某省级公路改建工程部分软基处治措施对策研究

王晨炜，王海涛，汪 义

（中国核工业中原建设有限公司，北京100142）

0 引言

随着国家对基础设施领域投资的持续增长及公路工程项目数量的持续增加，在公路建设过程中，软土地基作为一种常见的地质条件问题对工程建设的开展及工程质量的优劣产生一定影响，如果对软土地基处理措施不到位，将会导致公路地基沉降及公路本体损坏，因此在施工过程中，根据工程的地质特点，采取相应的处理措施，对提高工程质量具有重要意义。

1 软土地基的特点

1）软土地基承载力较低、含水量高、渗透性较差，对地基基础的承载能力产生很大的影响。

2）软土地基抗剪性能较差，相较于其他类型地基基础，在承受压力时产生的变形更大，地基内部结构出现移动和挤出，严重时会导致地基塌陷，最终导致公路路面发生不均匀沉降等现象。

2 工程概况

某省道工程项目位于湖北省，工程K28+469—K28＋649段存在一定深度的软土地基，为保证该项目的建设与交通运营安全，通过对该区域进行钻探勘察后发现本地区地貌单元属长江I级阶地，本路段地形较平缓，场地较开阔，原为山田地，已基本整平。根据钻探取芯观察、室内土工试验及标准贯入试验等结果，按其成因、结构特征及强度将场地内土层划分为4层：[1]素填土层；[2]粉质黏土层；[3]黏土层；[4]粉质黏土层。勘察结果显示[3]黏土层为高压缩性的软弱地基层，该层地基承载力偏低，需经过加固处理才能满足地基强度要求。

针对以上地质情况，轻型动力触探试验结果显示，该软弱黏土层的地基承载力约为50kPa，远低于规范要求，必须进行处治。根据地质勘察结果分析，提出采用浆液灌注法作为地基处理措施。灌浆法在我国煤炭、冶金、水电、建筑、交通和铁道等部门都进行了广泛使用，并取得良好效果。浆液采用水泥-水玻璃浆液，亦称C-S浆液，是以水泥和水玻璃为主剂，二者按一定比例采用双液方式注入，必要时加入速凝剂或缓凝剂所组成的注浆材料。浆液灌注通过较高的压力在黏土层中灌入浓度较大的水泥浆或水泥砂浆，挤出软土层中的部分水体，同时硬化的浆液固化软黏土，使之成为具有满足路基强度要求的复合地基。

设计方案为在软土区域梅花形布置钻孔，排距和孔距均为2m（根据注浆压力下的浆液扩散半径进行确定），孔深为6.7m（素填土层1.2m+粉质黏土层2.5m+软黏土层3m），注浆层厚度为软黏土层3.0m）。

3 作用机理及影响因素

3.1 水泥加固土的机理

固化剂主要采用强度等级为42.5级的普通硅酸盐水泥和水玻璃，通过固化剂与被加固土之间进行一系列的物理化学反应形成水泥土复合地基。主要作用如下。

1）水泥的水解和水化反应。

2）形成胶体，填充孔中缝隙。

3）黏土颗粒与水泥水化物的作用（离子交换和团粒化作用、硬凝反应）。

4）碳酸化作用 水泥土试样的室内无侧限抗压强度试验表明，水泥土的无侧限抗压强度随加固土中含水量的降低而增大。

3.2 水灰比对水泥土性状的影响

水泥土的工程性状主要指水泥土的物理、力学特征及影响因素。加固后的水泥土重度比原地基土略有增加，并随着水泥掺入比的增大呈微弱递增。从复合地基作用理论来讲，水灰比及质量较小时，凝胶时间短，扩散半径小且易造成堵管；水灰比及质量比较大时，终凝时间太长，均不宜作为施工时的配合比。试验表明水灰比为1∶1时，其强度最高，凝胶时间适中；浆液结石体强度试验表明，并不是水灰比和质量比越大越好，水灰比在0.5～1.0时结石体强度较高，比较适合加固地基。

3.3 水玻璃掺入比对水泥土性状的影响

在一定范围内，对于水泥-水玻璃浆液，决定其浆液结石体抗压强度的主要因素是水泥浆浓度。在水灰比相同时，水泥-水玻璃质量比增大，抗压强度会降低，浆液结石体前期强度增长较快，后期增长较慢。实际上，浓水泥浆需要浓水玻璃，稀水泥浆需要稀水玻璃。因此，本次软土地基处理根据实际情况建议取水玻璃掺入比例为2%～4%。

3.4 水泥土复合地基的工程性状

水泥加固土作为路面建筑材料已有50多年的历史。早在1935年美国修建了第一条水泥加固土路面。随后，水泥加固土在很多国家的道路和机场的应用日益普遍。我国在援外工程中也曾大量应用过水泥加固土作为路面的基层。

土粒的矿物成分主要是蒙脱石等黏性矿物，具有非常大的比表面积和较强的亲水性，强烈吸附水泥的水解物质。当地基土为砂性土时，土粒容易分散与水泥形成均匀的混合料，在所有的土粒孔隙中充填水泥水解物，胶结固化形成水泥土复合地基，复合地基承载力受水泥土的掺入量影响较大，水泥掺入量越大，复合地基的承载力越高，承载力发挥较快；当地基土中黏粒较多时，黏性土粒往往呈团粒状或团块状，搅拌的水泥土或水泥浆包裹黏土颗粒，随着水泥的水解作用，在团粒内部逐渐渗入水泥的水解物质形成水泥土的骨架结构，此时水泥土骨架结构的强度决定了复合地基的承载力，水泥仅起到了填充与胶结作用，水泥的强度为水泥土地基的胶结强度是复合地基承载力的影响因素。

3.5 水泥-水玻璃高压静压注浆法原理及应用

3.5.1 高压静压注浆法原理

土体用浆液灌注法加固是处理地基的一种原位加固方法，一般是用压力将加固土的浆液通过注浆管注入土的孔隙或缝隙中，藉浆液的胶结或凝固增强松散土粒间或土体间的连结，从而提高地基强度，减少沉降，也可用于防渗或结构物基础加固等。

3.5.2 水泥-水玻璃高压静压注浆法应用及要求

根据JGJ/T 211—2010《建筑工程水泥-水玻璃双液注浆技术规程》要求：对软弱地层进行注浆加固前，应进行注浆加固方案设计。注浆设计应根据软弱地层加固的目的和邻近建筑物的状况规定强度和变形要求，并确定注浆加固深度及范围。软弱地层注浆加固时，注浆孔布置应符合下列要求。

1）采用梅花形布置，注浆孔间距宜为（0.8～1.7）R，排间距宜为孔距的0.8～1.0倍，R为浆液扩散半径（m）。

2）注浆孔深度应穿过软弱地层，并进入下一土层0.5～1.0m，或加固深度满足地基承载力和变形的要求。

注浆完成后，宜在注浆固结体强度达75%或注浆结束后14d进行质量检测。质量检测方法应根据设计要求确定，可采用静载法、标贯试验、静力触探法、动力触探等方法。

4 灌注浆设计方案

根据现场实际勘测数据，本设计灌注浆加固K28+649—K28+469路段软黏土层呈不规则形状分布，考虑软黏土层厚度最不利状态，取K28+529处断面为设计断面（淤泥质黏土层厚度为8.5m），如图1所示。

图1 水泥注浆复合土计算剖面（单位：m）

设计方案为在软土区域梅花形布置钻孔注浆，浆液水灰比为1∶1，水泥掺入比2.5%，水玻璃为水泥浆液用量的2%，氯化钙为水泥用量的1%，钻孔排距和孔距均为2m（注浆压力为1.0～3.0MPa，根据现场的浆液扩散半径1.26m进行调整确定），孔深为6.7m，注浆层厚度为软黏土层3.0m。根据试验结果进行布设灌浆孔。注浆钻孔布设及浆液扩散半径如图2所示。同时以设计断面处为准，核算路基工后沉降是否符合要求。

图2 注浆钻孔平面布置

采用水泥灌浆处理软黏土层时，路堤可分为4层，取最不利分层分别为1.2m素填土层、2.5m上粉质黏土层、3.0m水泥土复合黏土层、5.5m软黏土层（见图3）。

图3 路基沉降计算断面

分层总和法沉降计算公式为：

计算中，[1]素填土层的压缩模量取为8.0MPa；上层粉质黏土层的压缩模量为6.0MPa；软黏土层的压缩模量为4.0MPa；水泥土复合黏土层的压缩模量为6.5MPa。

1）素填土层沉降 素填土层厚为1.2m，共分1层计算，则该层沉降Sc1=2.269mm。

2）粉质黏土层沉降 该层层厚为2.5m，分2层计算，则该层沉降Sc2=5.342mm。

3）水泥土复合黏土层沉降 该层层厚为3.0m，分2层计算，则该层沉降Sc3=3.8mm。

4）软黏土层沉降 该层层厚为5.5m，分3层计算，则该层沉降Sc4=5.785mm。该层底的附加应力为土体自重应力的2.9%，且该层为土质较好的下卧层，因此沉降计算深度到此为止。

依上可知，路基工后沉降为Sc=17mm，则S=0.029m＜0.300m，满足要求。

5 数值模拟计算结果及分析

选取软黏土层厚度最不利状态下K28+529处断面为计算断面，运用FLAC3D软件进行运营期数值模拟，土体模型应用Mohr-Coulomb塑性模型，采用八节点块体（brick）单元和六节点楔体（wedge）单元，分析公路运营加载对路基变形和应力分布的影响。模拟数值计算时位移边界采用固定边界，上临空面为自由表面边界，不受任何约束，横向两侧面面域受到x方向的位移约束，地基下层底边界面域受到z方向的位移约束，路基纵向两侧面面域受到y方向的位移约束。

5.1 计算模型

路基自上而下分为5层结构，施工工序为浆液灌注法注水泥浆液、路基填筑至路面、施加车辆荷载。为消除尺度效应影响，数值计算模型计算高度取至软弱黏土层底，约为路基高度的7倍，即15.20m，计算宽度取为路基宽度的5.1倍，即111m。计算模型网格划分35 360个单元和39 802个节点。

5.2 计算结果分析

为评价水泥浆液注浆效果，对数值模拟计算结果的路基竖向应力分布及竖向位移进行分析。

根据路基填筑完成后车辆运营期整个路基的竖向位移、应力等值线，从竖向位移云图可看出位移呈倒钟形分布，路面顶面最大位移增量为2.16cm，与沉降理论计算方法的2.9cm接近，同时由于水泥水-水玻璃注浆使软弱黏土层的复合地基强度提高，复合地基支撑了上部车辆荷载作用，降低差异沉降，沉降控制在加固层。从竖向21应力等值线可看出加固层强度的提高均布了应力，应力分布形态比较均匀，总体而言，运营期相对施工结束时的竖向应力变化不大，在路基浅层应力有所调整增加，这主要是由于荷载工作区深度的影响。说明在软弱黏土层段应用注浆工艺提高了软弱区域的复合模量，形成一个整体，承载力得到提高。

6 施工注意事项

1）冒浆 在高压静压灌浆施工过程中，往往有一定数量的土颗粒随一部分浆液沿注浆管管壁冒出地面。通过对冒浆的观察，可及时了解地层状况，判断灌浆的大致效果和确定灌浆参数的合理性等。根据经验，冒浆量（内有土粒、水及浆液）小于注浆量20%为正常注浆，超过20%或完全不冒浆时，应查明原因及时采取相应措施。当流量不变而压力突然下降时，应检查各部位的泄露情况，必要时拔出注浆管检查封密性能。出现不冒浆或断续冒浆时，若因土质松软，则视为正常现象，可适当进行复喷；若因附近有孔洞、通道，则应提升注浆管继续注浆直到冒浆为止，或拔出注浆管待浆液凝固后重新注浆，直至冒浆为止，或采用速凝剂，使浆液在注浆管附近凝固。冒浆量过大的主要原因一般是有效灌浆范围与注浆量不相适应，注浆量超过高压静压固结所需的浆量所致。

2）严格控制注浆压力，确保路基处理达到要求。

3）高压注浆完毕或注浆过程因故中断时，短时间内不得继续喷浆时，均应立即拔出注浆管清洗备用，以防浆液凝固后拔不出来。

4）施工中应做好泥浆处理工作，及时将泥浆运出，保持场地文明。

7 结语

目前我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，对于公路工程的施工质量提出更严格的要求，作为公路施工质量重要的核心影响因素之一，软土地基处理措施的优劣直接影响公路桥梁的稳定性。

在某省道工程施工中，通过科学的计算及有效的处理措施，以及施工过程的严格控制保证了施工过程质量，对工程的顺利推进及公路交付后的稳定运行发挥了重要作用。