快。在軟土地區(qū)修筑路基，會(huì)造成路基沉降不均勻，形成局部坍塌、開裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)整體滑移，滑弧切入地基軟弱土層中。施工時(shí)發(fā)生路堤開裂、滑塌，將影響工程質(zhì)量和施工安全；運(yùn)營期長期不斷地出現(xiàn)路堤下沉，輕者降低舒適性，重者造成交通事故及人員傷亡。

2 軟土地基處理技術(shù)

積極響應(yīng)國家技術(shù)創(chuàng)新的政策，現(xiàn)代工程技術(shù)發(fā)展日新月異，新的加固技術(shù)、新型材料不斷研發(fā)，使得軟土地基處理的質(zhì)量和效率大幅提高。針對(duì)不同的施工情況要運(yùn)用不同的加固技術(shù)，淺層軟基處理以排水固結(jié)、清淤及強(qiáng)夯與強(qiáng)夯置換為主，深層軟基通常采用粒料樁、加固土樁、水泥粉煤灰碎石樁（CFG）、剛性樁復(fù)合地基等處理措施。

3 軟基設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算穩(wěn)定性

堅(jiān)持預(yù)防為主在工程設(shè)計(jì)中尤為重要，通過計(jì)算并采取加強(qiáng)措施可大幅減少施工或運(yùn)營中發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率。地基穩(wěn)定的影響因素是多方面的，主要有地基土性質(zhì)、地層分層情況、填土高度、加荷速度、橫向坡度等?！豆仿坊O(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）中的穩(wěn)定驗(yàn)算方法主要以瑞典圓弧滑動(dòng)法為主，其中包括有效固結(jié)應(yīng)力法、改進(jìn)總強(qiáng)度法、簡(jiǎn)化Bisshop 法和Janbu法，有效固結(jié)應(yīng)力法最為常用。

3.2 計(jì)算臨界高度

臨界高度為車荷載加路堤荷載計(jì)算得出的設(shè)計(jì)臨界高度。跟軟土性質(zhì)和分層情況，表層硬殼厚度，填料重度等有關(guān)。分均質(zhì)厚層軟土地基、均質(zhì)薄層軟土地基、非均質(zhì)軟土地基三種情況。

3.3 沉降計(jì)算

在附加應(yīng)力作用下，飽和孔隙水來不及排出，此時(shí)土體只發(fā)生彈性變形但沒有質(zhì)變，持續(xù)加載孔隙水排出發(fā)生的形變稱為主固結(jié)變形；超靜孔隙水完全消散，由土骨架的蠕動(dòng)重新排列之后發(fā)生的變形稱為次固結(jié)變形。最終沉降值取決于附加應(yīng)力和基礎(chǔ)承載力。假設(shè)軟土各分層為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的彈性體，計(jì)算部位為基底形心且完全側(cè)限。

4 軟土地基加固處理技術(shù)

軟土地基處理分主動(dòng)和被動(dòng)處理。主動(dòng)處理措施有排水固結(jié)、改良軟土結(jié)構(gòu)，被動(dòng)處理則是改變路堤的形式。

4.1 排水固結(jié)

其固結(jié)時(shí)間與土層厚度成反比，與排水距離成正比。排水固結(jié)是在軟弱土地基中做垂直孔，插入排水材料，根據(jù)毛細(xì)水原理將深層水引至孔口，在孔口設(shè)置砂墊層疏水，以加速土體固結(jié)。此種方式在處理淺層軟基時(shí)應(yīng)用極為廣泛，較為常用的工藝為排水砂井、袋裝砂井、塑料排水板。

（1）排水砂井可減小縱橫向排水距離，實(shí)現(xiàn)快速固結(jié)。砂井制作較為簡(jiǎn)單，用打樁機(jī)擊入鋼管并用螺旋鉆成孔，孔中填中粗砂，頂面設(shè)不小于15cm 砂墊層以形成排水體系，孔徑不宜過小，防止沉降過程中被剪切側(cè)移導(dǎo)致排水通道失效。

（2）袋裝砂井作用機(jī)理同排水砂井，主要區(qū)別是將中粗砂裝入透水性良好的編織袋再填入孔中。該砂井比排水砂井直徑小，成孔時(shí)對(duì)原基礎(chǔ)擾動(dòng)小，袋裝砂井抗剪能力明顯優(yōu)于排水砂井，粗砂用量少。目前，袋裝砂井比排水砂井使用更為普遍。

（3）塑料排水板。塑料排水板是將扁口帶狀柔性塑料板通過插板機(jī)打入軟基覆蓋層之下，排水板表面有反濾小孔，軟土中的水通過小孔滲入塑料板，順著排水板溢出至地表砂墊層，達(dá)到排水固結(jié)的目的。

4.2 改變路堤形式

（1）設(shè)置反壓護(hù)道。作用機(jī)理是通過在路基兩側(cè)填筑護(hù)道作為壓腳，重力使路堤下軟基側(cè)向隆起的趨勢(shì)得以平衡。其施工簡(jiǎn)便，不需要特殊的填筑材料，但占地較大，適用于非耕種區(qū)。反壓高度一般不大于路基高度的1/2，超過時(shí)應(yīng)設(shè)置多級(jí)護(hù)道，護(hù)道寬度應(yīng)大于圓弧滑面的寬度。

（2）鋪設(shè)一層或多層土工格室、土工格柵等聚酯類高分子土工材料。因其抗腐蝕、耐酸堿、抗拉強(qiáng)度高，使用壽命長。主要作用是有效地分配載荷，提高路基的穩(wěn)定性和承載力?？捎行фi住路基材料，防止路面塌陷或產(chǎn)生裂紋，保持地面美觀整齊。

（3）還可在路堤坡腳砌石，設(shè)板樁、混凝土樁等限制軟基側(cè)向位移。

4.3 改良軟土結(jié)構(gòu)

（1）淺層置換

將淺層軟基或不良土挖去，以透水性好、強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定的碎石、砂、卵石、灰土等材料回填壓實(shí)，使其達(dá)到規(guī)范要求的密實(shí)度。

（2）拋石擠淤

利用拋石或其他材料的外力和自重，使硬殼層破壞后下層的流塑狀軟土被強(qiáng)行擠出，實(shí)現(xiàn)置換的目的。適用淤泥層較淺的地基。

（3）群樁改良

其原理是利用抗水性材料制成樁，與原地基構(gòu)成復(fù)合地基，增強(qiáng)其承載力。處置措施有擠密砂樁、碎石樁、生石灰樁、粉噴樁等。擠密砂樁直徑在30～200cm，有條件時(shí)，宜選用較大直徑。平面應(yīng)布置為梅花形或三角形，設(shè)置砂墊層，縱向上樁長應(yīng)大于軟硬結(jié)合面的深度。其原理是在外荷作用時(shí)，應(yīng)力在砂樁集中，軟弱土承受的荷載相對(duì)較小，沉降量也得到了控制，而且砂樁易于排水，加快了固結(jié)沉降速度，提高了承載力和穩(wěn)定性。碎石樁同砂樁，材料粒徑更大，由碎石填充，其剛度大于原狀土，約60%～80%應(yīng)力由碎石樁承擔(dān)，碎石樁擠壓周圍土體，且自身發(fā)生徑向變形。若黏土強(qiáng)度太低，樁得不到徑向支撐就達(dá)不到加固的目的，根據(jù)相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，抗剪強(qiáng)度大于20kPa時(shí)才考慮使用碎石樁。石灰樁是在軟土孔眼中填入生石灰，孔徑約20～40cm，平面布置為三角形或四邊形，待生石灰遇水后，體積增大，擠密周圍土體，并在膠凝作用下提高了孔周邊土體強(qiáng)度。粉噴樁是將水泥或生石灰粉利用壓縮空氣噴入土中，攪拌直至土與粉料膠凝形成柱體，其比石灰樁強(qiáng)度更大，水穩(wěn)性更好。

4.4 混凝土攪拌樁

隨著工程技術(shù)的發(fā)展，混凝土以高強(qiáng)、耐腐等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。在軟土地基處置方面，混凝土攪拌樁優(yōu)勢(shì)越來越明顯，應(yīng)用也更加普遍，其有早期強(qiáng)度低易灌注，后期強(qiáng)度增長快，耐酸、抗水性好等特點(diǎn)。以下通過工程實(shí)例對(duì)混凝土攪拌樁的設(shè)計(jì)及施工方法進(jìn)行深入分析與介紹。

項(xiàng)目概況：宜賓至彝良高速公路（四川境）是《四川省高速公路路網(wǎng)布局規(guī)劃》（2011年調(diào)整方案）規(guī)劃中新增的8條南北縱線之一。項(xiàng)目向南連接云南省昭通市，并通過昭通、昆明連接云南省其他地區(qū)，是通往滇中、東盟的高速公路通道。項(xiàng)目沿線聯(lián)通宜賓市翠屏區(qū)、高縣、筠連縣，增強(qiáng)了宜賓市對(duì)南部區(qū)域的輻射帶動(dòng)作用。

不良地質(zhì)為：滑坡、崩塌及危巖體、巖溶、煤礦釆空、有毒有害氣體，特殊性巖土主要為軟土。

宜賓至彝良高速公路外業(yè)調(diào)查是2015 年11 月—2018年1月，正值旱季，雨水少，樁號(hào)K44+800工點(diǎn)位于田家村水庫紅線之外，施工圖設(shè)計(jì)外業(yè)調(diào)查時(shí)亦無積水，收集水庫資料顯示與路堤并無影響。發(fā)現(xiàn)問題時(shí)為2020 年雨季施工階段，水位上漲浸沒了堤腳，致填筑路堤開裂，坡腳滑塌。經(jīng)調(diào)查，田家村水庫在2017 年將壩頂筑高，致使水庫蓄水水位超過路堤坡腳標(biāo)高，地基長時(shí)間浸泡，軟弱地基無任何加強(qiáng)措施，導(dǎo)致高路堤在重力和施工附加荷載作用下失穩(wěn)。圖1為K44+800工點(diǎn)軟基處理現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖1 K44+800工點(diǎn)軟基處理現(xiàn)場(chǎng)照片

處治措施：因路基處于田家村水庫庫尾，淹沒高度約0.5m，考慮筑島的方式設(shè)置施工平臺(tái)。從路堤頂分層開挖清除滑坡體，層厚約0.5m，同時(shí)設(shè)置臺(tái)階，臺(tái)階寬約2m，直至開挖至原基底。因混凝土攪拌樁適用于加固飽和軟弱土地基，使軟土凝結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和高強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)地基，其加固效果顯著。該工點(diǎn)基底擬采用混凝土攪拌樁加固。

混凝土攪拌樁提高地基承載力計(jì)算：

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，天然地基承載力Rp為65kPa，要求復(fù)合地基承載力大于150kPa。原地面至下臥層軟弱層厚約7.2m，設(shè)計(jì)樁長按L=10m 計(jì)算，攪拌樁徑D取0.6m。容許側(cè)摩阻力f=7.6kPa。

水泥攪拌樁單樁容許承載力Rp1計(jì)算見式（1）

由樁身強(qiáng)度所提供的承載力Rp2計(jì)算見式（2）：

式（2）中：q為抗壓強(qiáng)度，試塊材料配合比同樁身混凝土，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（kPa）；η為試塊的折減系數(shù)，η取0.40；Ap為樁截面積，計(jì)算公式見式（3）

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室混凝土試驗(yàn)結(jié)果，水泥含量14%時(shí)90d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1 500kPa，計(jì)算得式（4）：

因Rp1≤Rp2，取最小值，則水泥攪拌樁單樁容許承載力見公式（5）：

由水泥攪拌樁加固后復(fù)合地基承載力Rsp，求置換率及攪拌樁間距見公式（6）：

式（6）中：Rsp為復(fù)核地基承載力（kPa）；Rs為天然地基承載力（kPa）；m為樁的置換率；δ為樁間承載力折減系數(shù)，樁端為軟土?xí)r可取0.5～1.0，樁端為硬土?xí)r可取0.1～0.4，本工點(diǎn)δ= 0.5。

將Rsp、Rs代 入 式（6）( 1-m)× 65，得出置換率m= 0.248。

根據(jù)公式（7）：

得出S= 1.147m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，該工點(diǎn)采用樁長L=10m，則樁間距小于1.147m時(shí)，方可保證復(fù)合地基承載力不小于150kN。

水泥攪拌樁實(shí)施方案：施工機(jī)械分為單軸攪拌樁、雙軸攪拌樁和三軸攪拌樁；按材料噴射狀態(tài)分為濕法和干法兩種。濕法以水泥漿為主，攪拌均勻，易于復(fù)攪，硬化時(shí)間長；干法以水泥干粉為主，因不含水分，混凝土硬化時(shí)間較短，強(qiáng)度提升快，但均勻性欠佳，難以復(fù)攪。本工點(diǎn)采用濕法攪拌，施工前先測(cè)量放線，樁平面布置成正方形或三角形，樁徑采用0.6m，間距1.1m。該處采用的施工設(shè)備有雙軸打樁鉆機(jī)，集料斗，灰漿攪拌機(jī)和灰漿泵。設(shè)備調(diào)試合格后，首次開動(dòng)鉆機(jī)使攪拌軸攪拌至軟土下臥硬土層，再將水灰比為0.55的灰漿經(jīng)攪拌泵加壓從攪拌軸端噴出，鉆進(jìn)速度約0.8m/min，距離地面0.5m 時(shí)停止提升連續(xù)噴漿30s，每孔復(fù)攪2 次。3d 后抽1%樁體進(jìn)行輕型觸探檢測(cè)，28d后進(jìn)行單樁及復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)合格，然后用中粗砂或集配砂石墊層滿鋪整個(gè)處理范圍，既利于排水又能保證結(jié)構(gòu)層的沉降均勻。

分層回填并在臺(tái)階上鋪設(shè)土工格柵，利用格柵表面與土的摩擦作用、格柵孔對(duì)土的鎖定作用及格柵肋的被動(dòng)抗阻作用，幾種作用均能鎖住土顆粒，大幅提高土體穩(wěn)定性。

漿砌護(hù)坡：該工點(diǎn)由于壩頂筑高，雨季水位會(huì)超過路堤坡腳，因此不能做拱形格網(wǎng)植草護(hù)坡，應(yīng)采用漿砌片石護(hù)坡，并設(shè)置護(hù)腳墻，以起到更好的封閉作用，防止水的侵入而浸泡路基。

5 結(jié)語

軟基作為特殊路基的一種，地域分布較廣，如果處理不好后果極為嚴(yán)重。在各種工程事故中，往往地基問題是最主要的原因。路基處理得當(dāng)，不僅能使行車舒適，還能提高公路使用的安全性。因此，要不斷研究軟土路基處理技術(shù)，從而提高路基施工質(zhì)量。