雷芳芳

（廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

軟土地基在我國(guó)分布廣泛，主要分布于江、河、海水系周邊，在濱海地區(qū)和水系發(fā)達(dá)的長(zhǎng)江中下游平原地區(qū)更為常見(jiàn)。軟土顆粒粒徑小，外觀呈灰色，天然孔隙比大于或等于1.0，天然含水量大于液限。它具有天然孔隙比大、高的特點(diǎn)壓縮性差，透水性差，土層層狀分布復(fù)雜，作為工程材料其抗剪強(qiáng)度較低，在市政路橋建設(shè)項(xiàng)目中難以直接被作為路基填料。因此，往往需要對(duì)軟土進(jìn)行物理或化學(xué)改性，從而提高軟土強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)施工要求。

對(duì)于軟土地基而言，由于土壤的高壓縮性和低滲透性，沉降會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間并積累到相當(dāng)大的規(guī)模。因此，地基加固方法對(duì)控制路基的工后沉降起著重要的作用。

1 軟土地基常見(jiàn)處理方法

在工程建設(shè)中，傳統(tǒng)的軟土地基加固方法可以被分為置換法、加筋法、膠結(jié)法和加密法四大類。其中置換法是將砂或者碎石摻入軟土地基中的軟弱土層，用砂或碎石在土層中形成粗骨架結(jié)構(gòu)，軟土作為細(xì)料填充骨架結(jié)構(gòu)使土層形成整體的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，從而提高整體強(qiáng)度。加筋法則是在土層埋設(shè)一定的結(jié)構(gòu)部件（如土工聚合物、拉筋、受力桿件等）從而提高整體土層的穩(wěn)定度，減小沉降。膠結(jié)法的主要是通過(guò)水泥或者石灰改良，由于水泥在遇水后會(huì)產(chǎn)生一系列水硬性產(chǎn)物，如水化CaSiO3和水化Ca3Al2O6等，這些水化產(chǎn)物填充土體結(jié)構(gòu)的孔隙，并進(jìn)一步強(qiáng)化土顆粒之間的粘結(jié)作用，從而提高了土體自身的強(qiáng)度和抗水損害的能力。加密法在工程中的應(yīng)用主要為強(qiáng)夯法，通過(guò)將10～40t 的重錘，以6～40m 的落錘距離下落給地基以沖擊力和振動(dòng)，從而密實(shí)土層，使軟土的壓縮性降低，承載力提高。

2 軟土地基處理新方法

淺層軟土的地基改造技術(shù)包括清除和置換軟弱土、使用石柱、脫水技術(shù)、使用砂壓實(shí)樁、砂排水管或預(yù)制垂直排水管等。這些方法是根據(jù)所遇到的土壤類型、地下水位位置和場(chǎng)地中提出的結(jié)構(gòu)類型選擇的。最近在一些研究表明微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀（MICP）等新方法表明，某些微生物可以改變土壤的力學(xué)性質(zhì)。這主要適用于砂粒，因?yàn)樯傲５臐B透性非常高，粒度也很大。但在軟粘土中的實(shí)驗(yàn)表明，這一技術(shù)也可以用于軟粘土中作為黏合劑。在這種方法中，微生物被用來(lái)增加土壤顆粒之間的粘結(jié)，從而增加剪切強(qiáng)度，降低壓縮性。

2.1 微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（Microbially induced calcium carbonate precipitation, MICP）是自然界中廣泛存在的一種生物礦化過(guò)程，而巴氏芽孢桿菌產(chǎn)生的尿素水解是最常見(jiàn)的礦化過(guò)程之一。巴氏芽孢桿菌可以利用環(huán)境中的尿素作為氮源，水解尿素產(chǎn)生大量自身代謝產(chǎn)生的活性較高的脲酶。氨（NH3）溶解到水中，產(chǎn)生銨離子（NH4+）和氫氧根離子（OH-），從而使局部pH 升高，形成堿性環(huán)境，導(dǎo)致鈣離子（Ca2+）和碳酸鹽離子（）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終形成碳酸鈣沉淀。

具體反應(yīng)過(guò)程如下：首先，巴氏芽孢桿菌在自身的代謝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生脲酶，在脲酶的催化作用下，尿素會(huì)加速水解形成氨和氨基甲酸鹽（NH2COOH），反應(yīng)過(guò)程如式（1）所示。

由于甲基氨酸鹽及其容易水解，因此在溶液中會(huì)發(fā)生自發(fā)水解，生成碳酸與氨。由于氨極易溶于水，在溶于水后會(huì)電離出銨根離子和氫氧根離子，同時(shí)由于碳酸分子在環(huán)境中發(fā)生解離，形成氫離子和碳酸根離子，結(jié)合這兩種反應(yīng)，整體pH 呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，溶液呈堿性，其過(guò)程如式（2）～式（4）所示。

最后，膠結(jié)液中摻入的可溶解性鈣鹽或土中游離的金屬離子（Ca2+、Mg2+等）與尿素水解產(chǎn)生的碳酸根離子（）產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸鹽沉淀。相應(yīng)的反應(yīng)過(guò)程，如式（5）所示。

在這些生化反應(yīng)過(guò)程中，巴氏芽孢桿菌主要有以下兩個(gè)作用：①細(xì)菌。表面帶有大量負(fù)電荷，可吸附環(huán)境當(dāng)中游離的金屬離子，并為碳酸鹽的沉積結(jié)晶提供晶核，以利于其生成碳酸鹽沉淀。②細(xì)菌分泌的脲酶有較高的活性，可催化細(xì)菌內(nèi)部尿素水解，提高細(xì)菌周圍環(huán)境中的碳酸根濃度和溶液的pH 值，對(duì)細(xì)菌所需的堿性溶液環(huán)境進(jìn)行良性調(diào)節(jié)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在MICP 方法的工程應(yīng)用方面，展開(kāi)了大量的研究。近幾十年來(lái)，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀方法，被廣泛用于治理重金屬污染、修補(bǔ)裂縫、防滲、固砂和軟土改良等領(lǐng)域，并取得了很好的效果。蟻曼冰[1]開(kāi)展了MICP 技術(shù)加固軟土性能的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明軟土在經(jīng)過(guò)MICP 技術(shù)處理后，其抗剪強(qiáng)度提高1.15～4.86 倍。同時(shí)，其壓縮性隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增多，降低愈發(fā)明顯，并且即使采用低濃度（0.3%）的菌液濃度對(duì)軟土進(jìn)行加固，其壓縮特性也低于泥漿固結(jié)重塑軟土。

2.2 膠體二氧化硅處置法

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，許多研究人員提出將納米材料引入地基處理，以改善土層的力學(xué)性能并降低液化風(fēng)險(xiǎn)。用于土壤處理的最便宜和最廣泛的是膠體二氧化硅（膠體二氧化硅）。膠體二氧化硅是一種功能強(qiáng)大的材料，膠體二氧化硅被用來(lái)穩(wěn)定地面，通過(guò)注入土壤來(lái)減緩液化。膠體二氧化硅是二氧化硅顆粒在液相中的懸浮體，它們能夠形成氫鍵。通過(guò)調(diào)節(jié)溶液的pH濃度，可將二氧化硅顆粒轉(zhuǎn)化為凝膠。膠體二氧化硅在被誘導(dǎo)進(jìn)入土壤時(shí)起吸水作用，因此防止土壤液化。也可用作高溫粘結(jié)劑。這是一種非常經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)，因?yàn)槟z體二氧化硅具有低粘度和無(wú)毒的特性，因此它不會(huì)污染地下水資源。

采用膠體二氧化硅處置軟土，需要在結(jié)構(gòu)主體的兩側(cè)構(gòu)造注入井和排出井，借助于地下水流和水力梯度，從地下水的上游方向注入膠體二氧化硅。膠體二氧化硅沿著地下水流方向流動(dòng)，分布在地下土層中。從而對(duì)土顆粒形成了膠結(jié)和保護(hù)作用，同時(shí)，排出井的抽水會(huì)降低土層的含水率，形成排水固結(jié)效應(yīng)。土層整體的承載能力得到提高，沉降量降低（圖1）。

圖1 膠體二氧化硅處置軟土結(jié)構(gòu)

Zhao 和Wong[2-3]等人均對(duì)膠體二氧化硅處置土開(kāi)展了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，在較低的應(yīng)力值（100kPa）下，膠體二氧化硅的存在減小了體積變形，增加了剛度。這是因?yàn)槟z體二氧化硅灌漿粘土保持著土和膠體二氧化硅的不同子區(qū)域，這些子區(qū)域爭(zhēng)奪孔隙水，導(dǎo)致材料更加致密和堅(jiān)硬。這種水分含量的差異隨著壓縮量的增加而減小，水被排出。

膠體二氧化硅的存在增加了峰值和極限抗剪強(qiáng)度，但不影響排水黏聚力。這可能是因?yàn)槟z體二氧化硅的子區(qū)域阻礙了剪切面的形成，從而增加了峰值剪切應(yīng)力，并且二氧化硅對(duì)二氧化硅接觸比土顆粒之間的接觸具有更高的摩擦阻力，從而增加了極限剪切強(qiáng)度（圖2）。

圖2 膠體二氧化硅混合土顆粒

2.3 化學(xué)電滲法

軟土地基處理的化學(xué)電滲法是在傳統(tǒng)電滲法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。它的主要工作原理是在陰極和陽(yáng)極電極附近分別注入化學(xué)溶液。在直流電場(chǎng)作用下，化學(xué)溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生相應(yīng)的沉淀物來(lái)加固土體，從而提高土體的強(qiáng)度，加快土體的固結(jié)速率。Ou[4]等人開(kāi)展了一系列的化學(xué)溶液濃度、適宜土壤類型和處理效果的室內(nèi)試驗(yàn)，并豐富和完善了相應(yīng)的施工技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究和應(yīng)用仍處于起步階段。

3 軟土地基處理綜合處理方式

3.1 軟土地基處理材料

材料方面的發(fā)展主要體現(xiàn)在土工合成材料和灌漿材料方面。土工材料主要體現(xiàn)在土工合成針刺土工布、非織造土工布、PVC、EP、EVA 等新型土工膜、粘土襯墊（GCL）、塑料排水板等。注漿材料主要體現(xiàn)在超細(xì)、干磨、濕磨水泥、穩(wěn)定漿體、膏體漿體等無(wú)機(jī)注漿材料的研究上。丙烯酸酯、酸性水玻璃、環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯等已發(fā)展成為有機(jī)灌漿材料[5]。

3.2 復(fù)合負(fù)壓固結(jié)技術(shù)

在工程中面對(duì)含水量大、滲透能力差、零承載力的軟土體時(shí)，常規(guī)的地基處理方法無(wú)法進(jìn)行，地基處理面臨諸多困難。針對(duì)這一問(wèn)題，許多學(xué)者提出了復(fù)合負(fù)壓固結(jié)技術(shù)。該工藝包括改良真空預(yù)壓、電滲透脫水和動(dòng)態(tài)固結(jié)三道工序。改良真空預(yù)壓可使基礎(chǔ)初步固結(jié)并具有一定強(qiáng)度，為后續(xù)工作做好準(zhǔn)備。

電滲脫水可以有效降低夯筑前的地下水位和土壤含水量，促進(jìn)夯筑后超孔隙水壓力的消散。

采用電滲脫水和動(dòng)力固結(jié)多次耦合的方法對(duì)挖泥船填筑地基進(jìn)行加固。研究結(jié)果表明：將改良真空預(yù)壓法應(yīng)用于挖泥船填方地基處理時(shí)，可迅速提高地基承載力，電滲法可迅速降低地下水位，有效避免強(qiáng)夯過(guò)程中“彈簧土”現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高最佳夯擊能。復(fù)合負(fù)壓固結(jié)技術(shù)可有效地應(yīng)用于新填軟土地基。

3.3 表面預(yù)處理竹網(wǎng)技術(shù)

在生態(tài)環(huán)境建設(shè)的大背景下，軟土處理的材料逐漸向生態(tài)化，可再生化發(fā)展，鑒于此，表面預(yù)處理竹網(wǎng)技術(shù)被應(yīng)用于處理表層軟土，實(shí)現(xiàn)了工程需求和生態(tài)環(huán)境發(fā)展的有機(jī)結(jié)合。

表層軟土常用的預(yù)處理技術(shù)有多層土工格柵+土工布+砂墊層技術(shù)、荊棘和竹套預(yù)處理技術(shù)、無(wú)砂真空預(yù)壓等。表面預(yù)處理竹網(wǎng)技術(shù)是一種基于筏板技術(shù)的表層預(yù)處理技術(shù)，它將垂直的竹子插入軟土中，使竹網(wǎng)成為框架竹網(wǎng)結(jié)構(gòu)。由于該技術(shù)使竹筏成為三維框架，竹網(wǎng)絡(luò)趨于在平面內(nèi)穩(wěn)定。表面預(yù)處理技術(shù)對(duì)于改良含水量大于100%的流動(dòng)性軟土和軟土地基具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

超軟地基表層竹網(wǎng)加固技術(shù)的主要工藝流程如下：①在軟土表面鋪設(shè)一層編織布。編織布的作用主要是在軟土表面形成工作面。②鋪設(shè)垂直竹網(wǎng)。竹網(wǎng)間距相同。竹的厚實(shí)部分重疊在竹網(wǎng)中較細(xì)的部分。搭接長(zhǎng)度大于1m。用鋼絲綁扎搭接段。綁扎鐵絲的方向必須相反。③首先，在竹網(wǎng)上鋪一層編織布。隨后，在竹網(wǎng)上鋪設(shè)沙墊層。鋪設(shè)砂墊層需要使用小型設(shè)備。在中間區(qū)域鋪設(shè)道路后，鋪設(shè)兩側(cè)。同時(shí)，要防止竹網(wǎng)邊緣隆起。

在汕頭某工程試驗(yàn)段的原位試驗(yàn)結(jié)果表明，在竹網(wǎng)鋪設(shè)前，軟土表層承載力平均為7.7kPa。3 個(gè)月后表層承載力平均為32.6kPa。根據(jù)上述計(jì)算值，3 個(gè)月后軟土表層承載力比早期處理提高323%，比未處理提高695%。結(jié)果表明，表層承載力改善效果突出。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)一系列軟土地基處理方法的簡(jiǎn)要介紹，著重介紹了新技術(shù)、新方法、新材料的研究和使用前沿，得出以下結(jié)論和建議。

（1）隨著加固方法的不斷改進(jìn)和發(fā)展，軟土地基處理從單一的加固方法逐漸發(fā)展為多種方法的復(fù)合形式，并從單一的物理加固方法逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砑庸谭ê突瘜W(xué)加固法的結(jié)合。

（2）隨著材料科學(xué)的發(fā)展和國(guó)家節(jié)能環(huán)保管理的加強(qiáng)，軟土地基處理手段正從高能耗、高污染技術(shù)逐步向低碳、人與自然和諧發(fā)展的新技術(shù)發(fā)展。

（3）隨著管理方法的創(chuàng)新，軟土地基處理從消耗大量人力、材料和費(fèi)用逐步發(fā)展到實(shí)現(xiàn)機(jī)械、經(jīng)濟(jì)的方法。

（4）隨著沿海城市填海工程和跨海橋梁工程的興起，在建設(shè)中會(huì)面臨更的軟土的問(wèn)題，需要相關(guān)工程技術(shù)人員和單位加大技術(shù)經(jīng)濟(jì)投入。