软土地基处理研究综述

1.引言

广东省是我国经济最为发达的地区之一,近年来广东省不断加大交通基础设施建设的投资力度,尤其是高速公路建设投资。广东省沿海经济发达地区,除个别地段外,大多处于平原水网地带,地下水位高,表层地质层次沉积年代早,结构松软,含水量高,变形大,多为软土地基,这决定了广东省修筑高速公路的特点,即需要处理的软基路段多。在软土地区修筑高速公路,路堤地基存在稳定性差和沉降过大等问题,影响工程质量和道路正常使用,常常造成重大的经济损失。本文以珠江三角洲公路软基设计常用处理方法的稳定与沉降为研究对象,在对软土的物理、力学性质参数应用的基础上,采用理论分析及工程实践,对不同软土地基处理方法的稳定与沉降计算方法的选取及它们的变化规律进行了研究,主要得出以下结论和研究成果。 (1)在总结现有的常用软土勘察技术手段的优缺点的基础上,详细阐述了软土物理、力学性质参数在软土地基处理方法以及相应的稳定与沉降计算方法中的配套使用关系,并指出在应用中需要注意到的问题。 (2)对现有常用的软土地基稳定计算与沉降计算方法进行评价。详细归纳了常用软土地基稳定与沉降计算方法的优缺点和适用范围,同时指出不同地基处理方法所采用的稳定与沉降控制指标的差异性,进而计算方法的选取也不尽相同。重点介绍了桩体复合地基的稳定和沉降计算方法以及工后沉降预测方法,同时将工后沉降预测方法的评价应用到实际工程中去。 (3)通过珠江三角洲公路工程的三个工程的设计、施工经验,加固效果及检测情况,最后总结不同软土地基处理方法的优缺点、适用性。

2.国内研究动态

2.1垫层与浅层处理

垫层是指地面上设置的砂垫层、砂砾垫层、碎石垫层、灰土或素土垫层、矿渣垫层以及其他性能稳定、无侵蚀性材料垫层。浅层处理就是把基底下一定浅层范围内的软弱土基全部或部分挖除，用砂、碎石等强度高、性能好的粒状材料回填。

丁明波（2013）认为当软土层贴近地表、土层较薄且渗透性较好的情况下，可以考虑采用砂垫层，铺设砂垫层的技术关键是把砂加密到符合设计要求的密实

度，且要严格控制砂粒大小和含泥量，宜采用中砂及粗砂，不准掺有细砂及粉砂。如果遇到那种新沉积或新吹填起来的超软地基，则施工前必须采取有效措拖加强地基表面的承载力，为施工人员及轻型机械作业创造条件，目前常见的措施是在地基表面铺上荆芭、朔料编织网或者尼龙纺织网、土工合成材料等等。在某些特殊情况下，尽管已经采取了一系列的加强措施，但超软地基表面的持力条件仍然没有明显改善，甚至连轻型机械也无法承载此时，就只能采用人工或极为轻便的机械进行施工作业。石灰土垫层施工中应选用III级以上的高质量石灰做原料，土中应避免出现污染物、有机质及其他有害物质，并且要易于粉碎拌和。用石灰土进行软土地基处理时，为了防止地基土产生冻害或受雨水浸泡，施工应在气温高于5℃和非雨天进行，条件具备时可采用场拌摊铺施工方法。灰土垫层施工前应对下卧地基加以检验，以排除潜在的隐患。施工时应将灰土拌和均匀，严格控制含水量，必要时可以晾晒或洒水，石灰土要想达到规定的压实度要求，就必须在接近最佳含水量的状况下进行碾压。石灰土碾压完毕后，要进行检验并及时洒水养生，避兔其被水浸泡或阳光暴晒而产生裂纹，并及时进行上层施工。对于极软塑、流塑的软土可采用抛石挤淤法，但软土地基的淤泥较厚时须慎重，抛石挤淤时应尽量采用质地坚硬、不易风化的石料。彭承山，肖梅凤（2011）对公路软土地基砂垫层换填技术进行了讨论，认为换填法就是将地基浅层一定深度的软弱土层挖除，然后回填强度较大、压缩性较小、料源丰富、价格低廉且无腐蚀的砂、碎石、石渣、素土、灰土、矿渣以及其他性能稳定的材料，分层夯实至要求的干密度，其作用主要有:一、提高地基承载力与地基下土层的抗剪强度；二、减小沉降量；三、加速软弱土层的排水固结；四、防止冻胀。垫层材料可选择级配良好、质地坚硬的中砂、粗砂、砂砾、圆砂、卵石和碎石等，此外，对于湿陷性黄土地基的垫层，不得选用砂石等渗水材料作为换填材料，并认为砂和砂石垫层采用的施工机具和方法对垫层的施工质量至关重要。刘福生(2010)认为砂石垫层多用于中、小型建筑工程的滨、塘沟等的局部处理，也常用于较大基坑或较大回填量的较弱地基土。适用于一般饱和与非饱和软弱土、半土半岩地区及水下黄土处理(不宜用于湿陷性黄土地基)。可有条件地用于膨胀土地基，但不宜用于动力基础下及大面积堆载下的软弱地基，也不宜用于地下水流速快、水力坡度大且涌水量大的地基处理。施工方法，一般有平振法、插振法、水撼法、夯实法及碾压法等。且在垫层施工中必须严格控制垫层的质量，质量检验应采用分层检验法在每一步均应有纯砂检验点。张文彬、许忠发等（2012）结合实际工程的特点，对常规的真空预压法（图2）进行了改进，他将塑料排水板与透水软管绑扎，透水软管形成水平排水系统，并与抽真空系统直接连接（图3）

图2 图3

2.2排水固结法

排水固结法是对天然地基或先在地基中设置砂井等竖向排水体，然后利用建筑物本身重力分级逐渐加载，或是在建筑物建造以前，在场地先行加载预压，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐渐提高的方法。

张季超,梁铁锚,杨永康（2012）对动力排水固结法处理软土地基的关键技术进行了研究，他们认为该方法具有处理效果好、投资低、工期短的显著特点，其施工工艺流程如下：承托面施工→竖向排水体系施工→横向排水体系施工→埋设监测传感器→3~ 4遍逐级加能点夯(进行各种监测)每遍结束推平夯坑→1~2遍满夯(进行各种监测)、推平、碾压→工后检测。并通过具体工程实践得出:采用竖向与横向相结合的排水体系，有助于加快超静孔隙水的消散速度，缩短两遍夯击的时间间隔，以达到节约工期的目的。王建（2013）也对动力排水固结法进行了研究，其处理方法和张季超大致相同，他认为应根据淤泥厚度、土质和填土情况

采用多遍、低能、由小到大逐级增加的方法进行夯击，排水系统满足设计要求并正常发挥作用是动力排水固结法处理软土地基的关键之一。赵升峰，汪城，苏娟（2010）研究了静动力排水固结法在软土地基中的应用，静动力排水固结法的基本原理是通过设置水平排水体系，并设置竖向排水体系，土层在适量的静力、变化的动力荷载及其持续的后效力的超载作用下，形成孔隙水高压力梯度孔隙水不断排出，孔隙体积减小、有效应力增加，土的抗剪强度不断提高，孔隙比也逐渐

减小，工后沉降大大降低，地基土成为超固结土。并且静动力排水固结法在软土

地基加固处理中效果良好，完全达到了工程的要求;该加固地基的方法不仅弥补了传统软土地基加固法的不足，缩短了工期，降低了工程造价，而且在充分利用天然地基材料的同时也降低了社会资源的浪费和环境污染的程度。余成华，李菊凤（2010）认为由于软粘性土透水性很差，其内的孔隙水渗透非常慢，当工程上遇到的软粘土层很厚时，如果仅采用预压法则软粘土固结十分缓慢，地基土强度增长慢，使预压时间延长或者在一定时间内所需的超载过大而难以施工。为提高土体内超静孔隙水压力消散速率，可以在地基内设置袋装砂井作为竖向排水体（见图4），以缩短排水距离，加速土层固结，袋装砂井施工的一般步骤为：施工设备的准备→沉入套管→袋子灌砂压重沉放管内，扎好砂袋下口后，在其下端放入20cm左右高的砂子作为压重，将袋子放入套管中沉入到要求的深度。如不能沉至要求深度，会有一部分拖留在地面，此时须作排泥处理，直至砂袋沉达预定深度→就地填砂入袋成井→用预制砂袋沉放，也可采用预先在袋内装满砂料，扎好上口，成为预制砂袋，运往现场，弯成圆形，成圈堆放，成孔后将砂袋立即放入孔内。林婵华（2010）认为软土地基的排水加固方法中采用何种方法效果如何，淤泥及淤泥质土本身的渗透系数、压缩系数起着决定性的作用。排水固结是由排水系统和加压系统两个主要部分组成，加压系统是动力促使孔隙水排水，使土层固结。目前主要用加压有堆载法、真空预压法、真空预压联合堆载法等。且静压高强度预应力混凝土管桩适宜以粘土层、砂层、强风化岩层或风化残积土层厚的地层作为持力层;施工时应根据工程具体情况合理选择压桩顺序并采取有效措施来消除挤土效应的影响。为了保证地基加固过程地基土体的稳定性以及地基加固的质量，需要设置一些监测项目，喻志发、闫澍旺（2011）对排水固结法加固软土地基的监测进行了研究，并通过工程实例得出在监测数据超过规范安全标准的情况下，应该根据实际工况进行综合分析，严密监测，仍然可以保证施工过程中的地基稳定和地基加固的质量。何振东(2011)根据场地情况，对砂垫层铺设

方法在地基能承受施工机械运行时，可用机械铺砂，地基软弱不能承受机械碾压时，可用人力车或轻型传递带由外向里铺设，当地基很软施工人员无法上去施工时，可采用铺设荆笆或其他透水性好的编织物的方法，也可根据砂源供应情况采用一次铺设和分层铺设。对于塑料带排水的施工工艺，塑料排水带打设顺序包括:定位，将塑料带通过导管从管靴穿出，将塑料带与桩尖连接贴紧管靴并对准桩位;插入塑料带;拔竹剪断塑料带等。在施工中应注意以下几点:一是塑料带滤水膜在转盘和打设过程中应避免损坏，防止淤泥进入带芯堵塞输水孔，影响塑料带的排水效果;二是塑料带与桩尖连接要牢固，避免提管时脱开，将塑料带拔出;三是严格控制间距和深度，如塑料带拔起2m以上者应补打;四是桩尖平端与导管靴配合要适当，避免错缝，防止淤泥在打设过程中进入导管，增大对塑料带的阻力，甚至将塑料带拔出。最后对于预压荷载的施工，作者认为应根据设计要求，编制详细的堆载预压施工组织设计，并严格按照施工方案施工。王镇辉（2013）对排水固结法信息化施工进行了研究，并通过实践证明，堆载预压排水固结法处理软土地基简单易行，效果良好，工程中通过结合监测数据对施工进行指导，对提高施工效率、节约施工成本具有重要意义，同时为实际软基处理工程提供一种简单实用的信息化施工方法。朱献文，陈青倩，姜百祥（2012）经研究发现用塑料排水板、、超载预压结合起来形成的复合排水固结法（见图5）对快速加固较厚淤泥层，改善软黏土地基的变形性能有良好的效果，明显提高了地基抵抗变形的能力，使地基沉降趋于均匀。通过在预压荷载作用下使软劲土地基土体中孔隙水排出，达到减小地基工后沉降和提高地基承载力的目的。

2.3振冲碎石桩

振冲碎石桩是指利用一个产生水平方向振动的管状设备，在高压水流下边振动冲在软弱粘性土地基中成孔，再在孔内分批填入碎石等坚硬材料制成一根根桩体，桩体和原来的粘性土构成复合地基。

刘必光（2013）结合工程实例对振冲碎石桩施工及管理措施进行探讨，根据地质资料反映的地质情况及岩土的工程性质，其振冲碎石桩施工工序为：①清淤、清理场地，平整场地至桩顶设计标高:布置桩位，根据试桩结果，确定施工技术参数；②放线、定位:测量放线后吊车就位，吊起振冲器，使其竖直、悬空，距地面10- 20cm，并让尖端对准桩位，检查水压、电压和振冲器电流是否正常；③造孔；④清孔；⑤填料、振密、制桩；⑥重复上一步骤工作，自下而上，直至加密到设计要求桩顶标高；⑦关闭振冲器，关水，制桩结束。周光临（2012）结合工程实例讲述了采用振冲碎石桩加固饱和软粘土地基的方法，并对施工工艺和质量控制等方面应注意的几个问题作了论述。根据该工程的地质特征，其施工工艺流程（见图6）和碎石桩处理布置图（见图7）如下：

图6 图7

周光临认为碎石桩施工噪声较小，无排污，受场地因素影响大，并且工期短、成本低，在施工过程中应注意如下几个问题：一、密实电流；二、管桩留振时间；

三、碎石灌入量不足设计量。党永杰（2012）结合施工实践，就振冲碎石桩的施工工艺、质量控制要点及施工体会等做简要介绍。其振冲碎石桩的施工工序和刘必光所提到的施工工序大致相同，其工序为：施工准备→测量定桩位→钻机架设→振冲钻孔→清孔→填料→振实成桩→成桩检测(桩体及桩间土)。他认为振冲碎石桩施工适用于松散粉细砂、中粗砂、砂砾石、粘性土、黄土等地层，在提高地基的承载力、减小地基的沉降量、消除地震时地基可能产生的液化现象等方面，振冲碎石桩具有不可替代的作用，还认为施工前有必要对施工地段的地层进行复勘；在振冲碎石桩施工时，要分序施工，至少分二次序施工，要隔桩、隔排跳打；桩体顶部以下1. 0m左右的土层加固要加强；填料不宜过猛过快；应准确、详细记录施工中的相关数据。尹丹丹，宣红（2013）认为控制建设品质要严格控制水压、电流和振冲器在固定深度位置的留振时间；电压一般为380±20V，而且要相对的稳定；在填料的时候，不应该一次加入过多，每次少加一些，但是多一些次数；振冲碎石桩施工完成四个星期后即可做单桩复合地基荷载试验，按每300根随机抽取1根进行检验，但总数不得少于3根。桩体密实度抽查5 %，复合地基承载力抽查5%。刘天平（2013）认为振冲碎石柱的施工，组织好振冲碎石桩的施工是质量控制的关键，工程技术人员应认真对待，组织好每一个施工环节。对于振冲碎石桩的施工，监理应实行旁站；在选料方面，碎石中不得含有风化料，含泥量不得大于5%；填料时每一深度处桩体填料应以密实电流达到规定要求为准，否则不得停止加料；振冲制桩应由下至上逐段进行，要求段段合格，不得遗漏；振冲碎石桩施工中，将会排出大量污泥，对路基和周围环境造成不利影响，因此施工中必须做好排污处理，这点与周光临的无排污观点相反。刘天平还认为碎石桩技术对特殊软基不适用，如对流塑性很大淤泥地层单用碎石桩加固成效甚微。

2.4粉喷桩

粉喷桩属于深层搅拌法加固地基方法的一种形式，也叫加固土桩。深层搅拌法是加固饱和软粘土地基的一种新颖方法，它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的搅拌机械就地将软土和固化剂(浆液状和粉体状)强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理一化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的优质地基。粉喷桩就是采用粉体状固化剂来进行软基搅拌处理的方法。粉喷桩加固软上地基的原理是在搅动软土的过程中，喷射水泥粉、石灰粉等粉体，通过粉体材料与软土及孔隙中水的一系列化学反应，形成丝状、网格状胶凝体骨架或结石，降低软土的含水量，从而提高复合地基的抗剪强度和承载能力。

胡慧梅认为粉喷桩质量的优劣主要反映在粉喷桩的强度指标上，这不仅与掺入粉体的质量、施工工艺、地基土的性质有关，其中尤以含水量的关系甚为密切，如果在施工过程中土壤含水量过大（大于70%）情况下，必须增加粉体的掺入量和采用复搅的施工工艺，一般常采用“四搅四喷”工艺来解决高含水量地基上中成桩问题，当发生“掉桩”或“下沉”时，要当时采取立即回填土并重新复喷复搅。胡慧梅还认为桩的强度应适度，要和天然土的强度相匹配，当然，桩的强度很低也是不行的。在施工中置换率和掺入比要达到规范要求，规范要求中置换率为10%~20%，掺入比为7%~15%。作者还提到在施工时要进行复搅，如承受水平推力作用的话，应进行全程复搅，若作为地基加固只承受垂直向力作用，也可以只复搅上部1/3的桩体。为避免桩体浅层破坏，宜采用变参数设计的

施工工艺，即桩体上部2/3桩长的水泥掺入比比下部增加0. 5~1. 0倍。刘路海（2012）认为粉喷桩施工的一般流程如下：桩位放样→钻机就位→检验桩基调平机体→钻进至设计深度→高压送气打开喷粉孔→反钻提钻并喷水泥→至工作设计标高上50cm停止喷粉→重复搅拌并复喷→反转提钻至地表→成桩结束→移机就位在下个桩位施工。在施工过程中，严禁没有粉体计量装置的喷粉机投入使用；定时检查粉喷桩的成桩直径及搅拌均匀程度；当喷粉成桩过程中遇有故障而停止喷粉，在第二次喷粉接桩时，其喷粉重叠长度不得小于1m；当钻头提升至地面以下0.5m时，为防止污染，喷粉机应停止喷粉；应检查起吊设备的平整度和导向架对地面的垂直度，每工作班检查不少于2次，使垂直度偏差不超过1%。王宇（2013）认为粉喷桩施工前应做好如下准备工作：粉喷桩施工场地事先予平整，

必须清除地而上大于10cm的石块、树根、生活垃圾等，场地低洼时应回填素黏性土，禁止回填。由于粉喷桩体强度和质量与多种因素有关，因此施工前，首先在室内标准条件下准备水泥土试件，进行不同龄期强度试验，以验证设计参数，如达不到设计要求，调整水泥用量，以满足实际工程需要。施工前还要取土样进行水泥土试验，以确定该工点软土在各种掺灰量下水泥设计参数，供施工选用。确定最佳含水量，采用90d水泥土无侧限抗压强度作为设计强度，粉喷桩施工前，必须选择有代表性的地段进行工艺性试验，以确定主要工艺参数，并报监理单位确认。常周文、王清华（2012）认为打桩前应将软土在原位尽量切碎，以利于同水泥粉均匀搅拌，土体含水量越低，则应降低钻进速度。要严格控制水泥材料的质量，水泥投入灰罐前须经过4目/cm筛网过筛，去除杂物和块状体。确保加固桩柱体强度和均匀性，当制桩发送水泥加固料时，不允许发生断灰现象，必须有人监视发送设备、输灰管道。他们还认为在地基承载力不是很高(复合地基承载力小于300Kpa)情况下，越来越得到广泛的应用。陈东（2013）认为在水泥粉喷桩在施工前要先进行室内配比试验，再进行试桩试验，应了解施工区段的成桩工艺及各项技术参数，施工现场应满足粉喷桩现场施工要求，即首先施工放样，清理平整场地，准确定位桩。陈东还认为水泥粉喷桩适宜用于饱和软土地基的加固，当进行粉喷桩地基加固时降低地下水位或者地下水位较低时，对粉喷桩对土的含水量要求应充分考虑，针对具体情况，为迅速提高软土地基的强度可采取注水、蓄水养护等增湿措施。丰虎成（2012）认为在施工前，要先清除粉喷桩位处表面土，以及一切地下障碍物(树根、石块等)，再用填粘性土回填场地低注处，积水处需考虑抽水、清淤再整平。为确保工程质量，必须控制施工放样，机械，原材料质量，室内配比试验和施工工艺的操作流程。根据固化剂喷入的形态，采用不同的施工机械组合，明确设计图纸，检测放样断面坐标，确定满足设计要求的粉喷桩处理宽度，桩距，施工根数。在施工过程中由于钻机遇到不同土层的钻进速度不同，因此在钻进速度慢的硬土层调低喷粉流量，在钻进速度快的淤泥层时应加人喷粉流量，用控制总量的方法，确保实体工程的质量。

3.国外研究动态

地基处理技术最早在欧洲的一些国家得到了发展，并取得了非常丰富的科研成果以及工程实践经验。Tae-Hyung Kim、Tae-Hoon Kim、Gi-Chun Kang（2013）

在他们的文章中研究了利用LWS（lightweight air-mixed soil）这种材料在未经处理的软土层中的应用。A. Arulrajah、M.W. Bo、M. Leong（2013）研究了如何利用塑料排水板来改善软土地基。Mohamed B.D. Elsawy、Kamal M. Hafez Ismail （2013）在他们的文章中论述了软土承载力与时间有关的性质的重要性。Kousik Deb、Anirban Dhar（2010）使用多目标优化技术对碎石桩进行了研究，并提出了优化设计方案，他们认为使用碎石桩可以加快软粘土的固结速度，并在研究中发现想要最大化的减少沉降量取决于碎石桩的固结速度，且弹性模量比和石桩承载的极限应力两个参数是优化设计中非常重要的两个参数。

4.研究目的：在道桥工程中，软土地基的处理几乎是每个工程都会面临的问题，而路基的处理况又直接影响到公路路基的稳定性和承载能力。我国软土分布较广，在软土地基进行公路的修筑难度较大。虽然公路软土地基处理的方法有很多，但要依据路段的实际情况进行技术的选择和实施。本文通过收集和整理近几年有关公路软土地基处理技术方面的文献，并进行梳理和总结，以期更为全面的展现公路软土地基的处理技术。

5.总结

通过收集和整理近几年有关公路软土地基处理技术方面的文献，并进行梳理，现阶段公路软土地基的处理技术大致可分为：垫层法、排水固结法、振冲碎石桩法、粉喷桩法四种。每一种地基处理方法都有其适用范围和局限性，不存在任何条件下都是最合理的万能的处理方法。因此，需要合理的选用适用于本项目的软土地基处理方法。对软土地基处理技术手段的选择，首先需要了解软土地基处理的目的、建筑工程对地基性能的具体要求、设计要求的地基承载力、土的性质、施工工艺及设备、对施工周期的要求，以及当地积累的施工经验、地方材料来源及工程造价、周围环境对施工的特定要求(如振动噪音、污染等)，以及应当明确本项目对于软土地基处理方案的要求。如换填法就适用于软土很浅的路段；袋装沙井法用于一般性的对工后沉降要求不高的路段大面积的软基处理；而塑料排水板用于一般性的对工后沉降要求不高的路段大面积的软基处理，但是塑料排水板的排水通道容易发生堵塞，并且不同厂家的塑料排水板质量参差不齐，因而在工程中应用已经逐步减少；管桩则适合用于深厚软土地基、承载力要求高、沉降要求严格的结构物基础等等。因此我们要结合项目的实际情况，通过认真对比，选择最适合于项目的软土处理方法。

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