山区软土路段的地基处理

山区软土路段的地基处理

摘要：随着高等级公路建设规模的扩大，山区公路所面临的软土路基病害问题逐渐增多。为了对山区软土的特性及常见病害有一个深入的了解和认识，本文结合余凯高速公路连接线工程对山区软土的成因及其特性进行了初步分析和总结，并根据其特性以及我国山区公路软基普遍存在的病害问题，结合此次工程实践中提出了相应的浅层、深层软基处治方法，以便为以后的山区公路工程建设提供一些参考和帮助。

关键词：山区；软土地基；浅层处治；深层处治 1 概述

《岩土工程勘察规范》中规定：天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的细粒土应判定为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭土等，其压缩系数大于0.5Mpa，不排水抗剪强度小于 30kPa。软土具有下述基本特性：高含水量、低密度、低强度、高压缩性、低透水性和中等灵敏度的特点。

地基的软土对象分类有：软土、淤泥及淤泥质土、冲填土、较软弱土和动力失稳土。 1.1 山区软土的成因及其特殊性 1.1.1 山区软土的成因

在我国广大山区，沉积着一类在形成环境和性质上不同于一般东部平原和沿海地区的软土，一般称为“山地型”软土，它在我国南部、西南部的山区或丘陵区的分布为最广。其成因主要是由于当地的软岩风化物和地表的有机物质经过流水的搬运，沉积于地形的低洼处，并经过长时间的饱水软化，以及微生物的分解作用而形成，以坡洪积、湖积和冲积为主的软土，也有少量是由坡残积物堆积而形成。

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1.1.2 山区软土的特殊性

根据资料，本段山区软土作为山地沉积类型的软土具有一定的代表性，它具有一般软土的含水量高、孔隙比大、压缩性高等特点。 1.2 山区软土路基病害的类型

通过对余凯高速公路连接线工程分析可知，山区软土成因及其工程性质都有其特殊性，从而使得山区软土路基在破坏形式上也有别于一般内陆平原和东部沿海地区的软基。在山区，大多路段与沟谷或河道并行，许多还经过冲、洪积扇的前缘，使软土路基很容易遭到水的浸透和冲蚀，尤其是暴雨、滑坡和泥石流等灾害的频繁发生，更会使软土路基遭到严重的毁坏。针对此类状况，笔者对山区软土路基毁坏形式进行了分析和总结，将山区软土路基破坏的主要类型初步归纳为剪切拉裂破坏、浸水沉陷破坏、剥蚀坍塌破坏和推挤滑动破坏四种类型。 1.2.1 剪切拉裂破坏

该类型破坏主要是指软土路基在强烈的行车荷载及自重作用下发生的破坏。具有高触变性的软土在振动荷载或自重力的作用下，强度下降，表现出很强的流变性，导致软土层侧向滑动挤出，路基发生不均匀沉降（如图1）。主要表现为临空面一侧或两侧的车道发生沉陷，道路出现隆起现象；在剪切和拉裂作用下，路面形成裂缝，裂缝不断发展，并不断贯通，最终导致公路毁坏。尤其是在公路的弯道处，路面受力极不均匀，更易发生此类破坏。

1.2.2 浸水沉陷破坏

在山区，雨水较集中，且在地表易于汇集，因此在排水不畅的路段，水很容易浸入路基，在土体自重、行车荷载及水温变化等诸多因素作用下，路基发生不均匀沉陷变形，引起路面破损开裂，水滲入裂缝后常导致路面“翻浆”，形成常说的“橡皮路”。常常表现为路面局部凹陷,行车震颤、颠簸及桥头错台跳车等现象。有些路段位于冲、洪积扇的前缘，往往是地下水溢出带，若路基处理不当，很容易被水浸入而导致公路毁坏。

1.2.3 剥蚀坍塌破坏

山区公路路基的坍塌破坏主要是由剥蚀作用引起，如风蚀、流水冲蚀、泥石流的剥蚀等，主要是以水的冲蚀作用为主。软土松散，抗蚀能力弱，在雨季期，洪水或泥石流不断冲刷沿河路基，严重的侧淘蚀作用常使路基边坡被淘空，导致路基边坡下滑和坍塌，毁坏临河路基。尤其是高填土路堤，在不是全防护的情况下，裸露部位更易遭到流水冲刷，造成路堤滑塌和路面损坏（如图３）。

1.2.4 推挤滑动破坏

该类型破坏主要是指滑坡等的推挤作用对路基、路面的破坏，其结果常导致路基路面下滑、断裂、错台和沉陷。随着滑坡体与路基位置关系的不同（如图４），路基的破坏程度也有所不同。如果路基处在滑坡体上，一旦滑动，整段路基和路面都将被毁掉。

图4 推挤滑动破坏

Fig.4 Pushing and sliding failure

综上所述，山区软土路基的破坏形式由于山区软土的特殊性以及所处山区地形地貌的因素，使得软土路基的破坏也有别于内地平原区和滨海区。因此，必须针对山区软土进行有关研究工作，在山区软土地基处理方面，也很有必要提出新的适宜于山区软土特性、施工条件的方法。 2 软基处治方法

目前软基处治方法很多, 归纳大致五类, 即置换、排水固结、振动挤密, 胶结和加筋等。在公路工程方面经过多年来的优选和实践, 较多的工程选用常规的、传统的方法, 即置换、固结排水和振动挤密等方法。这些方法的特点是技术可靠, 经济适用、施工容易、效果显著且不受时空限制, 故值得推广应用。 2.1 浅层处治

浅层处治适用于表层软土厚度小于3m 的软土路段。 2.1.1 砂垫层

用于软土层距地面不深且厚度较薄时, 不必采用深层处治或仅用堆载加压即可使其达到沉降稳

定的情况。

砂垫层的作用是为了加固地基和增强排水, 因此砂垫层的质量很重要。它取决于砂粒大小和含泥量多少, 一般以中、粗砂和含泥量少于3%为宜,填筑时宽度大于等于1m， 同时又应注意其厚度和设置位置, 目前厚度多控制在50～80 cm , 改变了过去仅用30 cm 的状况。其原因是地基原地面施工前虽然平整, 但不一定理想, 如出现凹凸不平, 其厚度不尽人意等情况。因此, 为了保证处治效果, 应适当地增加厚度。同时处理路段地基湿软时, 应先在原地面上铺一层山皮土, 经轻压后, 再在其上铺砂垫层, 以便充分发挥砂垫层的排水作用。

当路段采用砂路堤且砂本身粒径和纯净度良好时, 不必再专门铺砂垫层。同时原地面有硬壳层时应加以保护, 砂垫层可直接铺在硬壳层上。 2.1.2 换填

当软土层距地面较近, 厚度较薄, 甚至地面上有鱼塘、虾池或稻田时, 往往表面存在有淤泥, 此时可采用人工或机械挖除将这些淤泥、软土挖掉,换填强度较高的粘性土或砂、砾、卵石、片石等渗水性材料。换填的深度要根据承载力确定。以彻底消除其隐患。在贵州省余庆至凯里（含施秉支线）高速公路GK0+400~GK0+480、GK2+631~GK2+700段处治方式采用换填卵砾石，深度为3.8m。 2.1.3 抛石挤淤 即在路基底部抛投一定数量的石料，抛石料一般以片石为宜, 所用片石一般不小于30cm ,将淤泥挤出基底范围，以提高地基的强度。这种方法施工简单、迅速、方便。主要适用于常年积水的洼地，且其软层位于水下,排水困难，泥炭呈流动状态，厚度较薄，表层无硬壳，片石能沉达底部的泥沼或厚度为3～4m的软土。挤淤的处治深度与抛石路堤自重所产生的地面变形有关。其实质是使土基产生整体剪切滑移破坏而达到置换软土的目的。抛石挤淤仅适用于极软塑、流塑的软土。在贵州省余庆至凯里（含施秉支线）高速公路GK4+571~GK4+685段，鱼塘采用抛片石处治，深度2.8m。为了在排淤中土基产生整体破坏性时, 不使路堤的整体性受到大的影响, 在抛石挤淤后, 还应在路堤底、地表上铺设网状土工织物, 为达到排水及隔离的作用, 网状材料或土工布应铺在砂或砂垫层下, 砂垫层一般为30 cm 厚。抛石挤淤简便、经济, 但淤泥较厚时, 选用此法

需慎重。 2.1.4 强夯法

强夯法又名动力固结法或动力压实法。这种方法是反复将重锤（一般为10～40t）提到高处使其自由落下（一般落距为10～40m）夯击地基，从而使地基的强度提高、压缩性得到降低的方法。该方法适用于处理碎石土、沙土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基。具有加固效果好、适用土类广、设备简单、施工方便、节省劳力、施工期短、节约材料、施工文明和施工费用低等优点。

我国在70年代后期开始引进此项技术，并分别在天津、河北、山西等地进行了试验研究，取得了较好的效果，后很快在全国各地推广开来。

一般认为强夯法目前对厚层淤泥质和淤泥不适用外，对某些类型的软土强夯效果还是比较好的。从土的性质分析，软土强夯效果决定于地基土的含水量、粒径级配及孔隙比的大小。此外，软土的土层性质也很重要。采用强夯法处理软土地基，其加固效果决定于地基土的渗透性，所以必须创造排水通道。 2.2 深层处治

对于表层软土厚度大于3m 或软土层较厚、距地表较近时, 或路基范围内既有较厚软土又有土质良好的山丘从而产生差异沉降时, 应进行深层处治。 2.2.1 排水固结加固法

其原理是在软基中设置袋装砂井或塑料排水板, 利用路堤重量分级加载, 使软土中的孔隙水排出后逐渐固结, 地基因而产生压密沉降, 同时地基强度也逐渐提高的一种方法。常用在人工构造物与路堤相邻的过渡段, 以达到控制严格的工后沉降的要求。 2.2.1.1 塑料排水板联合真空预压

是将带状塑料排水带用插带机将其插入软土中，然后在地基面上填土预压，土中水沿塑料排水带的通道逸出，从而使地基土得到加固的方法。在贵州省余庆至凯里（含施秉支线）高速公路

GK0+040~GK0+180路段，采用此方法，塑料排水板间距1.5m，下沉0.46m，处治效果良好。 2.2.1.2 袋装砂井

一般用直径70 cm 塑料编制袋内装粗砂、中砂, 装实后直接打入土中。在砂料就地可取的地区, 是比较经济的, 但应注意其直径变化, 也应控制其插入长度, 防止长的袋装砂井因重量大发生拉断现象。若根据计算确定需要很长砂井时, 可考虑用塑料排水板或类似的复合排水体代替。砂桩中的砂粒要注意粒径粗些、杂质少些, 防止堆放场地的泥土污染砂源。

采用上述两种材料一般均能起到排水固结作用, 且由于其单价低, 施工简单, 操作容易, 效果良好, 已成为公路软土地基深层处治的常用方法。 2.2.2 土工织物加强法

采用编织土工布和土工格栅, 铺设于软基表面, 可单独使用, 也可以联合使用。更多地是在深层处治后铺设。其在土工中的主要作用有反滤、排水、隔离和补强4 种, 可以用来有效地解决软土地基加固的难题。施工时应先在地面填以厚度为30 cm 的中粗砂, 以增加土工织物摩阻力, 充分发挥其调整应力的作用。一般在铺设时采用张拉施工, 并将两端锚固为佳, 而且还要注意材料质量和工艺流程, 如接头处要衔接平整, 材料应检验合格后才能使用。土工织物的作用主要表现在增加软基的稳定性。同时还起着隔离过滤、保持路基填土纯净的作用, 而土工格栅的加强度和抗滑性, 也有其独到的特点。 2.2.3 复合地基法 2.2.3.1 粉喷桩、旋喷桩

都是用水泥(石灰或粉煤灰等) 作为固化剂, 通过深层搅拌机械, 在地下深层将水泥等浆液或粉体经搅拌后产生的化学固化和物理作用形成的桩体, 并与桩固的加强土体形成复合地基, 以增加地基承载力、压缩模量和抗剪切力, 以承担较大的荷载，以减少地基沉降量为目的。

粉喷桩是用干粉与湿软土搅拌成桩, 其适用的加固范围为天然含水量大于30% 的淤泥质土、粘性土和粉性土地基。粉喷桩加固深度一般在15～20m , 直径一般为50 cm , 水泥用量掺入比为

15% ～20% ,石灰粉用量掺入比为12～15%，但最佳掺入比应根据室内试验确定。旋喷桩是用高压旋喷水泥浆液与软土拌和形成柱体, 旋喷桩直径可喷射成40～200 cm 的柱体, 长度也可深些。

复合地基法具有施工速度快、加固深度大、效果好、能有效地解决差异沉降、对周围环境污染少等特点。因而目前较多的用于公路中结构物及结构与路基过渡段地基处治工程, 尤其是工期紧迫, 要求限期通车的地段。 2.2.3.2 碎石桩

是利用振冲器, 在高压水流下边冲边振在软土中成孔, 并分批在孔内充填碎石形成桩体, 与挤密土体成为复合地基。

为了保证桩基质量, 在施工前应作好地质勘探并取出当地土样, 做室内最佳配合比试验, 以确定合理固化剂掺入量。在施工时要加强监视以保证桩基位置、数量、长度, 以及材料质量和用量, 搅拌次数和冲振情况, 同时还要做取芯检查或其他测试手段, 如触探、荷载试验以了解其加固效果。

2.2.3.3 强夯置换法

适用于软塑至流塑的粘性土等软弱地基, 对于解决差异沉降效果理想。置换材料可用粒径不大于500 mm , 能配良好的碎石类土及砾砂粗砂等硬质材料, 其含量的质量分数不大于5% , 当处理不排水抗剪强度小于20 kPa 的土层时, 宜选用直径较大的块石或碎石等。墩位布置对于公路这样的条形基础来说, 宜按正方形、矩形或等腰三角形布置, 墩的间距一般为3～6m。处理范围应大于基底面积, 应在处理地基范围外缘增加一排墩。在墩顶应铺设一层厚度为0. 5～1. 0倍墩净间距的垫层, 最小厚度应大于500 mm , 垫层材料可采用块石、碎石等, 该方法的有效加固深度一般为4～9m。在贵州省余庆至凯里（含施秉支线）高速公路GK1+280~GK1+320，GK1+680~GK1+740路段墩顶铺设厚度为0.5m碎石垫层，夯柱片碎石。

复合地基比之前几种方法施工时间快, 效果也不错, 但由于动用机械多, 使用材料贵, 相应造价也高。

本文结合目前项目的实际情况仅对于常用的路基浅层软基处理中的换填垫层法来展开说明。 3 换填垫层法的原理

换填法是浅层软土地基的一种处理方法。其方法是将基础地面以下一定深度范围内的软弱土层挖去, 然后以质地坚硬、强度较高、压缩性较小、料源丰富、性能稳定好、具有抗侵蚀性的砂、碎石、卵石、素土、灰土矿渣等材料分层换填, 同时用人工或机械方法进行表层压、夯、振动等密实处理至满足工程要求的全过程。通过换填处理后, 地基可以满足结构物的基底要求。垫层起的作用至关重大, 其主要表现在以下几点:

1） 提高基底承载力。通过换填处理后的垫层, 上部荷载被扩散至垫层下的下卧层, 从而达到上部建筑所需的地基承载力。同时，承载力与地基下土层的抗剪强度有关，垫层材料的抗剪强度较软弱土层的要大得多, 换填后, 可以提高地基承载力, 避免地基破坏。

2）减少沉降量。一般而言, 地基浅层部分的沉降量在总沉降量中所占比例较大( 50 %左右) 。通过垫层置换软弱土层后, 可明显减少地基的沉降量。同时, 通过垫层的扩散作用, 使下卧层土上的压力较小, 这样又可减少下卧层土的沉降量。

3) 加速软弱土层的排水固结。不透水基础或透水性差的路堤直接与软弱土层相接触，在荷载作用下, 软弱土层中的水被迫绕基础两侧排除, 从而使基底下的软弱土不易固结, 形成较大的孔隙水压力, 严重者还能造成塑性破坏的危险。当用渗透系数大的垫层材料置换后, 可形成良好的排水通道, 使基础下面的空隙水压力迅速消散, 加速了软弱土层的排水固结和强度的提高。

4) 调整不均匀地基的刚度。当基底地质变化明显时, 因各地质层刚度不一, 容易造成不均匀沉降而破坏结构物。通过同一材料的垫层换填后, 利用其本身的刚度条件, 可以很好地改善地基刚度的不均匀性。

5) 防止冻胀。寒冷地区的冻胀破坏历来是工程重视的现象之一。通过选用粗颗粒的垫层材料, 利用其孔隙大的优点, 不易产生毛细管现象, 因此可以有效防止寒冷地区土中结冰造成破坏。

6) 消除膨胀土的胀缩作用。因垫层能起到不同作用( 可起换土作用, 排水固结作用等) , 并且可根据所换土层性质不同而相应地变化。所以, 垫层可起到消除膨胀土的胀缩作用。 4 换填垫层材料的选用

按换填材料的不同，垫层可分为素土垫层、砂和砂石垫层、灰土垫层、碎石垫层和废渣垫层等。

4.1 素土垫层材料

素土垫层的施工顺序是先挖去基础下的部分或全部软土，然后回填素土，分层压实。不宜用于回填地下水位以下土层。

素土垫层土料一般宜粘性土为宜，但土料中有机质含量不得超过5%，也不应含有冻土或膨胀土；不应采用地表耕植土、淤泥、淤泥质土或杂填土。施工中基槽内不得地下水，夯（压）实施工时控制土料含水量使之接近最优含水量。分层填筑时，虚铺厚度为150mm～300mm。施工中长根据压实系数

来控制填土密实度。

4.2 砂和砂石垫层材料

砂垫层比较土有较大的强度和变形模量，基础底面的压力通过砂垫层的扩散作用分布到较大的面积上，以满足地基稳定和变形的要求。砂垫层的选用一般应选择强度高、稳定性较好的中砂、粗砂和砂砾等。宜选用级配良好、质地坚硬的粒料，使其不均匀系数大于10，材料含泥量不应大于5%，对于用作排水固结的垫层，含泥量不应大于3%，且不宜夹杂过大的石块，否则会导致垫层的不均匀压缩。但施工时，砂垫层中不得含有植物残体、垃圾等有机杂质；砂垫层较其他材料造价较高，应进行比较来使用。 5 换填垫层的施工

1）换填垫层施工时应注意基坑排水，除采用水撼法施工砂垫层外，不得在浸水条件下施工，必要时应采用降低地下水位的措施。

2）基坑开挖时应避免坑底土层受扰动，可保留约200mm厚的土层暂不挖去，待铺填垫层前再挖至设计标高。严禁扰动垫层下的软弱土层，防止其被践踏或受水浸泡。在碎石或卵石垫层底部宜设置150～300mm厚的砂垫层或铺一层土工织物，以防止软弱土层表面的局部破坏，同时必须防止基坑边坡坍土混入垫层。

3）垫层底面宜设在同一标高上，如深度不同，基坑底土面应挖成阶梯或斜坡搭接，并按先深后浅的顺序进行垫层施工，搭接处应夯压密实。

4）垫层施工应根据不同的换填材料选择施工机械。粉质粘土、灰土宜采用平碾、振动碾或羊足碾。粉煤灰宜采用平碾、振动碾、平板振动器、蛙式夯。矿渣宜采用平板振动器或平碾，也可采用振动碾。垫层的压实标准可按表二选用： 施工方法 换填材料类别 压实系数碎石、卵石 砂夹石 土夹石 碾压、振密或夯实 中砂、粗砂、砾砂 粉质粘土 灰土 粉煤灰 0.95 0.90～0.95 0.94～0.97 o 6 质量通病及防治 6.1 砂垫层

1）砂垫层的横向排水慢，达不到工程对沉降、固结的要求，导致公路路面不平整，影响行驶质量。

2）原因分析

①砂的含泥量大。 ②砂垫层的厚度小。

③砂垫层下面的整平层施工方法不当。

④压实机械选择不当或压实方法不对，形成压实度不够或压实不均匀。

3）预防措施

①严格执行JTJ017-96规定：当与排水固结法综合处治软基时，其含泥量不大于3%。

②砂垫层的作用主要是为了排放固结法竖向渗出的地下水，如果垫层厚度小，很快被沉入地面下，就会显著地影响其排水作用，亦即影响到排水固结效果。为此，应严格执行规定，保证砂垫层的厚度。

③要重视砂垫层下面整平层的施工质量，如果其下面砂垫层的施工方法不当，导致路基中间低，两侧高的倒路拱时，不少垫层不但没有起到横向排水作用，反而起了聚水盆的积水作用，加剧了路基的损坏。

④严格执行JTJ017-96规定：碾压法施工时最佳含水量一般控制在8%-12%，摊铺厚度为250mm-350mm，压实机具为60KN-100KN压路机。

4）处理方法

①采用正确的施工工艺和方法，严格按《公路路基施工技术规范》（JTJ033-95）对整平层的质量进行验收。

②在砂垫层施工时达不到工程对沉降、固结的要求时，应查明原因，有针对性地改进材料以及施工机械、施工方法，必要时可考虑加厚砂垫层。

③在路面完工后发生沉降量大、路面不平整、跳车等，可考虑沉降到某一路面平整度容许值时，逐次填罩沥青材料使之平顺，直至沉降平稳，路面平整度达到要求为止。 7 小结

1）换填垫层的施工方法一般有碾压法、重锤夯实法和振动压实法。可根据垫层材料的性质及现场场地情况综合比较选用。

2） 换填材料的选择既要考虑就地取材和料源丰富的原则，又要符合强度的要求。

3）换填施工前应通过室内土工试验来判定软土的特性（其中试验指标有：含水量、孔隙比、塑限、液限、土的容重等），还要确定出现场地下水位的深度和软土均布的厚度。

4）垫层换填深度一般控制在3m以内，但不宜过薄（小于0.5m），因为垫层太薄，则垫层的作用不显著；但垫层深度也不应太厚（大于3m），因为垫层太厚，则施工困难，用料过多，应进行经济、技术比较。

5）当淤泥面积相对换填面积为大面积，全部换填有困难时，可在一定范围内抛石挤淤，设置拦淤坝，进行封闭置换。

6）当涵洞基础左右沉降不一致时，可将垫层做成整体式，通过垫层来调整不均匀沉降。 参 考 文 献

[1] 《城市道路软土地基处理》05MR301，中国建筑标准设计研究院

[2]《建筑地基处理技术规范》JGJ 79-2002，中华人民共和国建设部 2002年12月 [3]《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》TJT017-96，北京：人民交通出版社，1997年 [4] 邓学钧 《路基路面工程》，北京，人民交通出版社，1999年5月 [5] 刘玉卓 《公路工程软基处理》，北京，人民交通出版社，2003年2月