就地固化在深层软基处理中的应用研究.pdf

总658期2023年第28期（10月 上）0 引言我国东部沿海地区存在大量的深层软土地基，在深层软土地基上修建道路，重点是控制其工后沉降，避免产生不均匀的工后沉降而导致道路破坏，因此，做好软基处理是深层软土地区道路工程质量的重要保障。本文结合东莞市中洪路工程的软基处理特点，分析就地固化处理方案在净空受限情况下深层软基处理的应用。1 就地固化技术简介1.1 就地固化处理的原理就地固化是在待处理的软弱土层中加入适量的土壤固化剂，对软弱土进行均匀强力搅拌达到土质改良、固化和稳定，形成具有一定承载力的硬壳层的新型施工技术。常见的就地固化处理机械是由挖掘机直接改造而成，将用于就地固化的强力搅拌头安装在挖掘机上，强力搅拌头设置有浆喷装置，在搅拌土体的过程中可以喷出固化剂，边搅拌，边喷浆，实现土体和固化剂的充分融合。固化剂是由后台料仓储存，由自动定量供料系统控制其具体供应量1。1.2 就地固化处理的优点1）就地取材，变废为宝城市基础工程建设过程中产生的大量建筑渣土、淤泥，通过固化技术进行快速固化处理，避免淤泥、渣土堆存占用大量土地和造成一定的环境污染；处理后的固化土用于路基建设，形成路基板体，解决了软基筑路基础不稳形成的波浪道路和路基塌陷问题。软弱土固化后形成复合稳定土，能够实现就地取材，变废为宝。2）工期短，成本低就地固化的养护期一般为328 d，养护期间适当洒水，养护期限满后，即可进入施工设备而形成建设用地，具有施工方便、工期短、成本低廉和固化效果稳定等特点。3）施工机械简单，高度较低就地固化施工机械采用挖掘机简单改装即可，机械高度低，对一些净空受限区域的软基处理具有一定的优势。1.3 就地固化技术应用现状针对软基处理方面，就地固化技术目前主要应用方向是固化浅层软土后提供施工机械作业平台，常应用于鱼塘范围或海滩范围。对深层软基的处理采用浅层就地固化和深层水泥搅拌桩结合的处理方式，并未将就地固化方案作为独立的深层软土地基处理措施。2 就地固化技术在处理深层软土地基中的应用2.1 软土地基硬壳层理论深层软土地区表层往往存在硬壳层，其压缩性较低，具有相对较好的承载作用。已有较多研究指出，天然软土地基上的硬壳层与其下软土形成一个整体的承力系统，硬壳层的存在限制了软土受力后向四周和向上鼓起，加大了使软土发生剪切破坏需要的荷载。同时，硬壳层具有一定的刚度和较大的密实度，在受力结构中可以承担一部分荷载产生的剪力，因此，软土表面的硬壳层起到了一定的板体作用，即壳体效应。壳体效应的存在加大了荷载传递范围，使附加应力更小，更均匀，减少了后期软土地基的不均匀沉降。2.2 硬壳层上低填路基临界高度相关研究虽然对硬壳层的相关理论研究较多，对硬壳层壳体效应的认识也较清楚，但对于低填路基填土高度控制在何种高度以下就可以利用硬壳层而不进行深层软基处理还没有统一的结论。付传飞2提出，硬壳层地基受力后的承载阶段主要有3个。收稿日期：2022-12-25作者简介：杨成里（1988），男，山东德州人，工程师，从事道路工程设计方面工作。就地固化在深层软基处理中的应用研究杨成里（广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510000）摘要：以东莞市中洪路为例，介绍了就地固化软基处理的原理及施工工艺。现场试验结果表明，就地固化处理后的地基承载力满足规范要求，沉降满足路基工后沉降的要求，可为同类条件下的软基处理工程提供参考。关键词：深层处理；软基处理；就地固化；净空受限中图分类号：U416文献标识码：B70交通世界TRANSPOWORLD1）弹性承载阶段路堤高度小于临界高度，软土硬壳层在受力系统中起主要承载作用，并将路堤的附加荷载扩散到路堤外，降低下层软土内附加荷载，从而减少了软土层的压缩沉降量。硬壳层由于压缩性较低，其虽承受了大部分荷载，但不会增加较多压缩量，硬壳层和软土层总的沉降量较小。2）塑性变形急剧增长阶段当路堤填土高度超过临界高度，硬壳层地基的弹性受力状态将会被破坏，带来软土地基较大的塑性变形。硬壳层因较大塑性变形导致其刚度减小，附加荷载的扩散范围缩小，传递至下卧软土层的附加荷载大幅增加，软土地基的整体沉降量增加较大。3）极限承载状态当路基填土高度进一步加大，硬壳层软土地基处于承载极限状态。硬壳层虽已因较大塑性变形，失去了较大刚性，但相对于下层软土，硬壳层抗剪强度仍较高，其残存的刚度以及和下层软土之间的强度差，使附加荷载应力在地基上部硬壳层聚集，硬壳层和靠近硬壳层的软土承载着较大荷载，下层的软土承受的附加应力仍较小，因此下层软土的压缩沉降也较小，有硬壳层的软土地基相较于无硬壳层的软土地基，其总体沉降较小。蔚晓丹3等研究软土硬壳层路基的临界高度问题，以硬壳层开始出现塑性变形时的路堤填高作为临界高度。其采用工程调研和现场试验以及数值模拟相结合的方法，全面分析了软土地基硬壳层的破坏模式。总结了不同软土地基硬壳层厚度和不同填土高度的地基破坏形式，给出了几种不同硬壳层厚度对应的路堤填土的临界高度。当硬壳层厚度为2 m时，填土临界高度可达1.5 m；当硬壳层厚度为3 m时，填土临界高度可达1.7 m；当硬壳层厚度为5 m时，填土临界高度可达2.6 m。赵宏兴4采用有限元数值分析方法，研究了软土硬壳层应力扩散，提出路基荷载越大，硬壳层应力扩散性能越小，硬壳层刚度大，其应力扩散性能越大。在软土硬壳层不破坏的情况下，路基填土高度不大于软土硬壳层的1.5倍时，可不进行深层软基处理，只采用一些浅层软基处理措施即可。2.3 就地固化人工硬壳层在深层软基处理中的应用方案综合上述硬壳层上填土临界高度的研究可知，对于天然硬壳层，当其厚度不小于填土高度的1.52倍时，可在其上直接填筑路基，满足沉降控制要求。对于就地固化后的人工硬壳层，其强度远远高于天然硬壳层，因此，本文建议针对低填路基，就地固化人工硬壳层按不小于填土高度的1.5倍进行控制。同时，考虑在深层软土地区，不进行深层软基处理，仅进行浅层固化处理的应用案例较少，结合就地固化技术的发展，其最深可加固处理至7 m，因此，本文推荐采用浅层整体固化结合局部格栅状深层固化的处理方式。3 工程案例3.1 工程概况中洪路位于东莞市西北部，呈南北走向，起于东莞市中堂镇进园大道（向北通过跨东江北干流的规划中新大桥连接广州），向南经中堂、望牛墩、洪梅镇，终于洪梅镇洪屋涡水道。终点通过太阳洲立交接上沿海公路。道路等级为城市主干路，路线全长约 19.396km。根据地质勘察资料，中洪路工程沿线存在深层软土地基，主要为淤泥、淤泥质土，顶面埋藏深度为0.7018.20 m，平均 5.17 m，厚度 2.5024.80 m，平均10.18 m，软土分布范围及特征如表1所示，软土的工程特性指标建议值如表2所示。表1 中洪路软土分布范围及特征软土名称淤泥及淤泥质土分布范围（桩号）K0+000K19+200工点路基段分布钻孔编号所有钻孔均有分布埋深/m0.7018.20厚度/m2.524.80上覆层厚度/m填筑土下层粉质黏土2-2、中砂2-4a、粗砂2-4b、砾砂2-5a圆砾2-5b，局部强风化4-1表2 中洪路软土工程特性指标建议值地层名称淤泥2-1a、淤泥质土2-1b（流塑）承载力基本容许值fa0/kPa45压缩模量Es/MPa1.8天然重度/（kN/m3）16.5内摩擦角/5凝聚力C/kPa8基底摩擦因数中洪路起点长度约1.4 km范围内，路基填高最高为1.3 m以下，沿道路走向，在道路中央绿化带上方存在500 kV 高压线路通过，其悬高距离现状地面 15.832m，根据当地电网的电力设施安全保护要求，施工设备和 500 kV 高压线路之间的安全距离不小于 8.5 m。因此，水泥搅拌桩等常规处理方案的施工机械都不满足安全距离要求。3.2 就地固化处理在东莞市中洪路的应用方案针对上方高压线影响导致软基处理净空受限的情况，同时考虑路基填土高度较低，软土表面硬壳层的壳体效应，选择采用就地固化方案进行软基处理。就地固化机械由挖掘机改装而来，施工高度较低，满足高压线下的施工净空要求。参考上述关于软土硬壳层的路基临界高度研究结论，按软土硬壳层不小于路基填土高度的1.5倍控制就71总658期2023年第28期（10月 上）地固化的深度，按项目最大填土高度1.3 m进行计算，需要就地固化厚度不小于1.3 m1.5=1.95 m，因此方案采用整体固化2 m深，然后结合局部加深处理，具体方案是道路拓宽范围表层2 m厚的全部固化，然后局部采用格栅状进行加深固化处理，每个格栅尺寸为长 140cm宽80 cm，纵向和横向间距为200 cm，格栅桩局部加深5 m。3.3 就地固化现场试验为验证就地固化处理效果，同时为大面积施工提供经验，首先选择两处位置作为试验路段，2020年10月5日，参考项目地质勘探资料，选取软土最厚、承载力最差的路段，桩号K0+890K0+910、K0+940K0+960两段作为就地固化试验段，场地整平后，进行就地固化试验。参考国内近几年针对就地固化的固化剂研究成果及应用案例，推荐就地固化的固化剂采用水泥浆剂，水灰比为11，水泥参量为固化土体的10%。就地固化工序采用分段施工，逐步推进的方法，下一区域和上一区域之间需有不小于30 cm的搭接，确保每一区域都充分搅拌。同时，固化剂供料系统全程计量供料情况，保证固化剂掺量不发生较大偏差。3.4 就地固化地基承载力检验2020年12月3日，经过28 d的养护，对选取的两个试验段处理效果进行检测，分别进行平板荷载试验。试验采用方形钢板作为承压板，试验荷载分级加载，以确保荷载沉降的稳定。根据荷载（P）和相应的沉降（s）绘制修正的P-s曲线，在修正的P-s曲线上取s/b=0.15（b为承压板宽度），即沉降量为0.15 mm对应荷载为经就地固化处理后的地基土的承载力特征值，且其值不大于最大加载量的1/2。实验结果为两个试验段就地固化处理后地基承载力特征值均达到100 kPa以上，满足道路范围的承载力要求。3.5 就地固化处理后地基沉降分析通过对两个试验点静载检测的参数进一步分析，发现静载试验中就地固化后地基的最大沉降量均未超过10 mm，回弹率超过50%，两个试验路段地基均未发生破坏，说明就地固化处理后硬壳层地基处于弹性承载阶段。就地固化处理后两个月开始填土和施工路面结构，路面施工后3个月沉降量为12 mm，3个月后继续观测，每月沉降量低于3 mm，此沉降量已满足采用堆载预压处理的软土地基卸载的要求，因此可以推断道路的使用期工后沉降满足相关规范要求。4 结束语本文介绍了几种常用的软基处理方案及其优缺点，以东莞市中洪路为例，针对低填路基，介绍了就地固化在净空高度受限的条件下在深层软基处理上的应用。通过试验段验证结果，就地固化处理后的地基承载力满足设计要求，处理后地基板体性强，有利于克服不均匀地基沉降，根据沉降观测结果，采用就地固化处理后的路基工后沉降量满足规范要求，可为同类软基处理提供参考。参考文献：1 贺新良.就地固化技术在软基处理工程中的应用J.中国公路，2020（17）：114-115.2 付传飞.硬壳层软土地基工程特性研究D.长沙：长沙理工大学，2009.3 蔚晓丹，郑甲佳，吴立坚.软土硬壳层地基的破坏模式J.公路交通科技，2012，29（8）：31-35，43.4 赵宏兴.高速公路软土地基硬壳层作用效应研究J.石家庄铁道学院学报（自然科学版），2008（3）：66-69，77.72