关于道路软基创新处理方法的技术经济探讨

黄 怡

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010）

0 前言

近年来，随着经济的快速发展，城市建设规模不断扩大，需新建或改造的城市道路越来越多。道路建设中遇到的软弱地基处理主要是稳定性和变形两大类问题。软土路基处理方法的选择没有固定的模式但却有一定的原则，这就是要依据土力学原理，结合软土层的组成及指标选择合理可行的方法，达到路基稳定和沉降值符合规范的要求。特别是复杂地基处理应根据不同地质情况全面分析其相关力学指标，结合工程周期采取不同的处理措施，达到技术可行、施工方便、经济实用、稳定可靠的目的。

1 创新地基处理的应用

1.1 创新地基处理的基本原理

由于长江三角洲以及江汉平原地区分布着含水量高，压缩性大，强度低，透水性差，覆盖层厚，埋深浅等特点土质，在路基荷载作用下，软土路基很容易产生承载力不足，沉降量大且不均匀和固结时间长等问题。软土路基处理可选择的方法很多，考虑工期、投资和质量三大影响因素，可按照“时间换金钱，金钱换时间，因地制宜”的原则选择软基处理方法。按照地基处理的作用机理方法归结起来大致分为三大类：土质改良法、土体的置换法、土体的补强法等。笔者通过高真空击密法新型专利技术的实践，在道路或港口、房建等大面积建设中推广一种能够充分加固现状软弱土体,显示其价值和生命力的新型筑路技术，充分体现经济环保、节源、节能的城市建设理念。

高真空击密法采用“压差”理论，使“饱和软土不宜强夯”成为过去，扩大了强夯的应用范围。高真空排水结合数遍变能量击密，人为多遍制造超过一个大气压的“压差”，扩大了规范中真空井点在低渗透性软土排水的应用范围。高真空强制排水形成“负压”主动排水，击密产生的超孔隙水压力为“正压”；通过“压差”作用，加快孔隙水压力的消散，缩短了软土二遍击密间隙时间，间隙时间从规范的“不小于3～4 周”缩短为“5～10 d”，大大缩短了工期。

1.2 从常规演绎至创新的处理方法

黄冈大道起于在建的黄鄂高速公路黄冈收费站，向南下穿武汉至黄冈城际铁路后，与禹王工业园区规划的长江四路、新港北路平面交叉，终点与黄冈市黄州大道连接，全长约6.43 km。道路征地红线宽度60～100 m，是一条城市品牌的景观大道。根据地勘报告揭示的土层及力学指标，黄冈大道道路沿线路基范围内的地质情况见表1，上、下层粉质粘土高含水量低强度，中间“夹心”一层淤泥

本工程原地基处理方案结合黄鄂高速公路的处理经验，清表后采用现状路面反挖80 cm 路床后回填麻料（石渣）。但是在实施过程中受暴雨气候及地下水位影响，一般路段开挖回填麻料时，场地表层翻水严重（见图1）；特殊路段采用水泥搅拌桩施工后桩基及管线开挖时出现了比较严重的坍塌，开挖难度大（见图2）。

图1 路基开挖现状

表1 黄冈大道地质情况一览表

图2 桥梁桩基施工

采取井点降水强排的辅助措施也是“杯水车薪”,没能达到预想的效果（见图3）。考虑到换填处理后路面在后期使用过程中可能出现不均匀沉降导致道路开裂等问题，为了保证黄冈市“迎宾大道”工程质量和工程进度，引进了专利技术地基处理新工艺——高真空击密法进行处理（见图4），不仅达到了预期的目的，而且缩短了工期，节省了工程投资。

图3 采用井点降水

图4 采用高真空击密法

1.3 高真空击密法的工艺

“高真空击密法”软地基处理方法是一种快速加固软土地基的新技术，属于动力主动排水固结法。它通过数遍的高真空压差排水，并结合数遍合适的变能量击密，达到降低土层的含水量、提高密实度和承载力、减少地基工后沉降和差异沉降量的目的，见图5。

设计与施工单位配合先选择地质条件较差的半幅路作为试验段，通过试验确定相关的施工参数，为后期大面积施工提供依据。即确定有关排水参数，包括真空管间距、排水时间、最佳排水措施；确定最佳夯能、击密间距、击密间隔时间、击密次数和遍数等击密工艺和参数。根据试验段成功经验，调整不同地质情况采取不同排水及夯击能相关参数。

具体施工处理工艺为：清表整平场地→施工准备→测量定点（方格网测量标高）真空管布置→管路、泵的连接和密封→开动真空泵排水第一次击密（测量定点）→第二次击密→拆除真空泵平整→满夯场地平整（方格网测量）→交工验收。

根据土层的分布情况采用深层和浅层高真空管分层布置，深管间距3.5 m×3.5 m，长度6 m，浅管间距3.5 m×3.5 m，长度3 m。开始水泵连接纵横向真空管不间断排水约4～5 天，使地下水位降至地面以下2 m 左右后进行第一遍击密，击密过程中不中断排水，然后进行第二次击密，拆除真空管后满夯平整场地并可以进行路床以上结构层的施工，见图6。

根据黄冈大道路幅组成，确定道路处理范围为道路外边线为辅道边线处外扩3 m，内边线为机动车道边线处外扩3 m，中央绿化带不做处理，处理宽度为 6 7 m（33.5 m+33.5 m）。

图5 高真空击密示意图

图6 高真空排水示意图

施工前选最不利路段作为试验段采用专利的高真空系统强制调整土体的含水量，将处理的路基土体逐步接近最优含水量,同时，采用大型击密设备分遍击密需处理的土体，逐步接近最大密实度,并正确计算被处理土体超孔隙水压的消散时间，合理确定土体每遍击密的固结回复时间，严防“弹簧土”的形成。通过试验段成功处理工艺流程及相关控制要素确定信息化施工模型，在大面积路基处理过程中结合沿线地质勘察报告揭示的不同地质土层及厚度，确定地基的处理深度及各层不同土体击密所需的击振能量。施工前后进行静力触探试验了解土性的变化，同时对地表沉降、地下水位、孔隙水压力等进行监测，对各项监测结果进行详细记录和分析，及时了解场地加固效果，并根据监测结果来指导施工，调整施工参数。

2 地基处理后实测结果

2.1 地表沉降观测

在满足处理消散期后在道路上布置方格网分别测量其左、中、右的标高了解高真空击密后产生的沉降量，场地平均沉降约53 cm。并在高真空击密处理前后分别进行静力触探试验，0～6 m 深度范围内P s 值平均值由1.23 MPa 提高到2.37 MPa，根据经验公式推算承载力大于120 kPa。P s 提高幅度平均为85%，图7为处理前后的P s 对比曲线。

2.2 水位观测

为掌握在真空击密过程中地下水位随时间变化规律，高真空击密试验前在路上埋设地下水位管，进行地下水位观测。试验期间除受到雨水影响和击密能量的影响，水位一般在2 m 以下。在强夯击密期间，因受到强夯冲击力的影响，孔隙水压力上升，地下水位也升高，通过静止消散期后恢复常态达到预期目的,见图8。

图7 处理前后的Ps 对比曲线

2.3 孔隙水压力观测

高真空击密施工前在试验区路段中埋设孔隙水压力计，埋深分别为2.0 m、4.0 m 各测点孔压随时间的变化曲线见图9。

由曲线可见，在排水约5～6 d 时间内，孔隙水压力持续下降到稳定值后开始第一遍击密，第一遍强夯时因受到较大的冲击力，孔隙水压力升高，击密后随着高真空排水孔隙水压力再次降低，在排水约7 d 后开始第二遍击密，第二遍击密后孔隙水压力再次升高。

图8 水位随时间的变化曲线

图9 孔压随时间的变化曲线

2.4 处理效果分析

高真空击密法直接在现状土体中插入高真空排水管，通过快速高真空排水—击密多遍循环，来增加动力排水固结效果。由于两道工序的有机结合、相互作用，巧妙地解决了软土超孔隙水压力消散及强夯容易使软土形成“弹簧土”等关键问题，通过人为在土层中制造的“压差”（击密产生的超孔隙水压力为“正压”，高真空产生的为“负压”）来快速消散超孔隙水压力，使软土中的水快速排出。采用高真空排水后，使击密效果大大提高，从而使被处理土体形成一定厚度的超固结“硬壳层”，正因为“硬壳层”的存在，使得表层荷载有效扩散，提高场地的整体性，减少了因荷载不均匀产生的不均匀沉降。处理后土体的密实度、承载力及土体回弹模量大幅度提高，在处理过的原软弱土层上可以放陡坡或直立开挖管槽，达到预期的目的。

高真空击密法在黄冈大道地基处理后综合结论：有效地解决了软弱路基与现场土源就地利用的问题，达到了提高地基承载力、减少地基不均匀沉降的目的；地基处理工后沉降不大于25 cm；同时交工面土层的承载力特征值不小于120 kPa；土基处理后的回弹模量不小于25 MPa。

3 经济比较和造价分析

高真空击密法不仅处理效果好，而且经济上亦优于同类软基处理方法。根据黄冈大道的地勘资料，对浅层处理的换填法、高真空击密法和深层处理的水泥搅拌桩、低位高真空预压击密法进行经济上的比较分析。材料价格按黄冈市2014年1月市场信息价取定如下：

3.1 换填法

处理方法:换填深度2～3 m,挖除淤泥层,换填毛渣(石渣),并分层压实。

优缺点：该处理方法的优点是施工简单，对于含水量低的软土地基处理效果较好，但换填深度过大时，工程质量难控地层淤泥未硬化；工后差异沉降偏大。同时管线开挖土方量大需增加支护等措施。对于自然资源匮乏、砂石料紧缺、严重缺土需要大量外购土修建市政道路的黄冈地区来说，将现状不良地基土外运，同时大量购土换填，不仅处理后达不到预期的效果，弃土购土所产生的费用高，而且置换出的弃方多占土地，容易污染环境。按照黄冈大道全线软弱处理范围施工周期一般为4～6 个月。

造价分析：换填法主要费用为挖除不良软土层并外运3 km、购置毛渣等渗水性材料回填压实，经计算，换填深度2 m 的单方造价为195.36 元/m2，深度3 m 的单方造价为293.05 元 / m2。

3.2 水泥搅拌桩

处理方法:桩长8 m，桩径500 mm，水泥含量15%，间隔1.2 m，三角形布置。

优缺点：施工技术成熟，处理效果较好，在各种复合地基处治方案中造价偏低，但对软基下部搅拌不易均匀，桩质量不可控，处理的深度有限，工后差异沉降偏大。对环境污染较大，按消耗10万t 水泥计算相当于1.9 万辆2.2 Lco2年排放量；同时水泥搅拌桩桩基对后期管槽开挖不利。施工范围同上施工周期为4～5 个月（投入机械台班有关）。

造价分析：主要费用为水泥搅拌桩，50 cm 碎石垫层，单方造价为379.59 元 / m2。

3.3 高真空击密法

处理方法:安装高真空击密系统，真空管分层布置，深管间距3.5 m×3.5 m，长度6 m，浅管间距3.5 m×3.5 m，长度3 m。第一遍排水点夯击密后紧接着第二遍排水点夯击密，然后满夯或碾压平整场地。

优缺点：扩大了规范中真空井点在低渗透性软土排水的应用范围,工后差异沉降小，承载力高；淤泥全固化，避免土方外运及购土费用，环保零污染；同时管线开挖土方量小，节省支护等措施费用；施工周期为2 个月左右，造价低。

造价分析：主要费用为真空管布置、真空泵排水、第一次击密（测量定点）、第二次击密、满夯场地平整、回填麻料，单方造价为189.67 元 / m2。

3.4 低位高真空预压击密法

处理方法:针对深厚淤泥层，利用低压预压，控制消除土体的适量沉降。平整场地后设置插塑料排水板并布置竖向和水平排水通道，铺土工布和密封膜安装密封预压系统真空泵抽水。同时在密封膜覆水预压沉降观测并测真空度达到要求后卸载，回填垫层安装高真空击密系统，下道工序同高真空击密法一致，真空布管间距同高位击密一致。

优缺点：处理深度深，质量可控。相对于高真空击密法，造价略高，工期约为4 个月。

造价分析：主要费用为砂垫层、插排水板及铺设真空膜、覆水预压达到要求后卸载、拆除真空膜、真空管布置、真空泵排水、点夯加满夯击密、回填麻料平整场地，单方造价为269.11 元 / m2。

通过以上分析比较可知：高真空击密作为一种新型的地基处理技术，不仅实现了就地取材，节约资源和能源，保护生态环境的目标，而且提高了路用性能，使得道路建设工后差异沉降小，承载力高；淤泥全固化，避免土方外运及购土费用；同时管线开挖土方量小，节省支护等措施费用；施工周期短造价低。有着明显的经济效益和环境效益。

4 结语

城市道路工程在实施过程中所受影响因素较多，工程造价也必然因采取处理方案的不同而产生差异。本文通过高真空击密法在黄冈大道中的应用实践，对快速排水、快速击密固结的工法相关工艺和数据进行分析对比，得到如下结论：

（1）造价节约：与传统的地基处理方法相比，造价一般可节约30%左右。

（2）质量可控：施工过程是信息化施工过程，在施工前期根据专利要求对场地进行摸探，施工过程中进行静力触探、施工沉降、夯击能量等指标跟踪监测，以达到最佳的地基处理效果。

（3）工期节约：与传统地基处理方法相比，可节省工期约30%左右。

（4）环保零排放、节省资源：施工过程是纯物理方法，施工过程中无需向土体中掺入任何固化剂或外加剂，真正做到了对环境的零污染。