1、廣東公路軟土地基處理綜述 2004/10/09 南方巖土驛站 孔祥金(廣東省高速公路公司廣東廣州510100)蔣雪琴(廣東省航務工程總公司廣東廣州510230)摘要闡述了公路軟基試驗工程的選定及實際運作,同時側重評述了各種軟基處理,如排水固結、復合地基、真空聯合堆載預壓及一些輔助措施運用在試驗工程和取得成果。最后作者擇要介紹了已在試驗工程運用的新技術、新機具、新工藝的情況。關鍵詞公路軟土試驗工程處理措施軟土地基在廣東省最為常見,尤其在珠江三角洲和濱海地區普遍分布。根據我省已建和正建的幾條高速公路的資料表明,軟土路段是較長的,處理既不容易,造價也相應增加。如已建成的高速公路中,長度為15.7km

2、的廣佛高速公路,軟土地基路段長4.43km,占全線總里程的29.4%;廣深高速公路全長122km,軟土地基路段長34km,占全線總里程的28%;佛開高速公路長80km,其中軟土地基路段長12.98km,約占全線16.3%,正建的高速公路中,如廣州環城高速公路,其中東、南、西環全長38km,處于珠江河網地區,軟土地基路段長度占全線80%。而這些軟土集中且土層厚,性質差的路段則采用高架橋通過。西部沿海高速公路和廣珠高速公路均廣泛分布著軟土。1廣東軟土的分布和特征廣東省除粵北以山地為主外,中部有些山區,其余大部為平原,低丘和臺地區,尤其在東、西、北江流經之珠江三角洲,地勢十分坦蕩,河網密布,平原區海

3、岸線長,灘涂多,廣泛分布著第四紀更新統和全新統的軟土,其厚度、類型均有所不同,可分為三個區。北部丘陵臺地區:在北部山地前緣的山間洼地,具支谷軟土性狀。河流堆積物封閉支谷出口,上部往往堆積著泥炭,有機腐植質,下部分布著面積并不大,厚度約310m的軟土層,但具有平縱面變化大,且不連續,而厚度亦不均勻的特性,由于縱橫方向的厚度不同,因此多呈鍋底狀。處理時要注意這種特性,要防止路基滑移,除作表層換填、深層處理外,可用反壓爐道、邊坡護堤等進行支擋,以保持中基的穩定。中部珠江三角洲區:該區幾占全省面積的一半,地勢平坦開闊,除有個別殘丘外,是典型的平原地貌,區內河流縱橫、水網密布。在長期地質營力下,軟土面積

4、大、土層厚、尤其是江河兩岸更是如此。土質差,各項指標低,處理難度大,路基填料需要遠運,故處理軟基較為昂貴。南部濱海區:我省海岸線很長,海灘、沙堤,且流動性頗大,所以軟土中央有薄砂層、砂與粘土互層,賦存在軟土層中的這種砂夾層對橫向排水有利,可以加速固結。但要注意這種砂層厚薄不一,因此在進行軟土地基處理設計時要考慮這種特點。根據以上軟土分區特征可以看出:軟土的特征由于受地形,地質生成條件和環境的不同,故無論在分布面積、深度、成層厚度而有明顯的差別,土質復雜多樣。因此我們對軟土地區有勘察時,要對其工程地質作深入調查研究,作出正確評價。在設計時應按土質特性,因地制宜,因材制宜,優選方案,分別作出處理設

5、計。2軟基處理方法2.1排水固結處理軟基公路軟基的處理要綜合考慮經濟適用,穩妥可行,施工簡便的方法,首選是排水固結,它是通過在軟土地基設置的豎向排水體,改設原有地基的邊界條件,增加孔隙水的排除途徑,大大縮短了固結時間,一般采用袋裝砂井和塑料排水板配合砂墊層來達到上述目的。2.1.1袋裝砂井它是用聚丙烯、聚乙烯等長鏈聚合物編織而成,由于具有足夠的抗拉強度,耐腐蝕,便于制作,對人體無害,價格較低等特點故應用普遍,其滲透系數應不小于內裝砂之滲透系數,一般大于5×10-3cm/s,所用的砂應為中粗砂,大于0.5mm顆粒粒徑含量宜占總含量50%以上,含泥量不應大于3%。袋裝砂井的直徑一般采用7

6、cm。2.1.2塑料排水板它一般是由芯板和濾套共同組成板體,芯板是由聚乙烯或聚丙烯加工而成的多孔管道,應有足夠的抗拉強度不小于130N/cm。當周圍土體壓力在15m深度范圍內不大于250kPa,或在大于15m范圍內不大于350kPa的條件下,其排水能力不低于30cm3/s,并有足夠柔性和抗腐性,這樣才能保證排水板在地下的耐久性,并在土體固結變形時不致折斷或破裂,而濾套一般是由無紡織布制成并具有隔離土粒滲透能力,應等效于0.025mm孔隙,其最小自由透水表面積宜為1500cm/m2,滲透系數不應小于5×10-3cm/s。它具有排水固結效果好,質量穩定,施工快,成本低等優點。標準型塑料排

7、水板尺寸為寬100cm;厚34cm,試驗證明它與7cm的袋裝砂井效果相同。2.1.3兩種方法采用的間距和深度兩種排水固結的方法設置間距一般以1.21.5m為宜,當然有的間距用到0.81.0m。但過密時,由于已地基加固,施工不易,加之過多地破壞原有地層強度反而降低,尤其是初期更是如此。而加固長度考慮壓縮層深度問題,一般軟土層較淺可穿過此層達到硬層,當軟土層過厚,一般可采用1520m長。實驗證明這種懸掛式的袋裝砂井加固厚淤泥層,一般達到壓縮層深度即可。此外如果在含水量較高的超軟弱的軟土地區,還可加鋪預應力土工布。它能增加地基穩定性,減小沉降量,且其施工方便,增加造價不多而其效果卻好,必要時還可以加

8、鋪土工格柵,提高路堤抗剪能力,減少滑移機遇,并可增強土基整體承載能力;有時還可以輔以反壓護道,這些措施在深汕試驗工程中都采用過,取得了很好效果。2.2復合地基處理軟基復合地基是用專門機械將固化劑、水泥、石灰或摻加粉煤灰單一的或混合物噴出后,在地基深處就地與軟土強制攪拌,利用固化劑和軟土間發生的一系列物理化學作用,在原地基中形成強度、剛度較大的加固樁體,同時也使樁周土體性質得到改善,使樁體與樁間土體形成復合地基共同承擔外部荷載。可實現穩定條件下的快速填土。這些加固土樁,僅考慮樁的置換作用、應力集中效應,進而減少總沉降量,但不考慮加固土樁加塊地基的排水固結速度和對地基的擠密作用。加固土樁按施工劃分

9、有拌和法和粉噴法。廣東省佛開高速公路因征地工作原因推遲了路基施工時間,由于工期制約,在橋頭高路堤地段只有采取粉噴樁以增大地基承載力,提高路堤穩定性,緩解橋頭跳車現象。廣珠高速公路番禺靈山試驗工程除橋頭路堤使用外并在涵洞底和兩側用懸置式短粉噴樁使涵洞有控制地均勻下沉,并減小涵洞與其兩側差異沉降。水泥漿噴射樁增在廣佛擴建工程中使用過。2.2.1材料及其制備加固土樁所使用的固化材料可以用漿狀的如石灰漿、水泥漿、二灰漿等,也可以用粉狀的如生石灰、干水泥、干NCS固化劑。雖然粉狀較漿狀效果好,但其機械設置復雜些,粉塵污染也大。加固土樁固化材料的用量,如水泥用量與軟土天然重之比宜大于7%15%,一般用10

10、%15%。當用拌合樁時的水灰比,宜選用0.40.5。而先在試驗室進行配比試驗,再用技術經濟論證比較,擇優選用。2.2.2樁的直徑、間距、長度和加固寬度加固土樁普通采用的直徑為50cm,相鄰樁的凈距不應大于樁徑的4倍,但實際上凈距多用1.01.2m,相當于樁徑的22.4倍。樁的深度如軟土層厚不大可穿透軟土層,如軟土層厚,也可采用懸掛式的。因目前限于施工機號,最大深度一般只可達到1518m。深層拌和樁僅適用于地基十字板抗剪強度不大于45kPa的土層,嚴格來說樁的直徑、間距、深度均應經穩定驗算確定,并滿足于工后沉降的要求,而加固寬度至少應為路基底寬。對于懸掛樁因復合地基承載力與加固土樁長度有關,即樁

11、長越長地基承載力越高。為了保證有足夠承載力,所以必需有足夠的樁長。2.2.3粉噴樁的施工及質量檢驗粉噴樁為保證質量應嚴格控制固化劑用量、樁長、施工工藝和速度。通常采用兩次施工工藝,即對準樁位,樁頭下沉預攪拌達到設計標高后噴粉攪拌邊升邊噴粉,邊攪拌至地面,停止噴粉重復攪拌至設計深度重復攪拌提升至原地面移位至下根樁位。成樁速度采用0.45m/min(提升噴粉)最大壓力宜用0.250.30MPa。送風量宜用5070m3/h。粉噴樁的質量檢驗應在粉噴成樁28d后進行。目前粉噴樁的成樁質量檢驗方法有:靜載荷試驗、N10輕便觸探試驗、N63.5標準貫入試驗、彈性波動測試及樁身抽芯檢查等。各種方法的特點是:

12、靜載荷試驗是最為可靠、直接的方法,對施工過程缺乏及時的指導、監督作用,試驗時間長、操作繁瑣、費用較大,不宜大量采用;N10輕便觸探試驗操作簡便、數據直接,可以及時地指導施工過程,便于大量采用,但通常只能作樁頂以上5m以內的檢驗,只能用一周內的試驗結果推斷后期的強度;N63.5標準貫入試驗數據直接,但操作繁瑣,對檢驗樁造成破壞,不宜廣泛采用;彈性波動測法試驗方法簡便快速,但目前還不太成熟;抽芯檢驗較為直觀、可靠,但操作繁瑣、費用較大。此外開挖檢查,也只能是一定深度進行。在廣東省境內佛山開平高速公路結構物軟基粉噴樁處理工程中,由于數量大(全線粉噴樁約50萬延米)、工期短(3個月)、施工單位多(5家

13、)、施工機械多(粉噴樁機約40臺),為完善管理、控制質量,選取一種或幾種既方便又能真實地反映施工質量的檢驗方法尤為重要。為此,廣東省航務工程總公司巖土公司在負責施工的佛開高速公路第三合同段鉆孔取關原狀淤泥的物理、力學性質指標匯總結果見表1。結構物粉噴樁工程中在成樁后分別采用上述五種方法及室內攪拌試驗進行質量自檢,試驗結果見表2。表1原狀土的物理、力學性質指標（略）表2成樁自檢統計結果（略）N10輕便觸探可檢驗成樁一周內樁頂以下5m范圍內樁體質量。通常由于砂墊層或原表土“硬殼層”與水泥攪拌后強度較高,成樁一周內檢驗時,輕便觸探難以空透此層。對此可采用鋼釬等在成樁后短時間內打設一直徑約5cm穿透該

14、硬層的“預留孔”,等到規定的試驗齡期后在此預留孔中作N10輕便觸探試驗,以順利獲取硬層以下粉噴樁的試驗數據。以上試驗結果還表明現場抽芯無側限抗壓強度低于室內同齡期無側限抗壓強度,這除了現場實際成樁無法象室內攪拌那樣均勻外,還由于水泥土在土中強度增長較慢,通常28d齡期時強度僅達到其標準強度的60%左右。以上五種成樁質量檢驗方法各有利弊。經過反復比較后,認為:采用N10輕便觸探(檢驗樁數占總樁數的2%左右)聯合少量載荷試驗(每個結構物12個)既可以在施工初期(成樁后17天)對樁身質量進行較大量的抽查,將發現的問題及時進行處理,以便于調整施工參數,以檢驗設計的合理性和施工的可靠性。通過五種方法的對

15、比結果來看,當樁身1天齡期N10大于15擊或7天齡期N10擊數大于天然地基N10擊數的1倍,樁身強度即可滿足要求。2.3真空聯合堆載預壓處理軟基2.3.1真空預壓的機理和施工工藝程序2.3.1.1先在加固軟基上鋪設水平排水墊層,用砂、礦碴、碎石碴均可;2.3.1.2在此墊層下施打袋裝砂井或塑料排水板;2.3.1.3將不透氣的密封薄膜鋪蓋在墊層上;2.3.1.4借助在墊層上埋設的鋼管或塑料管道,通過在地面上安裝的射流真空泵,將薄膜下土體中的空氣和水抽出,由于形成真空而產生的負壓,使土體得以排水固結,從而達到加固地基的目的。2.3.2真空聯合堆載預壓的特點與效果真空聯合堆載預壓是真空預壓與堆載預壓

16、兩種軟基加固方法同時實施的聯合工法。它的特點是真空一開始,土體固結加快,在其強度提高的時候,可加快填土速度,縮短工期,而不至在施工時發生滑移。同時因填土速度加快,又加上相當于45m超載土方的真空預壓荷載,可使施工期的沉降速度加快,又減小次固結沉降,可使工后沉降大為減少。2.3.3使用條件和注意事項真空預壓一般用于無透水土層中和均質型粘性土及僅夾薄砂層的粘土地基中。當處理地層中有充足水源補給的透水層時,要采用封閉式板樁墻,封閉式板柱墻加溝內覆水或其它密封措施來隔斷透水層。每塊預壓區真空泵臺數以試驗工程的試驗配備,但至少應有兩臺。密封膜要采用抗老化性能和韌性好,抗穿刺能力強的不透氣材料。其熱合時宜

17、用兩條熱合縫平搭接,搭接長度應大于15mm。密封膜宜鋪3層,覆蓋膜周邊可采用挖溝折鋪、平鋪并用于粘土壓邊,圍墻溝內覆水以及膜水全面覆水等方法進行密封。2.3.4質量檢驗真空預壓質量檢驗的項目有:(1)真空度測試,通過埋設在墊層中的真空度儀測定,一般設計要求標準為6070kPa。(2)孔隙水壓力測試,通過埋設在土體內不同深度的孔隙水壓力儀來測定,每天測23次,以全面測試抽填過程中土體內孔隙水壓力的變化。(3)表面沉降觀測,在袋裝砂井施工時和真壓預壓后均要進行表面沉降觀測,以了解沉降速率、總沉降量和地基平均固結度。(4)側向位移觀測:由于真空預壓使路基中心形成負壓區、即相當于土體上施加了圍壓,此時

18、側向位移表現為向路基中心移動的趨向,有利于路基穩定。而在填土時側向位移可能指向路基外但其位移量小,不會危及路基安全。故可以說在整個施工過程中,路基不會發生滑移。(5)其他檢驗項目:預壓后的地基應進行十字板抗剪強度試驗及室內土工試驗,以檢驗地基強度,了解處理效果。2.3.5效果評價采用真空預壓后的效果,根據試驗工程來看有:2.3.5.1保證填土安全,縮短填土期限。一般在打完袋裝砂井后10天即可完成真空預壓的設備安裝,而真空預壓20天地基土中孔隙水壓平均減少20kPa,這樣可一次性加載填土3.0m。這樣地基土固結加快可滿足連續加載填土的條件,故在此真空聯合堆載預壓作用下60天內能安全加載到設計路堤

19、標高,相當于堆載預壓180天方能達到的目的,因而大大縮短了填土期限。2.3.5.2加快固結減小工后沉降。在真空聯合堆預壓作用下沉降速率一般都在20mm/d以上,是堆載預壓沉降速率68mm/d的2.53.0倍以上,顯著加快了固結沉降。同時相當于4.05.0m超載的真空荷載作用下,次固結沉降會減少40%50%,因此到路面完工時能完全控制工后沉降在20cm以內。2.4軟土施工中的新技術2.4.1高壓水切割消淤這里所謂淤泥是專指水渠、水塘、河道中的底部大都約有厚3060cm的浮泥。它由大量草根、樹葉類腐植質、魚蝦糞便等有機質與粘土混雜形成的膠體物質。如不將其清除會使路堤處因其滲透性極差,會嚴重阻止孔隙

20、水排除而延長固結時間;并對整個地基抗滑穩定性起到破壞作用;以及因其缺氧狀態下,由細菌作用發生氧化,而以沼氣形態泄出會使路堤下沉,使工后沉降加大,故在施工時必加以清除,以往用挖除法和擠淤法,不僅費用高,且因其難度大,不易清除干凈。高壓水切割清淤法是用高壓噴射水槍沿水平方向切刮浮泥,并將其溶于水流中形成泥漿,再用泥漿泵送到計劃堆放到低洼的地方。這樣所切割的土面,經吹曬12天表面含水量降低后,即可進行回填土施工。此法施工方便、效率高、質量可靠、設備簡單、故易于推廣。2.4.2薄層輪加填筑路堤軟土路堤施工為了要保證安全、穩定、因而對高路堤通常采用分級填筑,一般按極限高度作為首級加載,再按平均固結度為0

21、.40.6確定預壓時間和相應下一級填土高度。但在要求達到總固結較大,要求預壓時間也較長,相應下一級加荷高度也較大,因此加荷級數常為23次。而實際施工中,每層填土高度皆受輾壓機具制約,如能結合施工輾壓厚度和施工組織計劃,充分利用每一薄層加載地基土的強度增長,采用增加荷載次數減少每層荷載(即輾壓厚度約為0.30.4m)的辦法即所用薄層輪加法是充分利用地基強度增長,縮短加荷時間可以達到安全快速施工并可充分利用施工機具,所以又是一種經濟合理的科學施工方法。但見于軟土層工程地質條件十分復雜,因此對于高路堤地段在施工期間能在代表性地段設置儀器監控并及時觀測,使其對沉降和滑移速率均在允許范圍內,以確保施工加載安全。2.4.3高強度振動壓實深汕四標段試驗工程用YZT16型振動壓路機輾壓路堤,一次碾壓厚度可達5060cm。它外型輾寬2070mm,激振力分40t、60t兩種,有平滾式和平足式的。行走速度為25km/h。如鋪土0.5m輾壓68遍壓實度可達到大于95%。每工作臺班工效為5000m3壓實土,長度可輾300m。采用這種高強度振動壓實機械,產量高,可加快施工進度,加之由于一次填土較厚對上面平整要求不高,一般情況可不用平地機、可直接推土機整平,因此用推土機,強振動輾,大型運載汽車即可組