加强软土路基稳定性的措施

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总385、386、387期
2016年第07、08、09期（3月合刊）
道路工程
收稿日期：2016-01-21
作者简介：周建文（1968—），男，高级工程师，研究方向为高速公路工程建设管理、交通物流、资产经营管理。

加强软土路基稳定性的措施
周建文，翁广良，周杨
（江西省高速公路投资集团有限责任公司，江西 南昌 330000）
摘要：介绍了几种常用的软土路基稳定性加强方法，分析了粉喷桩加强软土地基稳定性的机理，阐述了计算粉喷桩单桩承载力、沉降量以及稳定性的公式，并以福银高速江西段某软土地基段为例，说明了粉喷桩法加强软土路基稳定性的设计思路，希望可以为加强软土路基稳定性措施研究提供借鉴。

关键词：软土路基；稳定性；粉体喷射法；观测断面；沉降量中图分类号：U416.1
文献标识码：B
0 引言
公路工程建设经常会遇到软土路基问题，一般来说，软土路基强度低、含水量较大、稳定性较差，需要经过加固处理才能用作工程建设路基，而不同地区的软土成因、结构、形态不同，其加固软土地基的方式也不相同。

近年来，粉喷桩法有了较大发展，而且越来越受到工程建设者的重视。

1 常用软土路基稳定性加强方法
常用的软土路基稳定性加强方法有桩基加固、排水固结、土木织物以及化学加固法。

桩基加固指的是利用钻孔设备在工程软土地基钻孔，并在孔中填入一些加固材料，这样加固材料与软土地基共同作用可以增强公路地基的承载力。

桩基加固法根据加固材料的不同可以分为生石灰桩、挤压砂桩以及碎石桩等。

排水固结法是指施工人员在软土地基中设置排水通路，并且排水通路上面铺设土木织物或者是砂垫层等，这样排水系统在公路负荷作用下，可以将孔隙水排除掉，从而加快软土地基固结，增加软土地基的稳定性。

土木织物是加强软土地基稳定性应用最多的土木材料，可以将其分为无纺土木织物和有纺土木织物。

其中有纺织物抗冲击与断裂性能较好，经常被用作垫层而铺设在公路基底和路基之间，以改变软土地基受力情况，增强路基的稳定性。

此外土木织物可以与塑料排水板、袋装砂井等组成排水系统来加快土体固结，效果良好。

化学加固法可以根据工程施工工艺分为粉体喷射搅拌法和高压喷射灌注法，其中粉体喷射搅拌法加强软土地基稳定性是我国公路工程施工常用的方法。

用于加固软土地基的材料主要有水泥、水硬性膨胀粉、生石灰以及干氢氧化铝粉等，将这些加固材料用粉体喷射搅拌机喷射到软土地基中，从而发生一系列的化学物理反应，并产生可以用于软土土体凝聚的物质，增加土体密实度，增强软土地基的稳定性。

2 粉喷桩加强软土路基稳定性的研究
2.1 粉喷桩加固机理研究2.2.1 软土与水泥的化学反应
软土以蒙脱石为主，含有较多的有机质，主要是由风化后的次生矿物组成，直径很小。

在我国，软土主要分布在沿海地区等，如上海、广东、福州、温州等地。

粉体喷射搅拌法中一般采用普通硅酸盐水泥，这种水泥主要成分有石膏、水泥熟料以及一些混合材料等，其中水泥熟料成分较为复杂，具有代表性的几种矿物有铝酸三钙、硅酸三钙以及铁铝酸四钙等，水泥熟料决定着硅酸盐水泥的主要性能。

一般情况下，常采用溶解-析出理论来解释软土与水泥的化学反应，该理论认为硅酸盐水泥熟料在水中会溶解，并且以离子形式的方式进行化学反应，最终以晶体的方式从水中析出，具体来说，水泥与软土的反应分为四步，即硅酸三钙水化、β型硅酸二钙水化、铝酸三钙水化以及铁铝酸四钙水化。

在实际工程中，软土与水泥不能混合均匀，水泥熟料包裹在软土表面，其水化产物很容易渗透到软土土体内部，这样就形成了一种外层为水泥熟料产物、内层为软土土体的空间结构，而这种空间结构就是粉喷桩加强软土地基稳定性的基础。

2.2.2 粉喷桩桩体的强度与刚度分析
粉喷桩桩体具有一定的强度与刚度，就其强度而言，随着水泥与软土的缓慢反应，粉喷桩桩体强度不断增加，但与混凝土相比，粉喷桩桩体强度约为混凝土强度的1/10，可以说桩体强度较低。

加固土的含水量对桩体强度有显著影响，含水量越小，抗压强度越高，当含水量达到一定值时，掺合比已经不能满足强度要求。

因此在实际工程施工中，在满足桩体强度要求的前提下，可以适当降低含水量小的土体掺合比。

此外在一定载荷作用下，软土与粉喷桩共同承受载荷，粉喷桩既不属于刚性桩又不是柔性桩，可以定义为半刚半柔性桩。

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交通世界2.2 粉喷桩单桩承载力分析
粉喷桩单桩承载力影响因素较多，其不仅与粉喷桩桩
长、桩端土以及桩周土性质有关，还与桩体本身的强度有关，因此粉喷桩单桩竖向的承载力可按照下列公式计算，
并且选取两者之间较小者：
式中：f cn·k 为室内加固土体无侧限抗压强度，η为强度折减系数，
q p 为桩端地基承载力的标准值，为粉喷桩周土的容许用摩擦力。

需要说明的是，设计好的粉喷桩单桩的承载力要通过施工现场载荷试验，以防止单桩承载力过小。

2.3 沉降量计算与稳定性分析研究2.
3.1 粉喷桩沉降量计算
软土地基沉降量的计算方法很多，其主要的分析思路是加固部分的沉降量与软土地基沉降量之和，即为总的沉降，沉降量计算方法主要由有限元法、扩散角法以及考虑到加固部分周边摩擦力的方法。

选用有限元方法时，需要考虑很多因素，模型参数过多，很难进行有效的计算，计算结果有很大偏差；扩散角法比较简单方便，主要用于一些存在刚性承台的粉喷桩加固部分计算；考虑到加固部分周边摩擦力的方法是将加固部分看作一个整体，计算结果
与实际沉降情况不一致。

计算粉喷桩软土地基沉降量时，要结合高速公路特点，在考虑加固部分和下卧层的沉降量以外，还要考虑加固部分以上填土部分的沉降量，即：式中：S 1为粉喷加固部分沉降量，S 2为粉喷下卧部分沉降量，S 3为加固部分以上填土部分沉降量。

2.3.2 粉喷桩稳定性分析
高速公路路基稳定性分析常采用毕肖普法、瑞典条法以及准毕肖普法，这三种分析方法中毕肖普法比瑞典条分法复杂，但考虑了条分法单元土体条之间的作用力相对精确。

在满足一定条件的前提下，这三种分析方法计算结果相差不大。

在计算粉喷桩加强软土地基稳定性时，考虑到软土地基的复杂性、路堤填土速度快、填土高的特点，可以选择相对保守的瑞典条分法，FN
为粉喷桩加强软土地基
稳定性的公式：
3 粉喷桩加强软土地基实例分析
3.1 加强软土地基设计思路3.1.2 设计粉喷桩单桩
粉喷桩单桩设计主要是确定掺灰量以及粉喷桩桩长。

如果粉喷桩加固深度不受限制，可以根据试验资料选择合
适的掺灰量，然后根据掺灰量求出无侧限抗压强度f cn·k ，从而按照粉喷桩单桩承载力公式确定单桩承载力数值
R d k ，最后计算单桩桩长。

如果粉喷桩的加固深度受到
限制，就要先确定单桩桩长，然后计算单桩承载力数值
R d k ，并根据R d k 值来确定无侧限抗压强度f cn·k ，然后根据
试验资料选择掺灰量。

3.1.2 设置加筋垫层与土木合成材料
用粉喷桩加强软土地基稳定性时，设置加筋垫层与土
木合成材料有以下几个作用：首先加筋垫层与土木合成材料可以增强软土地基砂垫层刚度与整体性，尽量减少不均匀的沉降；其次可以扩散应力，从而使粉喷桩单桩与软土土体之间的受力均匀化；第三、可以减少软土地基侧向变形；第四、土木合成材料和加筋垫层可以借助碎石垫层透水性能，加快排水和固结，进而降低墙后的地下水、减小墙后剩余的水压力。

因此在用粉喷法加强软土地基稳定性时，可以设置加筋垫层与土木合成材料。

3.1.3 核算路基承载力、沉降量与稳定性
在工程施工前，要对公路路基承载力、沉降量以及稳
定性进行核算。

核算路基承载力时，可以按照如下公式进
行计算：
核算粉喷桩沉降量一般按照：进行计算。

在采用粉喷桩法加固软土地基后，会出现地基下卧层附加应力增加的现象，同时由于地基下卧层常常为淤泥，其承载力会发生变化，因此必须进行软土地基稳定性的核算，其核算方法主要是计算M k 、M h 、F N 等。

3.2 工程实例
以福银高速江西段某软土地基段为例，分析粉喷桩法加强软土地基稳定性效果。

这一软土地基段位于赣江与鄱阳湖冲积平原区，河流潮水作用使得软土地基深厚，这一软土层是土基与河流相交的沉淀物，其软土地基强度、刚度、厚度以及形成原因等具有一定的代表性，具体的土体情况如下：第一层为耕植土层，主要由淤泥质土和亚黏土构成；第二层为淤泥层，其黏性较好；第三层为淤泥质细砂层，较厚，并且细砂含量占到了总重量的80%；第四层为淤泥层，黏性较好，局部地方含有细砂，非常厚。

这一软土地基段采用粉喷法进行加固，按照平行四边形的形状进行布置，粉喷桩的直径为50cm ，桩与桩之间的间距分为1.5m 和1.2m 两种情况，粉喷桩的桩长则根据实际工程情况确定，长度要保证粉喷桩桩尖能够穿过淤泥层。

粉喷桩选择P.O42.5水泥，采用了二次搅拌工艺进行施工。

28d 后粉喷桩的强度均超过了10MPa 。

施工人员在这一粉喷桩处理后的软土地基段上设置了7个沉降量观测断面，其中有两
个观测点路面出现断裂情况。

施工人员进行了未加固沉降量和粉喷桩处理后沉降量的计算，并且与实际沉降观测断面结果进行了对比。

对比结果表明，经过粉喷桩处理的软土地基沉降量明显小于未加固软土地基沉降量，由粉喷桩加固作用而减少的平均沉降量为50.2cm ，这一数据明显说
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明了粉喷桩加固高速公路软土地基的效果。

对比结果还表明经过粉喷桩处理后的软土地基最大沉降速度小于10mm/ d，从这一数据来看，粉喷桩可以加强软土地基的稳定性。

此外，工程人员还对该软土地基段进行了稳定性计算，得到了这一软土地基段各观测断面地基强度最薄弱处的位置以及安全系数，这7个观测断面的安全系数如下：2.218、3.233、2.415、2.950、3.902、2.596、2.007，从计算结果来看，有两个观测断面安全系数过低，观测结果基本符合实际情况。

4 结语
总之，采用粉喷桩法加强软土地基稳定性具有良好的效果，其设计思路可以直接在工程实践中应用。

随着科学技术的不断进步，粉喷桩法必将占据更加重要的位置，从而促进公路建设行业的发展。

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（编辑：赵艳）
和0.5%的NaCI作补强剂。

⑵注浆压力：容许灌浆压力值与路基填料的密度、强度和初始应力、钻孔深度、位置及注浆次序等许多因素有关，需经现场试验确定额定容许压力（按容许压力为1.5MPa，初灌压力0.5MPa，终灌压力1.5MPa，正常灌注在
0.5～1.2MPa之间），注浆过程中应根据实际情况作调整。

⑶单孔注浆量Q= AпR2Hnβ，式中：A为孔深消耗系数（一般取1.15～1.30），取1.23；п为圆周率，取3.14；R为浆液有效扩散半径，取1.0m；H为注浆孔深度，取平均值6.2m；n为孔隙率，40%；β为浆液充填系数，计算后为0.076。

在施工过程中也可分段，根据实际情况调整注浆压力值和扩散半径。

⑷注浆顺序：先外后内，形成帷幕，隔行跳打，先排为主后排补注，以避免跑浆、冒浆。

3.6 恢复路面
以上项目实施完毕后，清除原路面结构层并铣刨厚15cm路基，首先设置15cm5%水泥混凝土隔水层，再恢复路面，路面结构层为：上面层4cm细粒式沥青混凝土AC-13C、5cm中粒式沥青混凝土AC-16C；基层18cm水泥稳定级配碎石；底基层18cm水泥稳定天然砂砾，总厚度为45cm。

在新旧路面相接处，采用错台、错位搭接方式。

3.7 设置路肩混凝土护栏
路肩混凝土护栏设置位置及形式与原设计相同。

应注意：路肩混凝土护栏断开（2cm）位于挡土墙沉降缝处，外露钢件要涂两道面漆，其他未尽事宜执行混凝土护栏施工技术规范。

3.8 设置路面标线
路面标线设置位置及设置形式与原设计相同，路面标线采用反光效果好的加热熔剂型涂料。

用于标线的各种材料的性能应符合交通部《路面标线涂料》JTT280-2004的标准要求。

4 结语
本项目结合现场实际，通过对挡土墙加固的施工工序和施工要点的描述，说明对损坏严重的挡土墙进行拆除、设置锚网喷浆防护、路基底部的相应处理，对于高等级公路的维修来说工艺简单、适用面广、造价较低，同时给同类型的工程提供了实用价值。

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（编辑：赵艳）
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