抛石挤淤软土加固技术及路基沉降影响因素分析

邵勇强

(中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁 沈阳 110136)

0 引言

在高速公路建设过程中，软土路基问题一直是国内外学者研究的重点课题。

温宇轩[1]等对水泥搅拌桩的作用原理、施工工艺进行了分析总结，并对软土地基处治的思路和水泥搅拌桩的质量检测方法进行了研究。徐全亮[2]等通过建立数值计算模型对滨海公路软土路基拼接处沉降量和水平位移进行了研究。杜毅[3]等通过有限元软件建立了碎石桩法处理软土路基的计算模型，对不同桩深、桩间距、地基弹模和路堤高度对沉降量的影响进行了分析。杜广印[4]等通过ABAQUS有限元软件对深厚海相软土临河公路扩建地基处理方法进行了研究，同时还对双向粉喷桩、预制方桩的经济性与处治效果进行了对比分析。

在已有研究结论的基础上，本文结合辽宁某在建高速公路工程，对软土成因与特征、软土路基处治技术进行了分析总结，并基于MIDAS/GTS NX有限元软件对抛石挤淤法影响因素进行了数值模拟研究，并分析了路基沉降随不同因素的分布规律。

1 软土成因及特征分析

软土一般指外观以灰色为主，天然孔隙≥1.0，且天然含水量大于液限的细粒土，通常在海边、湖沼周围等静水环境中经过长时间的地质积累和物化反应形成，此种环境下土体颗粒通常较小，且主要为黏土或粉土颗粒。软土的形成条件较为复杂，致使软土的主要成分取决于周围环境，软土颗粒表面通常带有负电荷，可以与水分子产生强烈的化学反应，在颗粒外围形成一层结合水膜，致使其与其他土颗粒很难结合，最终导致土体结构不紧密，可压缩性较强[5]。

2 软土地基处治技术分析

2.1 换填法

换填法是将地基下一定深度范围内的软土清除，再用强度高、稳定性好、且压缩性较低的材料填埋。主要适用于以腐殖土、淤泥质土、杂填土的软土地基中，处治深度通常在0～3 m范围内。路基工程中常采用碎石、粉煤灰及矿渣作为换填材料来处理软土路基。换填法对于具有明显特殊性的土质处理效果较好，如对膨胀土进行换填，以消除路基与土层之间的胀缩效应；可对湿陷性黄土进行换填，来消除其湿陷性；还可对季节性冻土进行换填，以降低冻融循环对路基造成的损伤作用。

2.2 强夯法

强夯法的工作原理是通过起吊设备将具有特定重量的夯锤吊起，然后让重锤脱离起吊设备，使其自由落体，通过重力势能转换为动能，动能又在夯锤落地瞬间转换为冲击表面能，由于夯锤落地瞬间产生巨大震动声响，冲击表面能又可通过波的辐射作用传向四周，使夯坑周围土体产生震动摩擦，使土体颗粒之间的咬合力加大，颗粒之间更加紧密，从而使土体快速实现压缩固结，提升整体承载能力，最终实现地基夯实。强夯法夯锤一般为10～50 t，起吊高度一般为20～50 m。强夯法适用于土层中含有砂土、杂填土及非饱和黏土的软土地基，其中非饱和黏土需通过试验检测来确定是否适用于强夯法。

2.3 堆载预压法

该方法是通过现场的材料和机械对软土地基进行预压。在预压荷载作用下，土体孔隙中的水分沿排水系统排出地基，地基快速沉降并逐渐达到固结状态，承载力提高，预压一定时间后，地基基本稳定，逐渐卸除预压荷载，实现地基加固。一般情况下，预压荷载模拟的是建筑物荷载大小，但在实际施工过程中为保证建筑物安全稳定为建筑物荷载乘以安全系数，安全系数通常取1.4左右。堆载预压法采用逐级加载，每级都要经过一段时间蠕变，通过施桩体竖向变形、边桩位移及孔隙水压力的实时监测数据来判断下一级荷载的加载时间。

2.4 真空预压法

真空预压法是通过气压差来实现地基的快速固结。将排水管提前预埋在软土地基中，并在管体上方铺一层厚度适中的砂土充当垫层，在整个地基表面加盖一层密闭性好的塑料膜，并抽净薄膜内空气，使膜内土体处于真空状态，此时塑料膜内外产生压差，且外部气压大于内部气压，从而在大气压力作用下土体快速固结。

2.5 表层排水法

表层排水法是针对地基表层含水量较大，且地基土质相对较好的地区，通过在基础表面开挖沟槽，让路基表面水分通过沟槽排出路基范围，使地基土体快速固结，达到施工技术要求。布设沟槽时，应尽可能的利用地形条件，使地基表层水分沿坡度流入沟槽后排出，当含水量相对较大时，应增加沟槽密度，加大排水量。沟槽断面尺寸为宽0.5 m，高0.7 m，可根据具体排水量适当增减尺寸，排水结束后，可采用透水性较好的碎石填充沟槽，形成排水盲沟。

2.6 碎石桩法

该方法的原理是通过向软土地基内插入碎石桩，让桩体和土基共同承担土基上部荷载。碎石桩法通过震动冲击设备和高压水枪的共同作用下在软土地基上打孔，在确认孔内无杂物后向孔中倒入级配良好，材质坚硬的碎石或卵石成桩，通过调整碎石桩密度来实现桩体和土基共同承担上部荷载的目的，进而加大地基承载力。碎石桩在处理软土时具有如下三方面表现：首先是碎石桩能够置换掉一部分软弱土体；其次是碎石桩能够挤压土体内部孔隙；最后是碎石桩能够起到盲井作用，使软土地基内的水分沿桩孔排出地基范围，加快土体固结速度。

2.7 反压护道法

该方法就是通过外部荷载对道路路基实施反压，一般是在路堤左右两侧堆起一定体积土体，通过堆积土体自身重力对路基施加反压载荷，使路堤在施工期间不会发生破坏，提升路基整体稳定性。该方法操作简单，对设备及堆积体材料要求不高，但该方法同样存在其缺点，首先该方法占地面积较大，土方使用量较大，路堤两侧路基沉降量较大，且该方法主要适用于非耕种地区。

2.8 抛石挤淤法

该方法的原理是通过向淤泥层软土地基中抛入碎石等坚硬材料，将淤泥层中的淤泥挤出地基范围之外。处治过程中，淤泥层始终处于失稳状态，碎石在落入淤泥层时动能越大，淤泥挤出的效果越高，因此，在保证施工安全的条件下，宜将碎石尽可能在高处抛出，这样碎石在重力作用下会产生更大的动能，达到挤出淤泥，碎石置换淤泥，提升地基承载力的目的。抛石挤淤法主要适用于具有流动性、液性指数较大的软土地基，如池塘、沼泽等表土层硬度较弱的地基，处理深度一般在3～4 m左右，碎石尺寸按球状计算，直径一般不小于35 cm。机械抛石应从路堤中间位置开始，逐渐向两侧抛石，且应根据地势情况，由高向低逐步进行，待抛出碎石具有一定高度后，采用压力机进行碾压，如此重复操作，直至路基超出地表，此时采用直径较小的级配碎石对抛石地基进行填缝处理，之后对处理后的抛石地基再次碾压，直至满足路基使用标准为止。

综上可知，本文所要处理的软土地基是辽宁某在建高速公路穿越一处废弃人工池塘，池塘占地面积500 m2，长约25 m，宽约20 m，池塘底部有大量淤泥，深度在3～4 m。经现场勘探和专家讨论，建议采用抛石挤淤法进行路基处治。

3 抛石挤淤体对路基沉降影响因素分析

3.1 模型建立

根据辽宁某在建公路设计资料可知，路基宽度为24 m，路基高度为5 m，每层设置高度为1 m，坡比为1∶1.5，逐层填筑，分层碾压。由于路基具有对称性，为简化数值模拟计算量，取中线一侧路基进行建模，为减少外部边界条件给数值模拟结果带来的误差，土基宽度取35 m，深度取15 m。本文数值模拟所采用的本构模型为Mohr-Coulomb弹塑性模型，并且认为各土层材料均为各向同性。

图1 路基网格模型

根据工勘报告可知，路基计算范围土体主要由地表土、淤泥土和粉质黏土组成，各土层及路填料的材料参数见表1。

表1 模型参数

3.2 路基沉降影响因素分析

为分析抛石体各参数对路基沉降的影响，本文通过MIDAS/GTS NX对不同影响因素下路基沉降变形进行数值模拟，根据数值模拟结果对不同影响因素下路基沉降规律进行分析。文中主要考虑抛石体的厚度、宽度、弹性模量和黏聚力。

图2(a)～(d)分别为不同位置处路基沉降量与抛石体厚度、抛石体宽度、抛石体弹性模量及抛石体黏聚力之间关系曲线，可以看出，路基沉降量随各参数增大均逐渐减小，其中，路基沉降量随抛石体厚度和宽度的降幅逐渐减小，曲线逐渐趋缓，表明抛石体的几何尺寸越大，软土路基的处治效果越好，但并不意味着抛石体尺寸无限大，应结合工程实际，当抛石体尺寸满足路基允许沉降量时即可，避免造成不必要的经济负担。

路基沉降量随抛石体弹性模量和黏聚力逐渐减小，但曲线分布与抛石体几何尺寸不同，随着弹性模量、黏聚力的逐渐增大，曲线降幅先逐渐增大，之后又逐渐减小，最终路基沉降量逐渐趋于稳定，其原因是由于随着抛石体材料力学参数的逐渐增大，其刚度、强度增大明显，抵抗路基荷载能力显著增强，路基沉降量陡降，随着力学参数的继续增大，路基沉降量降幅逐渐减小，路基沉降量逐渐趋缓，可见，与抛石体几何尺寸相同，一味的增大抛石体力学参数同样会造成材料浪费和经济损失，应结合实际情况及现场试验来确定合适的抛石体力学参数。

图2 路基沉降量随各影响因素分布规律

4 结论

(1)软土主要通过土体长时间的地质积累和物化反应而形成，且软土颗粒长期处于水流不畅或静水环境中，致使软土具有含水量大、压缩性高、抗剪强度底等特点。

(2)软土处治技术主要包括，换填法、强夯法、堆载预压法、真空预压法、表层排水法、碎石桩法、反压护道法和抛石挤淤法。

(3)路基沉降量随抛石体几何尺寸的增大呈逐渐减小趋势，且降幅逐渐减小，路基沉降逐渐趋缓；路基沉降量随抛石体力学参数的增大呈逐渐减小趋势，且降幅先增大再减小，并逐渐趋缓。