施工中软土地基处理技术分析应用

胡鹏伟 刘渊 薛超 辛宁

中电建路桥集团有限公司 北京 100160

引言

从历史沿革看，我国自大禹治水开始就十分重视水利工程建设。进入新时代后，水利工程行业通过工业化改革、产业化转型，一方面建立了以水利工程项目研发设计、物料采购、施工建设、运维管理为主要环节的产业链条。另一方面，在总项目、分部项目、子项目中，通过运用项目管理办法与数字化技术，创建了系统性管理与专业化管理相结合的全过程指标化管理方案，全面提高了水利工程生产建设与生产管理水平。防洪工程作为水利工程的重要组成部分，遭遇软土地基时不仅会增加施工难度，也要求在施工实践中对软土地基进行专门化处理。下面先对软土地基的概述与主要特征做出说明。

1 软土地基概述

1.1 概念

从概念界定看，软土地基（也称软弱地基）主要是指在工程项目生产建设中，被规划为地基的某个区域内，部分土地无法起到作为地基应有的支撑作用。此类软土地基类型相对较多，包括了单一原因造成的软土地基与综合原因导致的软土地基，比如，软土、泥沙、淤泥、冲填土等。

1.2 特征

软土地基具有透水性差、可塑性强、沉降速度快、土层结构不均匀等特征。分述如下：以透水性差为例，软土地基受到地质条件、水文条件的限定，地基结构本身具有一定的特殊性。从具体表现看，主要是软土地基内部颗粒物间隙大、含水量较多、垂直方向渗水参数约为每秒10cm，在地基开挖施工时会引发积水现象。以可塑性强为例，在外力作用下，软土地基结构中的空隙会收缩，并对土层结构造成间接影响。当这种外力作用具有持续性时，地基表面会发生变形，并妨碍对不规则沉降问题的解决。以沉降速度快为例，工程选址本身靠近水源，软土地基周边的地基强度也会相应下降，因而在结构强度低、土层密度小条件下，受到外界压力，或进行机械碾压作业时，均会加快沉降速度。以土层结构不均匀为例，在软土地基所在区域，地基厚度、密度、含水量具有差异化，造成了同一区域不同位置结构差异，因而需要区分软土地基结构类型，选用针对性较强的软土地基处理技术加以解决[1]。

2 施工中软土地基处理技术分析

2.1 换填技术

从原理看，换填技术主要是以人工方式、机械方式，用换填材料代替软土地基中的土质。该技术的优势主要体现在操作简便、换填材料易得、质量可控性强、应用范围相对较广等方面。从当前的实践经验看，使用的换填材料以碎石、粗砂、沙土、水泥等材料为主。同时，在应用方面主要以浅层部分的软土地基作为应用对象。对该技术的应用效果表明，有利于规避施工中的沉降现象、降低排水系统施工难度，预防土壤膨胀收缩情况的出现等。目前对该技术的应用中需要注重对换填材料的强度、成本、密度、分层换填厚度、伸缩性能、抗剪力、配套机械等要素的分析，并对照要素清单设置与之匹配的技术指标，保障对软土地基的处理效果。

2.2 垫层技术

当施工中遇到土层较薄的软土地基时，除了应用换填技术外，也可以实际需求选择垫层技术。应用该技术时的目标定位于对地基形状的改变、对土层强度的提升、对地基承载能力的增强等方面。应用经验表明，在实践过程中要求先做好对软土土层的挖去处理，再使用矿渣、煤石、碎石、砂石等具有抗腐蚀能力、抗压性能力、抗变形能力材料，填充挖去的软土地基部分。一般情况下，需要按照分层方式，垫一层材料进行多次压实，确保填充均匀、密度达标、压力适度。进而，使其能够起到规避渗透、减少土层沉降、增强承载力的作用。

2.3 加筋技术

当软土地基砂砾较多时，土质位移时软土地基也会发生相应的变化并使工程出现问题。目前在处理时主要根据软土地质勘察报告及相关数据，选择匹配的钢筋用于实现加固地基的目标。加筋法具有一定的复杂性，要求对钢筋排布的疏密度、规格、型号、强度、硬度等数据进行采集，同时需要在使用前对钢筋进行表面处理，预防在加筋后因土质中的水分与钢筋发生化学反应后生成铁锈并逐渐出现腐蚀等情况。通过对加筋技术的应用，通常能够有效改善工程沉降。需要说明的是，加筋法应用时牵涉到较大的成本投入，而且造价成本的大部分来自钢筋使用量。因此要求从经济成本的角度，对防洪工程本身开展全面评估，尽可能制定性价比较佳的应用方案。

2.4 桩基处理技术

在部分防洪工程中，也会出现大满园填充处理软土地基不能实现的情况，为了较好的解决此类问题并达到处理目的，一般会选择桩基技术，如粉喷桩、木桩、水泥搅拌桩、砂石桩等。从当前经验看，淤泥软土地基中对于此技术的应用相对较多，一方面能够减少工程量，另一方面也能够满足软土地基处理需求。当前应用较多的为钢筋混凝土桩，此类桩基强度大、硬度好、可以向下深入到预期的位置（现阶段我国水下桩施工技术已经比较成熟），而且可以为后续施工奠定必要条件并规避沉降问题的发生等。需要注意的是桩基技术应用时要做好地基加固设计，其中包括了施工标准、各种参数、施工技术，以及软便触探、静载试验等。另外，在处理固化材料（如水泥）时需要增加筛滤工序，减少杂质，提高桩基质量等[2]。

2.5 排水加固技术

从软土地基的概念、内涵看，其中存在较大的水分含量，因此在遇到含水量较大的软土地基时，一般可以选择排水加固技术进行处理。从原理上看，主要是通过缩减地基内部的空隙与减少含水量改变其结构。由于该技术投入成本低、操作易实现、投入成本相对较低、有利于提高软土地基稳定性，因此在含水量较大土层的应用也比较普遍。当前应用的排水加固技术中包括了水管排水、砂井排水，虽然应用方式存在差异，但是在应用效用方面均能够满足实际施工需求。根据实践经验看，应用排水加固技术时，需要对操作人员进行技术培训，确保其能够在施工中按部就班的以标准化程序进行操作，进而 达到预期的提升地基承载能力的目标等。

2.6 其他技术

近年来，随着对软土地基的研究增多、处理经验积累、处理技术创新，已经出现了多种类型的软土地基处理新技术，其中包括了使用物理原理进行夯实的强夯技术、借助化学原理改善软土地基凝固性的添加剂处理方法、化学固结方法，以及旋喷注浆处理技术等。无论在软土地基处理时选择哪一种技术，均要求以软土地基处理机理作为前提条件。如在防洪工程中的堤防受到软土地基影响会发生滑动变形，因此对于滑动变形的控制指标确定十分关键，此时就需要在设计过程中以抗滑稳定安全系数为准，开展相应的计算分析并完成具体的软土处理技术选择及应用。考虑到每项处理技术的差异化，在实际应用时应该尽可能按照以软土地基制宜的原则进行合理处理。

3 施工中软土地基处理技术应用

3.1 工程概况

以某防洪工程安全区围堤项目为例，工程规模大、涉及到软土地基问题。通过查阅读历史资料、进行现场勘察，发现新建堤防堤线范围存在淤泥地质土。埋深约在0～3m范围，最厚可达12m，最浅是5m，发生结构不均匀沉降、滑动变形的可能性较大，考虑到同一地区曾发生过滑坡塌陷案例，因此需要对淤泥软土地基做进一步处理。该工程项目中软土地基所在堤段的总长度为5.69km，分为四个堤段：①2+350+070堤段；②5+730～7+250堤段；③7+250-9+000堤段；④10+695—12+394堤段[3]。

3.2 土层物理性质指标及相关参数

3.2.1 填土层：以近期素填土为准，在没有实施固结处理前，较疏松、湿度大、色褐红。其物理指标γ、c、Φ、fk、Es的具体数值分别为：20.1kN/m3、5kPa、16°、120kPa、4.1MPa。

3.2.2 黏土层：属于本项目主要土质类型，软塑状、湿度较大，其中拌有少量螺丝壳、植物根系，压缩性高、色褐或褐红。其物理指标γ、c、Φ、fk、Es的具体数值分别为：13.2kN/m3、9.16kPa、15°、1.58kPa、1.277、48.6%、1.7MPa。

3.2.3 淤泥层：处于流塑状态、呈现出高压缩性，色褐红或褐灰，根据勘察阶段的测定数据分析，其中的有机质量含量在局部区段中可以达到30%。其物理指标γ、c、Φ、I1、e、w、fk的具体数值分别为：11.5kN/m3、10.61kPa、17°、1.58kPa、1.127、41.7%、0.7MPa。

3.3 软土地基处理方案

首先，需要进行方案比选。本项目中的软土堤基处理措施中包括：①挖除浅层软土；②难挖除部分铺垫透水材料进行排水固结处理，其中包括了设置堤脚反压平台、打排水井、实施堤坡放缓处理、完成施工加荷速率控制等；③复合地基处理。其中，换填技术、垫层技术相对成熟，容易实现。考虑到排水固结能够达到分期堆载、增强土体强度，存在不同排水固结方式，本项目根据实际需求选择了塑料排水板。而在复合地基法方面，需要采用格栅加筋处理，旨在通过增加土体模量后扩散土体应力、传递拉应力，进而限制侧向滑动。最终确定的方案是在软土地基较厚土层选择“塑料排水板+反压平台”方案，在较薄土层选择“土工格栅+反压平台”方案，在表层选择换填方案[4]。

其次，在方案设计中，重点放在对塑料排水板固结、土工格栅、换填计算及设计上。其中，塑料排水板固结计算包括：①极限填土高度计算按照Fellenius公式完成；②地基平均固结云计算采用高木俊介法；③地基抗剪强度增长计算用τft=η（τf0+△τfc）=η（τf0+△σz·Ut·tgΦcu）公式；④施工堆载期堤坡稳定复核按照瑞曲圆弧法操作。土工格栅计算包括：①稳定计算采用Bishop条分法；②锚固长度计算采用Le=TaFs/（2fpaσ̍v）公式。换填计算用公式b≥b+2Ztgθ。

第三，在方案设计方面，该项目施工准备时间为期2月、加载施工5月、总工期24月，考虑到后续护坡、堤顶道路等工程，拟定的计算加载施工期为12月。土工格栅横向铺设直至到堤内外脚外5m范围，对于上下层的处理以错开接缝方式为主，其中的距离在50cm以上、长度控制在30cm以上。为了保障换填土紧密度，设计方案中将软基层下0.2m作为开挖换填部分，宽度控制在堤脚线外1m范围，开挖临时边坡为1∶2。在防渗复核方面，主要选择了断面进行渗流计算，具体采用“堤身标准断面+反压平台+排水砂垫层”方案进行操作，结果显示堤身无出逸现象。该项目中的沉降量计算以《堤防工程设计规范》中的沉降计算公式为准[5]。

4 结束语

总之，在水利工程规模化、功能化发展趋势下，需要进一步结合实际需求提高防洪工程生产建设质量。由于软土地基会给防洪工程造成实质性影响与潜在风险，因此需要对其进行细致分析并结合具体的软土地基处理技术，研发设计内容完整、流程标准、适用性强的软土地基处理方案。通过以上初步分析可以看出，软土地基处理技术种类繁多，在实际应用时，一方面应该注重对不同技术的原理、功能、应用范围的分析，另一方面则应该以在具体的防洪工程中软土地基分部项目生产建设产业链条，科学开展生产建设与生产管理活动，扩大软土地基处理技术的应用效用。