路基工程中軟土地基處理研究

陳雅璠

（雙鴨山市安邦河兩岸及行政廣場(chǎng)人工湖管護(hù)中心，黑龍江 雙鴨山 155100）

我國(guó)幅員遼闊，路上交通作為重要的交通方式，為居民出行和物資運(yùn)輸提供了極大的便利。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，截至2019 年底，我國(guó)公路通車(chē)?yán)锍桃淹黄?85 萬(wàn)km，其中高速公路14.26 萬(wàn)km，均位居世界第一[1]。隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模的不斷擴(kuò)大，一些像軟土地基這樣不利于道路建設(shè)的問(wèn)題也日益增加。軟土地基是指飽和細(xì)粒土直接受江河、湖泊和海洋的影響，導(dǎo)致地基壓縮性高、孔隙率大、天然含水量高率而且抗剪強(qiáng)度低。如果將其作為天然地基處理，則難以提供足夠的承載力和穩(wěn)定性，因此需要人工處理才能滿足要求。這種地基是施工過(guò)程中較難處理的路基類(lèi)型之一，它的施工問(wèn)題也是困擾我國(guó)公路建設(shè)的一大難題。特別是近幾年，市政道路建設(shè)中的城市雨水管道、污水管道和管道建設(shè)不斷興起，由于位于沿海地區(qū)的市政道路的建設(shè)具有以下三種特點(diǎn)：

（1）雨污水管道修建時(shí)對(duì)路基沉降的要求與公路一般路段要求不同。

（2）雨污水管道埋深過(guò)大，在開(kāi)挖路基時(shí)必須保證管道的穩(wěn)定性。

（3）市政道路需要有較高的路堤。

因此，對(duì)于沿海地區(qū)的市政道路工程在建設(shè)施，對(duì)軟土地基的處理提出了更高的要求。軟土地基處理目前已經(jīng)成為路基工程中控制施工質(zhì)量、施工進(jìn)度和施工成本的決定性因素。

1 路基工程中軟土地基的危害及變形計(jì)算

1.1 路基工程中軟土地基的危害

軟土的全稱(chēng)為軟弱黏性土，屬于特殊土中的一種。其大規(guī)模分布在我國(guó)的各個(gè)區(qū)域，包括沿海地區(qū)和內(nèi)陸地區(qū)。路基工程中軟土地基的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，容易出現(xiàn)形變等問(wèn)題，這些問(wèn)題不僅會(huì)影響到路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還會(huì)引起很多問(wèn)題，如道路、橋梁等工程出現(xiàn)不均勻沉降，路基以及路面出現(xiàn)裂縫、結(jié)構(gòu)錯(cuò)臺(tái)等病害，這會(huì)直接影響到路面結(jié)構(gòu)的完好性，給道路工程的安全性帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。

1.1.1 浸水沉降破壞

浸水沉降破壞大多發(fā)生在路堤銜接的位置，引起此類(lèi)破壞的主要原因是道路排水時(shí)受到阻礙，使水浸入到路基中。當(dāng)車(chē)輛通過(guò)時(shí)，在汽車(chē)這類(lèi)荷載的作用下，路堤銜接處極易發(fā)生沉降，當(dāng)沉降量過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致路面開(kāi)裂，影響車(chē)輛行駛，甚至更嚴(yán)重時(shí)，會(huì)增加交通事故發(fā)生的概率[2]。

1.1.2 剪切拉裂破壞

剪切拉裂破壞的形式會(huì)導(dǎo)致道路的路堤發(fā)生整體側(cè)向滑動(dòng)，進(jìn)而出現(xiàn)路面隆起的問(wèn)題。主要因?yàn)檐浲恋鼗谧灾丶昂奢d的作用下土質(zhì)強(qiáng)度大幅度降低，流動(dòng)性也隨之增大，進(jìn)而引起路面的不均勻沉降。

1.1.3 路面硬化問(wèn)題

在軟土地基上修筑橋梁或隧道時(shí)，其自身的穩(wěn)定性與荷載承受能力相對(duì)較差，并且在施工期間極易引起路面硬化的問(wèn)題。此外，如今進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)施工時(shí)，主要使用瀝青混凝土攤鋪，這種材料的結(jié)構(gòu)承載能力較低、柔性較高，因此施工期間會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)路面硬化的問(wèn)題[3]。

1.2 路基工程中軟土地基的變形計(jì)算

為了能夠預(yù)測(cè)循環(huán)荷載下的累積塑性變形，國(guó)內(nèi)外很多研究學(xué)者經(jīng)過(guò)探索，提出了多種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停@其中最常用的是Monismith 提出的簡(jiǎn)單指數(shù)模型：

式中：εp為累積塑性應(yīng)變；N 為施加循環(huán)荷載的次數(shù)；A、b 通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)法分析求得，依賴于土的類(lèi)型、特性和應(yīng)力狀態(tài)。該模型計(jì)算簡(jiǎn)單，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的一致性，但缺點(diǎn)是參數(shù)的確定過(guò)于復(fù)雜，所包含的物理意義太多，因此對(duì)于不同的土體類(lèi)別其參數(shù)取值的離散性過(guò)大。隨著循環(huán)次數(shù)數(shù)量級(jí)的增大，計(jì)算結(jié)果的誤差也隨之增大。

Monismith 提出的模型主要用于表示累積塑性應(yīng)變?chǔ)舙與施加循環(huán)荷載次數(shù)N 之間的關(guān)系，參數(shù)A 和b 表示了土的應(yīng)力狀態(tài)、土的物理狀態(tài)和土的類(lèi)型等影響因素。Seed、Monismith 等的試驗(yàn)結(jié)果表明：動(dòng)偏應(yīng)力是累積塑性應(yīng)變的主要應(yīng)力影響因素。Li 和Selig 通過(guò)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)，且引入了土體靜力強(qiáng)度這一參數(shù)，考慮了土的靜偏應(yīng)力qs和動(dòng)偏應(yīng)力qd對(duì)試驗(yàn)的影響，解決了Monismith 指數(shù)模型參數(shù)取值范圍大的這一問(wèn)題。結(jié)合文獻(xiàn)[4]，得出各參數(shù)的變化范圍，見(jiàn)表1。

表1 不同土體的材料參數(shù)值[4]

由此可見(jiàn)：引入動(dòng)偏應(yīng)力和土的物理狀態(tài)后，相比于系數(shù)A，參數(shù)a、m 的范圍明顯變小。用式（2）代替式（1）建立的累積塑性應(yīng)變模型為

式中：β=qd/qf；a、b、m 為土體參數(shù)。

2 軟土地基傳統(tǒng)處理技術(shù)

2.1 排水固結(jié)法

排水固結(jié)法是施工中常用的一種地基處理技術(shù)，它是指當(dāng)軟土層較厚時(shí)，向地基插入豎向排水管，使豎向排水管與地面上的排水管連通，形成一套完整的排水系統(tǒng)，進(jìn)而促進(jìn)地基水的有效排放，使地基土強(qiáng)度得到有效提高，也使地基的穩(wěn)定性和安全性得到有效加強(qiáng)。通過(guò)排水固結(jié)處理，可以有效地延長(zhǎng)軟土地基的使用壽命，減少地基在使用過(guò)程中的沉降。排水固結(jié)法在施工過(guò)程較為簡(jiǎn)便，施工技術(shù)要求較低，施工費(fèi)用成本較低，因此這項(xiàng)技術(shù)在很多工程實(shí)例中有著廣泛應(yīng)用，但是這項(xiàng)技術(shù)需要較長(zhǎng)的固結(jié)時(shí)間，為保證施工質(zhì)量，必須有足夠的施工工期，因此不適合工期較短的工程[5]。

2.2 水泥土攪拌法

水泥土攪拌法的原理是在施工過(guò)程中將水泥作為固化劑，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與軟土地基進(jìn)行攪拌，有效地提高了軟土地基的硬度，使其滿足施工的強(qiáng)度要求，具有良好的完整性和水穩(wěn)定性。一般來(lái)說(shuō)，可以分為干濕兩種——粉體噴攪法和深層攪拌法，這項(xiàng)技術(shù)在許多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但在我國(guó)，因?yàn)槭艿绞┕み^(guò)程中的環(huán)境因素控制比較難、攪拌質(zhì)量較大、質(zhì)量難以保證等因素的影響，沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用[6]。

3 軟土地基處理新技術(shù)

3.1 復(fù)合地基法

軟土地基不符合施工要求，需要對(duì)其采取一定的處理措施，當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外處理軟土地基最常用的方法就是復(fù)合地基處理法。傳統(tǒng)的軟土地基處理技術(shù)無(wú)法處理面積和厚度過(guò)大的地基，針對(duì)這個(gè)實(shí)際工程出現(xiàn)的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)很多巖土工程工作者在此方向進(jìn)行了大量的研究，在原有軟土地基處理技術(shù)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新不輟，提出了很多高質(zhì)量、高效率的軟土地基處理的新技術(shù)。

3.1.1 現(xiàn)澆X 形混凝土樁

現(xiàn)澆X 形混凝土樁（以下簡(jiǎn)稱(chēng)XCC 樁），如圖1 所示，它的形狀像正方向的四個(gè)直角邊被圓弧割去一部分，類(lèi)似于英文字母X。將它設(shè)計(jì)成這樣的原理：在保證等截面的前提下盡可能擴(kuò)大樁身的側(cè)面積，這樣就可以保證樁身與地基之間的摩阻力得到有效增加，同時(shí)也可以在一定程度上增加樁的慣性矩，換句話說(shuō)，就是在地基土充分發(fā)揮作用的同時(shí)，確保樁自身的承載力可以得到有效利用，最大限度地利用混凝土材料在樁基中的潛力。

圖1 XCC 樁示意圖與實(shí)物圖

作為一種新型異形樁，與傳統(tǒng)灌注樁相比，其外側(cè)周長(zhǎng)大，根據(jù)它的設(shè)計(jì)原理——保證等截面的同時(shí)增加了樁的側(cè)表面積，充分利用了異形截面，不但可以增加樁的側(cè)摩阻力和慣性力，還可以節(jié)省開(kāi)支，相比于原形狀的樁，使用的混凝土材料更少，同時(shí)可以提高樁自身的承載能力，這種新型的異形樁可以充分發(fā)揮混凝土樁的性能，且兼具成本低和加固效果好的優(yōu)勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，周航等[7]提出了一種新型異形截面樁，基于透明土的可視化技術(shù)，以XCC 樁為研究對(duì)象，得到了其位移場(chǎng)的變化規(guī)律。此外還與圓形樁進(jìn)行對(duì)比，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出一種修正擴(kuò)孔理論，并可以將這一理論用于其他樁，如Y 形樁、H 形樁等異形截面樁。目前，XCC 樁復(fù)合地基處理新技術(shù)已逐步走向成熟，在實(shí)際工程中有了較廣泛的應(yīng)用，不僅提高了地基承載力，還節(jié)省了工程支出。

3.1.2 Y 形振動(dòng)灌注樁

另一種異形樁是Y 形振動(dòng)灌注樁（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為Y形樁），與傳統(tǒng)灌注樁不同的是，其具有更大的慣性矩、單位體積和材料比表面積，并且與X 形混凝土樁的原理相同，讓樁體的混凝土材料得到充分發(fā)揮，增加軟土地基的承載能力。此外，Y 形樁同樣在保證等截面的同時(shí)最大程度增加樁身的側(cè)面積，以此來(lái)增加樁身的摩擦力，如圖2 所示。同時(shí)，沉管灌注樁優(yōu)點(diǎn)也在Y 形樁身上得到體現(xiàn)。目前，Y 形振動(dòng)灌注樁已經(jīng)在很多軟土地基上得到應(yīng)用。有試驗(yàn)表明，Y 形樁的性價(jià)比比圓柱樁高出很多，有研究表明，相同條件下，Y 形樁比圓柱樁混凝土用量減少59%，極限承載力卻能達(dá)到圓柱狀的84%[8]。此外，Y 形樁的造價(jià)低，是圓柱樁的75%左右，但是樁側(cè)摩阻力和單位體積極限承載力均高于圓柱樁。

圖2 Y 樁示意圖與實(shí)物圖

3.2 排水固結(jié)法

排水固結(jié)法可以通過(guò)減少地基中水分的方式，改變地基土的結(jié)構(gòu)，從而提高地基的承載力，它是在實(shí)際工程中處理軟土地基的常用方法。真空預(yù)壓法、堆載預(yù)壓法、劈裂真空法、地下水位降低法、超載預(yù)壓法和藥劑真空法等是建筑領(lǐng)域中常見(jiàn)的排水固結(jié)方法，但是在處理交通工程的地基時(shí)，軟土地基面積較大，往往難以達(dá)到預(yù)期的效果。

為了規(guī)避單一固結(jié)排水方法的缺陷，有相關(guān)學(xué)者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，可以采用多種排水固結(jié)方法相結(jié)合的方式對(duì)軟土地基進(jìn)行處理，因此一些新的聯(lián)合排水固結(jié)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，到現(xiàn)在為止，已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。例如，將高壓劈裂法和真空預(yù)壓法結(jié)合起來(lái)，首先使用高壓劈裂法對(duì)地基進(jìn)行處理，使用高壓讓地基產(chǎn)生裂縫，使其形成天然的排水通道，等裂縫穩(wěn)定以后施加真空預(yù)壓法，使地基內(nèi)的水分迅速排走，通過(guò)這兩種方法結(jié)合的方式可以將固結(jié)深度達(dá)到30 m 以上。在實(shí)際工程中還將真空井點(diǎn)降水法與強(qiáng)夯法相結(jié)合，充分結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，既增加了土體的密實(shí)度，又加快了地基的排水過(guò)程，是一種處理軟土地基的新方法。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)常規(guī)超軟土淺層地基加固技術(shù)與真空降水強(qiáng)夯法在工程造價(jià)、加固效果、加固技術(shù)等方面進(jìn)行了比較，測(cè)試結(jié)果表明，在超軟地基上設(shè)置小間距（0.4～0.6 m）排水板對(duì)提高新疏填地基的強(qiáng)度有很好的作用，可顯著縮短軟土地基的加固時(shí)間[9]。

4 結(jié)論與展望

軟土地基具有承載力低、孔隙率大、含水率高和穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，是一種特殊的地基形式，也是路基工程中必須要克服的施工問(wèn)題。雖然傳統(tǒng)的地基處理技術(shù)在施工過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用，但依然存在一些不足；新的地基處理技術(shù)是工程實(shí)踐探索的結(jié)果，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)技術(shù)的一些不足，但應(yīng)用范圍不夠廣，經(jīng)驗(yàn)積累不夠，實(shí)踐也不夠。因此，在施工過(guò)程中，必須高度重視軟土地基的問(wèn)題，加強(qiáng)施工區(qū)域水文地質(zhì)和土體的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，合理選擇軟土地基的處理方法，使之強(qiáng)度和地基承載力均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工要求，從而提高路基工程整體施工質(zhì)量，為交通安全提供可靠保障。同時(shí)，建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位和科研機(jī)構(gòu)要密切合作，使新技術(shù)更加成熟并且能夠得到廣泛的應(yīng)用。