路基工程软土地基处理设计方法的比选与研究

摘 要：路基工程中软土地基处理，是路基工程设计的关键。由于现有的软土路基的施工方法比较成熟，所以在对软土路基处理进行设计时，其难点在于根据软基现场的实际情况，选择最经济且处理效果最好的处理工艺。本文以武汉市中北路延长线工程软土地基处理设计为例，主要从适用范围、处理效果、工期及造价等方面，对软基处理方法进行了比选和探讨

关键词：软土地基；路基沉降；水泥搅拌桩

中图分类号：U416文献标识码： A 文章编号：

一、工程概况

中北路延长线工程位于武汉市杨春湖城市副中心、东湖风景区北侧，西起二环线红庙立交以东，东至三环线青化立交，设计道路长度4.77km，不包含红庙立交和青化路立交。工程内容包括：高架桥建设、地面道路建设、二环至工业大道段已建道路改造、排水管道、景观绿化、交通设施、照明工程等。

全线道路路基约308271平方米 位于现状湖塘地共66650平方米，由于软土地基处理数量较大，所以需对含高架桥内路堤在内的道路软基处理作为设计的重点进行研究。

二、软土地基处理标准

沥青路面设计使用年限（沉降计算基准期）：15年。

容许工后沉降：主线桥桥台与路堤相邻处≤10cm；匝道桥桥台与路堤相邻处≤20cm；一般路段≤30cm。

路堤稳定：采用总应力法计算稳定安全系数F，地基抗剪强度采用直剪快剪指标，稳定安全系数>1.25。

三、软土地基处理方案比较

常规的软土地基处理主要针对软土地基本身处理，如等载或超载预压处理、真空预压、塑料排水板等方法，这些方法着眼于加速软土地基施工期间的固结，提高复合地基承载力，存在施工工期较长等缺点。由于本工程要求工期短，所以不适宜本工程采用。

根据武汉地区的工程实践，现重点比较水泥土搅拌桩（复合地基）、现浇混凝土薄壁管桩（刚性桩）、CFG桩复合地基和EPS四种软土地基处理方案。前三者针对软土地基进行处理，后者针对填料进行处理。

1、水泥土搅拌桩

该方法为武汉地区最常用的处理方法，平面上水泥土搅拌桩三角形布置，桩径0.5m，桩长20m（湿法极限长度），桩间距1.1m，面积置换率18.7%，水泥土搅拌桩水泥掺量18%，90天龄期桩体无侧限抗压强度1.2MPa。按地基处理后复合地基复合模量仍用分层总和法计算沉降，并用经验系数修正。

2、现浇混凝土薄壁管桩

现浇混凝土薄壁管桩的成桩工艺采用振动沉腔灌注法，该方法依靠沉腔上部锤头的振动力将内外双层套管所形成的环形腔体沉入设计深度，在腔体内灌注混凝土，之后振动拔管。环形域中土体与外部的土体之间便形成混凝土管桩，采用该工艺在施工过程中由于振动、挤压和排土使得环形腔体魔板中的土芯和桩间一定范围内的土体密实。

薄壁管桩与土体作用为刚性复合地基，沉降变形很小，基本可以不考虑复合层的变形。在计算时只计算加固层以下附加应力的分布及相应变形。根据计算，软弱下卧层以下各层工后沉降仅为5cm左右，能满足规范要求。

3、CFG桩复合地基

CFG桩复合地基粘结强度桩是复合地基的代表，目前多用于高层和超高层建筑中。CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称（即cementfIying-ashgravelpile）。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间士、褥垫层一起形成复合地基。CFG桩复合地基通过褥垫层与基础连接，无论桩端落在一般土层还是坚硬土层，均可保证桩间土始终参与工作。由于桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩间士表面应力大。桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少了桩间土承担的荷载。

夯实水泥土桩是用人工或机械成孔，选用相对单一的土质材料，与水泥按一定配比，在孔外充分拌和均匀制成水泥土，分层向孔内回填并强力夯实，制成均匀的水泥土桩。桩、桩间土和褥垫层一起形成复合地基。夯实水泥土桩作为中等粘结强度桩，不仅适用于地下水位以上淤泥质土、素填土、粉土、粉质粘土等地基加固，对地下水位以下情况，在进行降水处理后，采取夯实水泥土桩进行地基加固，也是行之有效的一种方法。夯实水泥土桩通过两方面作用使地基强度提高，一是成桩夯实过程中挤密桩间土，使桩周土强度有一定程度提高，二是水泥土本身夯实成桩，且水泥与土混合后可产生离子交换等一系列物理化学反应，使桩体本身有较高强度，具水硬性。处理后的复合地基强度和抗变形能力有明显提高。

4、EPS轻质路堤

近年来，超轻质路基填料聚苯乙烯泡沫（expanded polystyrene Sheet，简称EPS）也逐渐在道路工程推广使用。EPS材料具有轻质、高强、较强的化学稳定性、耐压缩性、自立性、耐水性、良好的力学性能和施工简单、方便、快捷等优点。目前应用较多的轻质材料粉煤灰密度为1140kg／m3左右。相比之下 EPS密度仅为粉煤灰、二灰填料的1／50～1／100。基本不产生什么附加荷载。

根据有关实验资料，在轮载作用下，EPS层顶面压应力较小，变形基本为弹性变形，随埋置深度加深，EPS层顶面压应力先增大后迅速减小，埋深10cm时为最大，如果EPS埋深太小，轮载作用下竖向应力大，其压缩应变相应较大，即其弹性变形大，在轮载反复作用下，沥青路面反复产生弹性变形，而桥梁结构为刚性基本不变形，桥台路堤相接处沥青砼面层因变形不同而开裂。可见，保证一定的埋置深度是必须的，当埋置深度达到80cm，其变形不会引起路面开裂。

本工程台后填土高度2m如采用EPS轻质填料，其路面结构由上至下依次为：沥青砼面层，桥头搭板，水泥稳定垫层，其下为EPS轻质填料，分层铺设透水性土工布。换算填土高度约1m，计算工后沉降基本满足规范要求。

软基处理三种方案优缺点如下表：

四、软土地基处理推荐方案

1、双向钉形水泥土搅拌桩方案

根据本工程地质条件、工期要求，当软土地基厚度大于3m时，推荐采用水泥土搅拌桩处理软基路段。当软土地基厚度≤3m，也就是所谓的浅层淤泥，可直接对淤泥采取换填的方式处理。

本项目软土深度较深，对于这种大规模软土地基深层处理，在满足规范要求和完工后沉降和稳定性的前提下，还应充分考虑工程造价和工期要求。针对这种情况，本项目深层淤泥处理拟采用了双向钉形水泥土搅拌桩来处理软基。

双向钉形水泥土搅拌桩是通过对现有的常规水泥土搅拌桩成桩机械进行简单改造，配上专用的动力设备及多功能钻头，采用同心双轴钻杆，在内钻杆上设置正向旋转叶片并设置喷浆口，外钻杆上安装反向旋转叶片。通过外杆上叶片反向旋转过程中的压浆作用和正反向旋转叶片同时双向搅拌水泥土的作用，阻断水泥浆上冒途径，保证水泥浆在桩体中均匀分布和搅拌均匀，确保成桩质量。

双向钉形水泥土搅拌桩由于桩身强度的大幅度提高及桩身结构的更趋合理，它能搅拌均匀，上层叶片的同时反向旋转，阻断了水泥浆上冒途径，强制对水泥浆就地搅拌，冒浆现象彻底解决；对桩周土体扰动小，受力合理，能将上部荷载传到地基深处，减小复合地基沉降，与常规水泥土搅拌桩相比复合效果更佳，从现有的工程实例看，其综合经济效益比常规水泥土搅拌桩节省投资约15%，并且随着处理软土深度的增加，其经济效益和社会效益越发明显。

2、软土路堤边坡防护处理方案

本工程跨越沿线沟渠、湖泊的桥梁桥头路堤临湖，路基土长期处于地表水浸泡状态，并受波浪冲击影响，土质容易软化，设计时须对堤边坡采取防护措施，可采用浆砌石进行护坡。

3、软土地基路堤临界填土高度的确定

根据规范在软土地基上修筑路堤，需进行承载力验算、稳定验算及沉降计算，根据本工程地质特点，并结合工程周边地区已建其它工程的实际情况，确定清表后原始地基上填土的极限高度，不需要进行地基处理能满足承载力、稳定及沉降三项指标或规范规定的限值，作为路堤临界填土高度。

根据《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》，一般路段容许工后沉降≤0.3m。在填土附加应力作用下，沉降变形主要为主固结沉降，还包括瞬时沉降与次固结沉降，本工程总沉降采用沉降系数m与主固结沉降Sc计算，公式为：。

主固结沉降采用分层总和法计算，压缩层厚度以附加应力与有效自重应力之比不大于0.15或由层底向上1m计算沉降量与总沉降量比值不大于2.5‰确定。

根据以上数据初步估算，当填土高度为2.07m时，工后沉降为29.9cm，即按沉降计算临界填土高度为2.07m。

综上所述，路堤临界填土高度为2.1m，以此标准，确定桥台与路堤相邻处最大填土高度为2m。

五、结论

在工期较短，工后沉降要求较高的条件下，采用水泥搅拌桩对软土地基进行处理，可以达到较好的效果，而且造价也较低。但是，在实际施工过程中，需对水泥搅拌桩的施工工艺和施工参数进行调整，所以，本工程的软土地基处理，需进行动态设计，也就是随着施工的实际进展，对设计图纸进行细化处理，及时反馈以指导施工。

参考文献：

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[5]牛志荣.地基处理技术及工程应用[M].中国建材工业出版社，2004：1～10