4广东公路软土地基处理综述剖析

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1、广东公路软土地基处理综述2004/10/09南方岩土驿站孔祥金（广东省高速公路公司广东广州510100）蒋雪琴（广东省航务工程总公司广东广州510230）摘要阐述了公路软基试验工程的选定及实际运作,同时侧重评述了各种软基处理,如排水固结、复合地基、真空联合堆载预压及一些辅助措施运用在试验工程和取得成果。最后作者择要介绍了已在试验工程运用的新技术、新机具、新工艺的情况。关键词公路软土试验工程处理措施软土地基在广东省最为常见,尤其在珠江三角洲和滨海地区普遍分布。根据我省已建和正建的几条高速公路的资料表明,软土路段是较长的,处理既不容易,造价也相应增加。如已建成的高速公路中,长度为15.7km的广佛

2、高速公路，软土地基路段长4.43km,占全线总里程的29.4%;广深高速公路全长122km,软土地基路段长34km,占全线总里程的28%;佛开高速公路长80km,其中软土地基路段长12.98km,约占全线16.3%,正建的高速公路中，如广州环城高速公路,其中东、南、西环全长38km，处于珠江河网地区，软土地基路段长度占全线80%。而这些软土集中且土层厚,性质差的路段则采用高架桥通过。西部沿海高速公路和广珠高速公路均广泛分布着软土。1 广东软土的分布和特征广东省除粤北以山地为主外,中部有些山区,其余大部为平原,低丘和台地区,尤其在东、西、北江流经之珠江三角洲,地势十分坦荡,河网密布,平原区海岸线

3、长,滩涂多,广泛分布着第四纪更新统和全新统的软土,其厚度、类型均有所不同,可分为三个区。北部丘陵台地区:在北部山地前缘的山间洼地,具支谷软土性状。河流堆积物封闭支谷出口，上部往往堆积着泥炭，有机腐植质，下部分布着面积并不大,厚度约310m的软土层,但具有平纵面变化大,且不连续,而厚度亦不均匀的特性,由于纵横方向的厚度不同,因此多呈锅底状。处理时要注意这种特性,要防止路基滑移,除作表层换填、深层处理外,可用反压炉道、边坡护堤等进行支挡,以保持中基的稳定。中部珠江三角洲区:该区几占全省面积的一半,地势平坦开阔,除有个别残丘外,是典型的平原地貌,区内河流纵横、水网密布。在长期地质营力下,软土面积大、

4、土层厚、尤其是江河两岸更是如此。土质差,各项指标低,处理难度大,路基填料需要远运,故处理软基较为昂贵。南部滨海区:我省海岸线很长,海滩、沙堤,且流动性颇大,所以软土中央有薄砂层、砂与粘土互层,赋存在软土层中的这种砂夹层对横向排水有利,可以加速固结。但要注意这种砂层厚薄不一,因此在进行软土地基处理设计时要考虑这种特点。根据以上软土分区特征可以看出:软土的特征由于受地形,地质生成条件和环境的不同,故无论在分布面积、深度、成层厚度而有明显的差别,土质复杂多样。因此我们对软土地区有勘察时,要对其工程地质作深入调查研究,作出正确评价。在设计时应按土质特性,因地制宜,因材制宜,优选方案,分别作出处理设计。

5、1.1 软基处理方法排水固结处理软基公路软基的处理要综合考虑经济适用,稳妥可行,施工简便的方法,首选是排水固结,它是通过在软土地基设置的竖向排水体,改设原有地基的边界条件,增加孔隙水的排除途径,大大缩短了固结时间,一般采用袋装砂井和塑料排水板配合砂垫层来达到上述目的。1.1.1 袋装砂井它是用聚丙烯、聚乙烯等长链聚合物编织而成,由于具有足够的抗拉强度,耐腐蚀,便于制作,对人体无害,价格较低等特点故应用普遍，其渗透系数应不小于内装砂之渗透系数，一般大于5X10-3cm/s,所用的砂应为中粗砂，大于0.5mm颗粒粒径含量宜占总含量50%以上,含泥量不应大于3%。袋装砂井的直径一般采用7cm。1.1

6、.2 塑料排水板它一般是由芯板和滤套共同组成板体,芯板是由聚乙烯或聚丙烯加工而成的多孔管道,应有足够的抗拉强度不小于130N/cm。当周围土体压力在15m深度范围内不大于250kPa,或在大于15m范围内不大于350kPa的条件下,其排水能力不低于30cm3/s,并有足够柔性和抗腐性,这样才能保证排水板在地下的耐久性,并在土体固结变形时不致折断或破裂,而滤套一般是由无纺织布制成并具有隔离土粒渗透能力,应等效于0.025mm孔隙，其最小自由透水表面积宜为1500cm/m2,渗透系数不应小于5X10-3cm/s。它具有排水固结效果好，质量稳定,施工快，成本低等优点。标准型塑料排水板尺寸为宽100c

7、m;厚34cm,试验证明它与7cm的袋装砂井效果相同。1.1.3 两种方法采用的间距和深度两种排水固结的方法设置间距一般以1.21.5m为宜，当然有的间距用到0.81.0m。但过密时，由于已地基加固,施工不易,加之过多地破坏原有地层强度反而降低,尤其是初期更是如此。而加固长度考虑压缩层深度问题，一般软土层较浅可穿过此层达到硬层，当软土层过厚，一般可采用1520m长。实验证明这种悬挂式的袋装砂井加固厚淤泥层，一般达到压缩层深度即可。此外如果在含水量较高的超软弱的软土地区，还可加铺预应力土工布。它能增加地基稳定性，减小沉降量，且其施工方便，增加造价不多而其效果却好，必要时还可以加铺土工格栅，提高路

8、堤抗剪能力，减少滑移机遇，并可增强土基整体承载能力;有时还可以辅以反压护道，这些措施在深汕试验工程中都采用过，取得了很好效果。1.2 复合地基处理软基复合地基是用专门机械将固化剂、水泥、石灰或掺加粉煤灰单一的或混合物喷出后，在地基深处就地与软土强制搅拌，利用固化剂和软土间发生的一系列物理化学作用，在原地基中形成强度、刚度较大的加固桩体，同时也使桩周土体性质得到改善，使桩体与桩间土体形成复合地基共同承担外部荷载。可实现稳定条件下的快速填土。这些加固土桩，仅考虑桩的置换作用、应力集中效应，进而减少总沉降量，但不考虑加固土桩加块地基的排水固结速度和对地基的挤密作用。加固土桩按施工划分有拌和法和粉喷法

9、。广东省佛开高速公路因征地工作原因推迟了路基施工时间，由于工期制约，在桥头高路堤地段只有采取粉喷桩以增大地基承载力，提高路堤稳定性，缓解桥头跳车现象。广珠高速公路番禺灵山试验工程除桥头路堤使用外并在涵洞底和两侧用悬置式短粉喷桩使涵洞有控制地均匀下沉，并减小涵洞与其两侧差异沉降。水泥浆喷射桩增在广佛扩建工程中使用过。1.2.1 材料及其制备加固土桩所使用的固化材料可以用浆状的如石灰浆、水泥浆、二灰浆等,也可以用粉状的如生石灰、干水泥、干NCS固化剂。虽然粉状较浆状效果好,但其机械设置复杂些,粉尘污染也大。加固土桩固化材料的用量,如水泥用量与软土天然重之比宜大于7%15%,般用10%15%。当用拌

10、合桩时的水灰比，宜选用0.40.5。而先在试验室进行配比试验,再用技术经济论证比较,择优选用。1.2.2 桩的直径、间距、长度和加固宽度加固土桩普通采用的直径为50cm,相邻桩的净距不应大于桩径的4倍，但实际上净距多用1.01.2m,相当于桩径的22.4倍。桩的深度如软土层厚不大可穿透软土层,如软土层厚,也可采用悬挂式的。因目前限于施工机号，最大深度一般只可达到1518m。深层拌和桩仅适用于地基十字板抗剪强度不大于45kPa的土层,严格来说桩的直径、间距、深度均应经稳定验算确定,并满足于工后沉降的要求,而加固宽度至少应为路基底宽。对于悬挂桩因复合地基承载力与加固土桩长度有关,即桩长越长地基承载

11、力越高。为了保证有足够承载力,所以必需有足够的桩长。1.2.3 粉喷桩的施工及质量检验粉喷桩为保证质量应严格控制固化剂用量、桩长、施工工艺和速度。通常采用两次施工工艺,即对准桩位，桩头下沉预搅拌一达到设计标高后喷粉搅拌一边升边喷粉，边搅拌至地面,停止喷粉一重复搅拌至设计深度一重复搅拌提升至原地面一移位至下根桩位。成桩速度采用0.45m/min（提升喷粉）最大压力宜用0.250.30MPa。送风量宜用5070m3/h。粉喷桩的质量检验应在粉喷成桩28d后进行。目前粉喷桩的成桩质量检验方法有:静载荷试验、N10轻便触探试验、N63.5标准贯入试验、弹性波动测试及桩身抽芯检查等。各种方法的特点是:静

12、载荷试验是最为可靠、直接的方法，对施工过程缺乏及时的指导、监督作用，试验时间长、操作繁琐、费用较大,不宜大量采用；N10轻便触探试验操作简便、数据直接,可以及时地指导施工过程,便于大量采用，但通常只能作桩顶以上5m以内的检验，只能用一周内的试验结果推断后期的强度;N63.5标准贯入试验数据直接,但操作繁琐,对检验桩造成破坏,不宜广泛采用;弹性波动测法试验方法简便快速,但目前还不太成熟；抽芯检验较为直观、可靠,但操作繁琐、费用较大。此外开挖检查,也只能是一定深度进行。在广东省境内佛山开平高速公路结构物软基粉喷桩处理工程中,由于数量大（全线粉喷桩约50万延米）、工期短（3个月）、施工单位多（5家）

13、、施工机械多（粉喷桩机约40台）,为完善管理、控制质量,选取一种或几种既方便又能真实地反映施工质量的检验方法尤为重要。为此,广东省航务工程总公司岩土公司在负责施工的佛开高速公路第三合同段钻孔取关原状淤泥的物理、力学性质指标汇总结果见表1。结构物粉喷桩工程中在成桩后分别采用上述五种方法及室内搅拌试验进行质量自检,试验结果见表2。表1原状土的物理、力学性质指标（略）表2成桩自检统计结果（略）N10轻便触探可检验成桩一周内桩顶以下5m范围内桩体质量。通常由于砂垫层或原表土“硬壳层”与水泥搅拌后强度较高,成桩一周内检验时,轻便触探难以空透此层。对此可采用钢钎等在成桩后短时间内打设一直径约5cm穿透该硬

14、层的“预留孔”，等到规定的试验龄期后在此预留孔中作N10轻便触探试验，以顺利获取硬层以下粉喷桩的试验数据。以上试验结果还表明现场抽芯无侧限抗压强度低于室内同龄期无侧限抗压强度，这除了现场实际成桩无法象室内搅拌那样均匀外,还由于水泥土在土中强度增长较慢，通常28d龄期时强度仅达到其标准强度的60%左右。以上五种成桩质量检验方法各有利弊。经过反复比较后,认为:采用N10轻便触探（检验桩数占总桩数的2%左右）联合少量载荷试验（每个结构物12个）既可以在施工初期（成桩后17天）对桩身质量进行较大量的抽查,将发现的问题及时进行处理,以便于调整施工参数,以检验设计的合理性和施工的可靠性。通过五种方法的对比

15、结果来看，当桩身1天龄期N10大于15击或7天龄期N10击数大于天然地基N10击数的1倍,桩身强度即可满足要求。1.2.3.1 真空联合堆载预压处理软基真空预压的机理和施工工艺程序先在加固软基上铺设水平排水垫层,用砂、矿碴、碎石碴均可;在此垫层下施打袋装砂井或塑料排水板;将不透气的密封薄膜铺盖在垫层上;借助在垫层上埋设的钢管或塑料管道,通过在地面上安装的射流真空泵,将薄膜下土体中的空气和水抽出,由于形成真空而产生的负压,使土体得以排水固结,从而达到加固地基的目的。1.2.4 真空联合堆载预压的特点与效果真空联合堆载预压是真空预压与堆载预压两种软基加固方法同时实施的联合工法。它的特点是真空一开始

16、,土体固结加快,在其强度提高的时候,可加快填土速度,缩短工期,而不至在施工时发生滑移。同时因填土速度加快,又加上相当于45m超载土方的真空预压荷载,可使施工期的沉降速度加快，又减小次固结沉降,可使工后沉降大为减少。1.2.5 使用条件和注意事项真空预压一般用于无透水土层中和均质型粘性土及仅夹薄砂层的粘土地基中。当处理地层中有充足水源补给的透水层时,要采用封闭式板桩墙,封闭式板柱墙加沟内覆水或其它密封措施来隔断透水层。每块预压区真空泵台数以试验工程的试验配备,但至少应有两台。密封膜要采用抗老化性能和韧性好,抗穿刺能力强的不透气材料。其热合时宜用两条热合缝平搭接，搭接长度应大于15mm。密封膜宜铺

17、3层,覆盖膜周边可采用挖沟折铺、平铺并用于粘土压边,围墙沟内覆水以及膜水全面覆水等方法进行密封。1.2.6 质量检验真空预压质量检验的项目有:(1)真空度测试,通过埋设在垫层中的真空度仪测定,一般设计要求标准为6070kPa。(2)孔隙水压力测试,通过埋设在土体内不同深度的孔隙水压力仪来测定,每天测23次,以全面测试抽填过程中土体内孔隙水压力的变化。(3)表面沉降观测,在袋装砂井施工时和真压预压后均要进行表面沉降观测,以了解沉降速率、总沉降量和地基平均固结度。(4)侧向位移观测:由于真空预压使路基中心形成负压区、即相当于土体上施加了围压,此时侧向位移表现为向路基中心移动的趋向,有利于路基稳定。

18、而在填土时侧向位移可能指向路基外但其位移量小,不会危及路基安全。故可以说在整个施工过程中,路基不会发生滑移。(5)其他检验项目:预压后的地基应进行十字板抗剪强度试验及室内土工试验,以检验地基强度,了解处理效果。1.2.7 效果评价采用真空预压后的效果,根据试验工程来看有:1.2.7.1 保证填土安全,缩短填土期限。一般在打完袋装砂井后10天即可完成真空预压的设备安装,而真空预压20天地基土中孔隙水压平均减少20kPa,这样可一次性加载填土3.0m。这样地基土固结加快可满足连续加载填土的条件,故在此真空联合堆载预压作用下60天内能安全加载到设计路堤标高,相当于堆载预压180天方能达到的目的,因而

19、大大缩短了填土期限。2.3.5.2加快固结减小工后沉降。在真空联合堆预压作用下沉降速率一般都在20mm/d以上,是堆载预压沉降速率68mm/d的2.53.0倍以上，显著加快了固结沉降。同时相当于4.05.0m超载的真空荷载作用下，次固结沉降会减少40%50%,因此到路面完工时能完全控制工后沉降在20cm以内。1.2.8 软土施工中的新技术高压水切割消淤这里所谓淤泥是专指水渠、水塘、河道中的底部大都约有厚3060cm的浮泥。它由大量草根、树叶类腐植质、鱼虾粪便等有机质与粘土混杂形成的胶体物质。如不将其清除会使路堤处因其渗透性极差,会严重阻止孔隙水排除而延长固结时间;并对整个地基抗滑稳定性起到破坏

20、作用;以及因其缺氧状态下,由细菌作用发生氧化,而以沼气形态泄出会使路堤下沉,使工后沉降加大,故在施工时必加以清除,以往用挖除法和挤淤法,不仅费用高,且因其难度大,不易清除干净。高压水切割清淤法是用高压喷射水枪沿水平方向切刮浮泥,并将其溶于水流中形成泥浆,再用泥浆泵送到计划堆放到低洼的地方。这样所切割的土面,经吹晒12天表面含水量降低后,即可进行回填土施工。此法施工方便、效率高、质量可靠、设备简单、故易于推广。1.2.9 薄层轮加填筑路堤软土路堤施工为了要保证安全、稳定、因而对高路堤通常采用分级填筑,一般按极限高度作为首级加载,再按平均固结度为0.40.6确定预压时间和相应下一级填土高度。但在要

21、求达到总固结较大,要求预压时间也较长,相应下一级加荷高度也较大,因此加荷级数常为23次。而实际施工中,每层填土高度皆受辗压机具制约,如能结合施工辗压厚度和施工组织计划,充分利用每一薄层加载地基土的强度增长,采用增加荷载次数减少每层荷载（即辗压厚度约为0.30.4m）的办法一即所用薄层轮加法是充分利用地基强度增长，缩短加荷时间可以达到安全快速施工并可充分利用施工机具,所以又是一种经济合理的科学施工方法。但见于软土层工程地质条件十分复杂,因此对于高路堤地段在施工期间能在代表性地段设置仪器监控并及时观测,使其对沉降和滑移速率均在允许范围内,以确保施工加载安全。2.4.3高强度振动压实深汕四标段试验工

22、程用YZT16型振动压路机辗压路堤，一次碾压厚度可达5060cm。它外型辗宽2070mm，激振力分40t、60t两种，有平滚式和平足式的。行走速度为25km/h。如铺土0.5m辗压68遍压实度可达到大于95%。每工作台班工效为5000m3压实土，长度可辗300m。采用这种高强度振动压实机械,产量高，可加快施工进度，加之由于一次填土较厚对上面平整要求不高，一般情况可不用平地机、可直接推土机整平，因此用推土机，强振动辗，大型运载汽车即可组成一套产量高，效果好，组合简单，易于管理的机动灵活的填方机械。2.4.4 土工布施加预应力铺设在砂垫层和袋装砂井施工完毕后，进行土工布横向铺设（布纵轴与路中心垂直

23、），横向铺设搭接宽度为3050cm,并利用自制专门机械对土工布施加预应力300kg/m。然后锚固土工布两端，再填土。其顺序是先填土工布两端、再填中间，这样对施加的预应力在施工过程中损失最小，如无专门机械，也可用人工拉装。2.4.5 回填过渡层过渡层实际为持力层，它是在清淤后回填约厚1.0m砂性土层,起着应力扩散作用，以便施工机械进入现场作业。因为此砂性土经辗压后有较高强度和稳定性，考虑到软土路基的沉降和横向排水，过渡层的横向坡度应大于2.5%。在过渡层上再加上砂垫层即可起着排水作用，如不设过渡层，砂垫层部分会陷入地面以下，其效果会减弱。3结语目前我省公路软基处理又在粤东汕汾高速公路结合强震区砂

24、土液化的处理,又采用了强夯、振冲法挤密砂桩两种方法进行试验,并以袋装砂井和塑料排水板并加土工织物作出对比试验。此外对软土土质特性的了解，不仅限于土工试验和原位测验，还在采用电子显微镜对土体微结构扫描和利用X衍射分析对软土矿物成分进行分析,从中确定对软基合理处理的内涵,这是除从土质物理、力学、水理性质外更进一步了解软土的微结构及组成矿物，因为高含水量低强度的软土，与其息息相关，并在处理软土时考虑它们，充分利用土体固结速度的特点，采用合理加固措施，以期取得经济、快速、有效的加固结果。其次是建立软土方面的数据库和专家系统方面的工作，即充分利用计算机技术，在选择加固处理方法，进行稳定和沉陷分析，作出优选判断。目前设计，施工监测系统方面已在我省开始，还需要继续持久地深入下去，以便为生产和科研服务。