關(guān)于道路軟基創(chuàng)新處理方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)探討

黃 怡

（中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢 430010）

0 前言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，需新建或改造的城市道路越來越多。道路建設(shè)中遇到的軟弱地基處理主要是穩(wěn)定性和變形兩大類問題。軟土路基處理方法的選擇沒有固定的模式但卻有一定的原則，這就是要依據(jù)土力學(xué)原理，結(jié)合軟土層的組成及指標(biāo)選擇合理可行的方法，達(dá)到路基穩(wěn)定和沉降值符合規(guī)范的要求。特別是復(fù)雜地基處理應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)情況全面分析其相關(guān)力學(xué)指標(biāo)，結(jié)合工程周期采取不同的處理措施，達(dá)到技術(shù)可行、施工方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、穩(wěn)定可靠的目的。

1 創(chuàng)新地基處理的應(yīng)用

1.1 創(chuàng)新地基處理的基本原理

由于長江三角洲以及江漢平原地區(qū)分布著含水量高，壓縮性大，強(qiáng)度低，透水性差，覆蓋層厚，埋深淺等特點(diǎn)土質(zhì)，在路基荷載作用下，軟土路基很容易產(chǎn)生承載力不足，沉降量大且不均勻和固結(jié)時(shí)間長等問題。軟土路基處理可選擇的方法很多，考慮工期、投資和質(zhì)量三大影響因素，可按照“時(shí)間換金錢，金錢換時(shí)間，因地制宜”的原則選擇軟基處理方法。按照地基處理的作用機(jī)理方法歸結(jié)起來大致分為三大類：土質(zhì)改良法、土體的置換法、土體的補(bǔ)強(qiáng)法等。筆者通過高真空擊密法新型專利技術(shù)的實(shí)踐，在道路或港口、房建等大面積建設(shè)中推廣一種能夠充分加固現(xiàn)狀軟弱土體,顯示其價(jià)值和生命力的新型筑路技術(shù)，充分體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)環(huán)保、節(jié)源、節(jié)能的城市建設(shè)理念。

高真空擊密法采用“壓差”理論，使“飽和軟土不宜強(qiáng)夯”成為過去，擴(kuò)大了強(qiáng)夯的應(yīng)用范圍。高真空排水結(jié)合數(shù)遍變能量擊密，人為多遍制造超過一個(gè)大氣壓的“壓差”，擴(kuò)大了規(guī)范中真空井點(diǎn)在低滲透性軟土排水的應(yīng)用范圍。高真空強(qiáng)制排水形成“負(fù)壓”主動(dòng)排水，擊密產(chǎn)生的超孔隙水壓力為“正壓”；通過“壓差”作用，加快孔隙水壓力的消散，縮短了軟土二遍擊密間隙時(shí)間，間隙時(shí)間從規(guī)范的“不小于3～4 周”縮短為“5～10 d”，大大縮短了工期。

1.2 從常規(guī)演繹至創(chuàng)新的處理方法

黃岡大道起于在建的黃鄂高速公路黃岡收費(fèi)站，向南下穿武漢至黃岡城際鐵路后，與禹王工業(yè)園區(qū)規(guī)劃的長江四路、新港北路平面交叉，終點(diǎn)與黃岡市黃州大道連接，全長約6.43 km。道路征地紅線寬度60～100 m，是一條城市品牌的景觀大道。根據(jù)地勘報(bào)告揭示的土層及力學(xué)指標(biāo)，黃岡大道道路沿線路基范圍內(nèi)的地質(zhì)情況見表1，上、下層粉質(zhì)粘土高含水量低強(qiáng)度，中間“夾心”一層淤泥

本工程原地基處理方案結(jié)合黃鄂高速公路的處理經(jīng)驗(yàn)，清表后采用現(xiàn)狀路面反挖80 cm 路床后回填麻料（石渣）。但是在實(shí)施過程中受暴雨氣候及地下水位影響，一般路段開挖回填麻料時(shí)，場地表層翻水嚴(yán)重（見圖1）；特殊路段采用水泥攪拌樁施工后樁基及管線開挖時(shí)出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的坍塌，開挖難度大（見圖2）。

圖1 路基開挖現(xiàn)狀

表1 黃岡大道地質(zhì)情況一覽表

圖2 橋梁樁基施工

采取井點(diǎn)降水強(qiáng)排的輔助措施也是“杯水車薪”,沒能達(dá)到預(yù)想的效果（見圖3）?？紤]到換填處理后路面在后期使用過程中可能出現(xiàn)不均勻沉降導(dǎo)致道路開裂等問題，為了保證黃岡市“迎賓大道”工程質(zhì)量和工程進(jìn)度，引進(jìn)了專利技術(shù)地基處理新工藝——高真空擊密法進(jìn)行處理（見圖4），不僅達(dá)到了預(yù)期的目的，而且縮短了工期，節(jié)省了工程投資。

圖3 采用井點(diǎn)降水

圖4 采用高真空擊密法

1.3 高真空擊密法的工藝

“高真空擊密法”軟地基處理方法是一種快速加固軟土地基的新技術(shù)，屬于動(dòng)力主動(dòng)排水固結(jié)法。它通過數(shù)遍的高真空壓差排水，并結(jié)合數(shù)遍合適的變能量擊密，達(dá)到降低土層的含水量、提高密實(shí)度和承載力、減少地基工后沉降和差異沉降量的目的，見圖5。

設(shè)計(jì)與施工單位配合先選擇地質(zhì)條件較差的半幅路作為試驗(yàn)段，通過試驗(yàn)確定相關(guān)的施工參數(shù)，為后期大面積施工提供依據(jù)。即確定有關(guān)排水參數(shù)，包括真空管間距、排水時(shí)間、最佳排水措施；確定最佳夯能、擊密間距、擊密間隔時(shí)間、擊密次數(shù)和遍數(shù)等擊密工藝和參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)段成功經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整不同地質(zhì)情況采取不同排水及夯擊能相關(guān)參數(shù)。

具體施工處理工藝為：清表整平場地→施工準(zhǔn)備→測量定點(diǎn)（方格網(wǎng)測量標(biāo)高）真空管布置→管路、泵的連接和密封→開動(dòng)真空泵排水第一次擊密（測量定點(diǎn)）→第二次擊密→拆除真空泵平整→滿夯場地平整（方格網(wǎng)測量）→交工驗(yàn)收。

根據(jù)土層的分布情況采用深層和淺層高真空管分層布置，深管間距3.5 m×3.5 m，長度6 m，淺管間距3.5 m×3.5 m，長度3 m。開始水泵連接縱橫向真空管不間斷排水約4～5 天，使地下水位降至地面以下2 m 左右后進(jìn)行第一遍擊密，擊密過程中不中斷排水，然后進(jìn)行第二次擊密，拆除真空管后滿夯平整場地并可以進(jìn)行路床以上結(jié)構(gòu)層的施工，見圖6。

根據(jù)黃岡大道路幅組成，確定道路處理范圍為道路外邊線為輔道邊線處外擴(kuò)3 m，內(nèi)邊線為機(jī)動(dòng)車道邊線處外擴(kuò)3 m，中央綠化帶不做處理，處理寬度為 6 7 m（33.5 m+33.5 m）。

圖5 高真空擊密示意圖

圖6 高真空排水示意圖

施工前選最不利路段作為試驗(yàn)段采用專利的高真空系統(tǒng)強(qiáng)制調(diào)整土體的含水量，將處理的路基土體逐步接近最優(yōu)含水量,同時(shí)，采用大型擊密設(shè)備分遍擊密需處理的土體，逐步接近最大密實(shí)度,并正確計(jì)算被處理土體超孔隙水壓的消散時(shí)間，合理確定土體每遍擊密的固結(jié)回復(fù)時(shí)間，嚴(yán)防“彈簧土”的形成。通過試驗(yàn)段成功處理工藝流程及相關(guān)控制要素確定信息化施工模型，在大面積路基處理過程中結(jié)合沿線地質(zhì)勘察報(bào)告揭示的不同地質(zhì)土層及厚度，確定地基的處理深度及各層不同土體擊密所需的擊振能量。施工前后進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn)了解土性的變化，同時(shí)對地表沉降、地下水位、孔隙水壓力等進(jìn)行監(jiān)測，對各項(xiàng)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)記錄和分析，及時(shí)了解場地加固效果，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果來指導(dǎo)施工，調(diào)整施工參數(shù)。

2 地基處理后實(shí)測結(jié)果

2.1 地表沉降觀測

在滿足處理消散期后在道路上布置方格網(wǎng)分別測量其左、中、右的標(biāo)高了解高真空擊密后產(chǎn)生的沉降量，場地平均沉降約53 cm。并在高真空擊密處理前后分別進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn)，0～6 m 深度范圍內(nèi)P s 值平均值由1.23 MPa 提高到2.37 MPa，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式推算承載力大于120 kPa。P s 提高幅度平均為85%，圖7為處理前后的P s 對比曲線。

2.2 水位觀測

為掌握在真空擊密過程中地下水位隨時(shí)間變化規(guī)律，高真空擊密試驗(yàn)前在路上埋設(shè)地下水位管，進(jìn)行地下水位觀測。試驗(yàn)期間除受到雨水影響和擊密能量的影響，水位一般在2 m 以下。在強(qiáng)夯擊密期間，因受到強(qiáng)夯沖擊力的影響，孔隙水壓力上升，地下水位也升高，通過靜止消散期后恢復(fù)常態(tài)達(dá)到預(yù)期目的,見圖8。

圖7 處理前后的Ps 對比曲線

2.3 孔隙水壓力觀測

高真空擊密施工前在試驗(yàn)區(qū)路段中埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)，埋深分別為2.0 m、4.0 m 各測點(diǎn)孔壓隨時(shí)間的變化曲線見圖9。

由曲線可見，在排水約5～6 d 時(shí)間內(nèi)，孔隙水壓力持續(xù)下降到穩(wěn)定值后開始第一遍擊密，第一遍強(qiáng)夯時(shí)因受到較大的沖擊力，孔隙水壓力升高，擊密后隨著高真空排水孔隙水壓力再次降低，在排水約7 d 后開始第二遍擊密，第二遍擊密后孔隙水壓力再次升高。

圖8 水位隨時(shí)間的變化曲線

圖9 孔壓隨時(shí)間的變化曲線

2.4 處理效果分析

高真空擊密法直接在現(xiàn)狀土體中插入高真空排水管，通過快速高真空排水—擊密多遍循環(huán)，來增加動(dòng)力排水固結(jié)效果。由于兩道工序的有機(jī)結(jié)合、相互作用，巧妙地解決了軟土超孔隙水壓力消散及強(qiáng)夯容易使軟土形成“彈簧土”等關(guān)鍵問題，通過人為在土層中制造的“壓差”（擊密產(chǎn)生的超孔隙水壓力為“正壓”，高真空產(chǎn)生的為“負(fù)壓”）來快速消散超孔隙水壓力，使軟土中的水快速排出。采用高真空排水后，使擊密效果大大提高，從而使被處理土體形成一定厚度的超固結(jié)“硬殼層”，正因?yàn)椤坝矚印钡拇嬖冢沟帽韺雍奢d有效擴(kuò)散，提高場地的整體性，減少了因荷載不均勻產(chǎn)生的不均勻沉降。處理后土體的密實(shí)度、承載力及土體回彈模量大幅度提高，在處理過的原軟弱土層上可以放陡坡或直立開挖管槽，達(dá)到預(yù)期的目的。

高真空擊密法在黃岡大道地基處理后綜合結(jié)論：有效地解決了軟弱路基與現(xiàn)場土源就地利用的問題，達(dá)到了提高地基承載力、減少地基不均勻沉降的目的；地基處理工后沉降不大于25 cm；同時(shí)交工面土層的承載力特征值不小于120 kPa；土基處理后的回彈模量不小于25 MPa。

3 經(jīng)濟(jì)比較和造價(jià)分析

高真空擊密法不僅處理效果好，而且經(jīng)濟(jì)上亦優(yōu)于同類軟基處理方法。根據(jù)黃岡大道的地勘資料，對淺層處理的換填法、高真空擊密法和深層處理的水泥攪拌樁、低位高真空預(yù)壓擊密法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)上的比較分析。材料價(jià)格按黃岡市2014年1月市場信息價(jià)取定如下：

3.1 換填法

處理方法:換填深度2～3 m,挖除淤泥層,換填毛渣(石渣),并分層壓實(shí)。

優(yōu)缺點(diǎn)：該處理方法的優(yōu)點(diǎn)是施工簡單，對于含水量低的軟土地基處理效果較好，但換填深度過大時(shí)，工程質(zhì)量難控地層淤泥未硬化；工后差異沉降偏大。同時(shí)管線開挖土方量大需增加支護(hù)等措施。對于自然資源匱乏、砂石料緊缺、嚴(yán)重缺土需要大量外購?fù)列藿ㄊ姓缆返狞S岡地區(qū)來說，將現(xiàn)狀不良地基土外運(yùn)，同時(shí)大量購?fù)翐Q填，不僅處理后達(dá)不到預(yù)期的效果，棄土購?fù)了a(chǎn)生的費(fèi)用高，而且置換出的棄方多占土地，容易污染環(huán)境。按照黃岡大道全線軟弱處理范圍施工周期一般為4～6 個(gè)月。

造價(jià)分析：換填法主要費(fèi)用為挖除不良軟土層并外運(yùn)3 km、購置毛渣等滲水性材料回填壓實(shí)，經(jīng)計(jì)算，換填深度2 m 的單方造價(jià)為195.36 元/m2，深度3 m 的單方造價(jià)為293.05 元 / m2。

3.2 水泥攪拌樁

處理方法:樁長8 m，樁徑500 mm，水泥含量15%，間隔1.2 m，三角形布置。

優(yōu)缺點(diǎn)：施工技術(shù)成熟，處理效果較好，在各種復(fù)合地基處治方案中造價(jià)偏低，但對軟基下部攪拌不易均勻，樁質(zhì)量不可控，處理的深度有限，工后差異沉降偏大。對環(huán)境污染較大，按消耗10萬t 水泥計(jì)算相當(dāng)于1.9 萬輛2.2 Lco2年排放量；同時(shí)水泥攪拌樁樁基對后期管槽開挖不利。施工范圍同上施工周期為4～5 個(gè)月（投入機(jī)械臺班有關(guān)）。

造價(jià)分析：主要費(fèi)用為水泥攪拌樁，50 cm 碎石墊層，單方造價(jià)為379.59 元 / m2。

3.3 高真空擊密法

處理方法:安裝高真空擊密系統(tǒng)，真空管分層布置，深管間距3.5 m×3.5 m，長度6 m，淺管間距3.5 m×3.5 m，長度3 m。第一遍排水點(diǎn)夯擊密后緊接著第二遍排水點(diǎn)夯擊密，然后滿夯或碾壓平整場地。

優(yōu)缺點(diǎn)：擴(kuò)大了規(guī)范中真空井點(diǎn)在低滲透性軟土排水的應(yīng)用范圍,工后差異沉降小，承載力高；淤泥全固化，避免土方外運(yùn)及購?fù)临M(fèi)用，環(huán)保零污染；同時(shí)管線開挖土方量小，節(jié)省支護(hù)等措施費(fèi)用；施工周期為2 個(gè)月左右，造價(jià)低。

造價(jià)分析：主要費(fèi)用為真空管布置、真空泵排水、第一次擊密（測量定點(diǎn)）、第二次擊密、滿夯場地平整、回填麻料，單方造價(jià)為189.67 元 / m2。

3.4 低位高真空預(yù)壓擊密法

處理方法:針對深厚淤泥層，利用低壓預(yù)壓，控制消除土體的適量沉降。平整場地后設(shè)置插塑料排水板并布置豎向和水平排水通道，鋪土工布和密封膜安裝密封預(yù)壓系統(tǒng)真空泵抽水。同時(shí)在密封膜覆水預(yù)壓沉降觀測并測真空度達(dá)到要求后卸載，回填墊層安裝高真空擊密系統(tǒng)，下道工序同高真空擊密法一致，真空布管間距同高位擊密一致。

優(yōu)缺點(diǎn)：處理深度深，質(zhì)量可控。相對于高真空擊密法，造價(jià)略高，工期約為4 個(gè)月。

造價(jià)分析：主要費(fèi)用為砂墊層、插排水板及鋪設(shè)真空膜、覆水預(yù)壓達(dá)到要求后卸載、拆除真空膜、真空管布置、真空泵排水、點(diǎn)夯加滿夯擊密、回填麻料平整場地，單方造價(jià)為269.11 元 / m2。

通過以上分析比較可知：高真空擊密作為一種新型的地基處理技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了就地取材，節(jié)約資源和能源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目標(biāo)，而且提高了路用性能，使得道路建設(shè)工后差異沉降小，承載力高；淤泥全固化，避免土方外運(yùn)及購?fù)临M(fèi)用；同時(shí)管線開挖土方量小，節(jié)省支護(hù)等措施費(fèi)用；施工周期短造價(jià)低。有著明顯的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

4 結(jié)語

城市道路工程在實(shí)施過程中所受影響因素較多，工程造價(jià)也必然因采取處理方案的不同而產(chǎn)生差異。本文通過高真空擊密法在黃岡大道中的應(yīng)用實(shí)踐，對快速排水、快速擊密固結(jié)的工法相關(guān)工藝和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，得到如下結(jié)論：

（1）造價(jià)節(jié)約：與傳統(tǒng)的地基處理方法相比，造價(jià)一般可節(jié)約30%左右。

（2）質(zhì)量可控：施工過程是信息化施工過程，在施工前期根據(jù)專利要求對場地進(jìn)行摸探，施工過程中進(jìn)行靜力觸探、施工沉降、夯擊能量等指標(biāo)跟蹤監(jiān)測，以達(dá)到最佳的地基處理效果。

（3）工期節(jié)約：與傳統(tǒng)地基處理方法相比，可節(jié)省工期約30%左右。

（4）環(huán)保零排放、節(jié)省資源：施工過程是純物理方法，施工過程中無需向土體中摻入任何固化劑或外加劑，真正做到了對環(huán)境的零污染。