软基加固施工技术在市政道路施工中的应用

2023-10-22梁玮

交通科技与管理 2023年19期

梁玮

（广东省水利水电第三工程局有限公司,广东东莞 523710）

0 引言

随着经济快速发展，市政道路作为重要的基础交通设施，其建设里程不断扩大。在市政道路建设期间，不可避免地会遇到淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等软弱土地基。软土地基含水量高、强度低、压缩性大，在车辆荷载及路基填土重力作用下，容易出现大面积沉降，导致路基边坡失稳、滑塌或路面开裂、沉陷等病害，影响行车安全性[1]。因此，进一步研究软基加固技术在市政道路施工中的应用意义重大。

1 软土地基加固目标及计算方法

1.1 软基加固目标

对于新建市政道路，应优先利用天然地基。当道路穿过淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等软弱土层，需先进行地基处理，再填筑路堤。根据《城市道路路基设计规范》（CJJ 194—2013），市政道路软土地基处理的目标是控制路基工后沉降，以免沉降过大引起边坡失稳、滑塌或路面开裂等病害，影响行车安全。路基容许工后沉降直接受道路等级、路基所在位置等因素影响，见表1[2]：

表1 路基容许工后沉降 /m

1.2 沉降计算方法

1.2.1 分层总和法

由《城市道路路基设计规范》（CJJ 194—2013）可知，软土地基变形弹塑性变形、不均匀变形、蠕变变形三个阶段，变形量等于瞬时沉降Sd、主固结沉降Sc、次固结沉降Ss之和，其中主固结沉降可用经典的土力学理论“分层总和法”计算沉降，而瞬时沉降和次固结沉降变形机理复杂，计算难度大。在实际市政道路项目中，是利用沉降系数ms来考虑，即沉降系数与主固结沉降的乘积等于软土地基总的工后沉降。

主固结沉降Sc和沉降系数ms计算见式（1）和式（2）[3]：

式中，hi—— 第i层土厚度（m）；e0i—— 第i层土中点自重应力对应的孔隙比；e1i—— 第i层土中点处的自重应力和附加应力之和所对应的孔隙比；γ—— 路堤填料重度（kN/m3）；H—— 路堤中心高度（m）；θ、V、Y—— 地基处理系、加载速率系数、地质因素系数。

需注意，分层总和法计算市政道路软土地基沉降时假设地基土只有竖向压缩，无侧向变形，使得计算结果偏小，同时，以基底中心下的附加应力计算，使得计算结果偏大。最终的计算结果与实际情况相比是偏大或偏小，目前尚无统一定论。

1.2.2 有限元法

随着计算机技术快速发展，很多市政道路项目在施工时开始使用ANSYS、ABAQUS、PLAXIS、Midas/GTS等有限元软件。相对于分层总和法，有限元法在计算软土地基沉降时能考虑土体的应力历史及边界条件，并能模拟路基的分层填筑，能在有限时间内计算软基在多种工况下的沉降变形，从而降低计算成本，提高计算效率。有限元法计算市政道路软土地基沉降的基本原理如下：将建立的二维或三维计算模型按一定的尺寸分解成若干个微小单元，对每个单元求解后，使用积分函数将每个单元的计算结果进行耦合。

2 软土地基常用加固技术施工要点

2.1 软基加固技术分类

在选择加固技术时，要详细勘察道路沿线的地质条件、气候气象条件、水文条件等，通过室内试验或原位测试得到地基土的物理力学计算参数。同时，遵循“工期短、造价低、效果好”的基本原则，对多个方案进行技术性和经济性比选，选出性价比最高的加固技术。

根据软土厚度不同，可将市政道路软基加固技术划分成浅层软基处理技术和深层软基处理技术两大类，不同软基加固技术的特点如表2 所示[4]：

表2 软基加固技术定性比选

2.2 换填法施工要点

2.2.1 施工工艺

换填法就是将路基下方不满足承载力要求的天然软土地基挖除，换填强度高、水稳定性好的灰土、碎石、砂砾等材料，并分层压实。换填法常用于鱼塘、水田等淤泥质路段，施工工艺如下：排水→原地面复测→原土清除→原土清除后地面复测→回填→分层碾压→回填至设计标高后检测验收。

2.2.2 质量控制要点

换填法处理软土地基时，要从以下三个方面控制施工质量：

（1）原土清除到位。原土清除质量采用“双控法”，清除深度要与设计深度保持一致，清除时不留死角。

（2）换填材料合格。软基处理前要考察料源，确保换填材料的粒径、强度等指标都满足设计要求。材料进场后，要开展试验验收，不得以厂家提供的生产合格证明来作为材料验收标准。在施工期间，如发现粒径过大的石块，要及时剔除。

（3）回填碾压质量。换填材料在施工时要严格控制松铺厚度、碾压速度、碾压遍数等。压路机碾压回填材料时，先两侧后中间，先慢后快，直至无漏压、无死角。

2.3 加固土桩施工要点

2.3.1 施工工艺

最常见的加固土桩中是水泥搅拌桩，它是利用特定的机械设备将水泥粉或水泥浆注入软土地基中与原土体混合，发生各种物理化学反应，形成具有一定直径、深度、强度的桩体，与原状土形成复合地基，共同承担外界荷载，协调变形。根据施工工艺不同，可将水泥搅拌桩划分为粉喷桩和高压旋喷桩两类，主要施工工艺见图1[5]。

图1 水泥搅拌桩施工工艺

2.3.2 质量控制要点

对于粉喷桩，施工前要注意检查粉喷桩机的电路、液压系统、喷粉系统等，并标定仪表。同时，要重视试桩粉喷桩的试桩，以确定合理的钻进速度、提升速度、搅拌速度、喷粉量等技术参数。在施工期间，应安排专职人员统计每根桩的喷粉量，当喷粉量＜设计值，应整桩复打。

高压旋喷桩的施工工艺与粉喷桩相差不大，需另外注意以下两点：一是浆液拌制。施工技术人员应严格按照设计配合比控制水泥、水的用量，将其充分拌和均匀，且制备好的水泥浆不宜放置时间过长，要在2 h 内使用完毕；二是喷浆速度控制。高压旋喷喷浆压力值不小于20 MPa，水泥浆液会以较快的速度、较大的能量通过喷嘴喷射到土体中。结合流体力学，喷浆速度v0和流量Q0可按式（3）和式（4）计算：

式中，φ—— 喷嘴流速系数；g—— 重力加速度（9 m/s2）；p——喷嘴入口压力（kPa）；γ——水重度（kN/m3）；F0——喷嘴出口面积（m2）。

2.4 水泥粉煤灰碎石桩施工要点

2.4.1 施工工艺

水泥粉煤灰碎石桩简称CFG 桩，由水泥、粉煤灰、碎石、水拌和而成，一般用于十字板抗剪强度＜20 kPa的淤泥质软土。CFG 桩属于强度较低的混凝土桩，可在施工现场拌制，也可在搅拌站集中拌制。CFG 桩的施工工艺如下：施工准备→配合比设计→测量放线→桩基就位、钻孔→投料、提管→成桩、移机。

2.4.2 质量控制要点

根据相关研究成果，CFG 桩在施工时应重视以下几点：

（1）场地超填。由于CFG 桩的整体性较强，为避免机械行走移位造成断桩，施工前要将场地回填至桩顶以上0.5~1.0 m。施工结束后，对CFG 桩进行反开挖和破桩头。

（2）塌落度控制。桩体混合料严格按设计要求拌合，将坍落度宜控制在5~10 cm。塌落度过大，振动拔管时容易导致混合料离析。反之，不适合罐车运输或易造成泵管堵塞。

（3）施工顺序。桩机应倒退移动，采用“跳打法”。

3 软土地基施工效果评价

3.1 工程概况

依托工程为黄竹坑路市政工程（一期），北起现状科环路，南至规划业通一路。该道路建设标准为城市次干道，全长475 m，红线宽度为40 m，设计速度为40 km/h，设计荷载为BZZ-100，路基断面为双向6 车道。主要建设内容包含但不限于道路工程、交通工程、给排水工程、电气电信工程、照明工程、通信工程、燃气工程、绿化工程、管线改迁工程、水土保持工程等，施工工期为271 d。

根据施工图纸中的软基处理纵断面图可知，道路设计高程为53~54 m，地面高程约为51~55 m，土层至少而下为素填土、粉质黏土、砾砂，且粉质黏土可作路基持力层。软弱土地基处理段落为K1+820~K2+025 段，K2+025~K2+105。

3.2 有限元模型建立

该文使用有限元软件建立市政道路路基模型，计算其在不同地基处治方案下的工后沉降。ABAQUS 软件计算软基沉降的具体流程为：建立几何模型→输入路基及地基土参数→输入车辆荷载→设置边界条件→模型划分网格→计算沉降→导出软基工后沉降计算结果。其中，网格划分和边界条件设置是软土地基沉降计算的关键环节。

3.2.1 网格划分

大量工程实践表明，计算模型的网格尺寸越小，网格数量越多，软土地基沉降计算结果越精确，同时计算效率越低，反之亦然。综合考虑计算精度和速度，网格划分均采用正六面体单元，将路堤填料、粉质黏土层、淤泥质黏土层的网格进行适当加密，网格尺寸取0.5 m；其他部位的网格尺寸正常取值，取1.0 m。最终，该软土路基模型划分出868 个单元，996 个节点。

3.2.2 边界条件

软土地基的边界条件与沉降计算密切相关。结合其他研究成果，路基模型的底部边界在X、Y、Z 方向均约束，无位移，不透水；路基模型的左侧和右侧边界约束X 方向的变形，不透水；路基模型的顶面和边坡坡面设置为自由边界，可透水。

3.3 软基计算结果分析

根据施工图勘察资料，该软土层埋深较大，拟选用水泥搅拌桩或CFG 桩。水泥搅拌桩的桩径取0.5 m，桩间距1.2 m，桩长10 m；CFG 桩的桩径取0.5 m，桩间距1.5 m，桩长10 m。不同加固技术下，软土地基的工后沉降计算结果见图2。

图2 软土地基沉降计算结果

图2 计算结果表明：市政道路软基未加固前，沉降为26.8 cm，不满足《城市道路路基设计规范》（CJJ 194—2013）。经水泥搅拌桩加固后，软基沉降为10.9 cm，降低幅度为59.3%；经CFG 桩加固后，软基沉降为5.8 cm，降低幅度为78.3%。从沉降控制效果来看，CFG 桩优于水泥搅拌桩。