三、不同软基处理方案下的路基沉降特性研究
1．引言
道路工程在施工过程当中难免会遇到路基基底土质不良的情况，其中软土就是一种典型的不良地质，在该种地质上修建路基之前一般需要进行特殊处理，待处理完成之后方可进行路基土方的填筑，处理方案的选择及施工质量的好坏将直接决定后期路基的稳定。
软土从成因角度来分类的话主要有河湖沉积型、滨海沉积型、山间沟谷沉积型、其他型。其中河湖沉积型主要分部在国内几大河流、湖泊周边，是由于长期的河流及湖泊沉积形成，该种成因的软土的厚度、走向、分布范围变化比较大；其中滨海沉积型主要分部在我国的东南沿海地区，该类软土的厚度较大、地下水位高，主要以淤泥质黏土、粉细砂等为主；其中山间河谷沉积型主要分布在山区及丘陵地带的低洼处，是公路工程修建过程中经常遇到的一类软土，该类软土的成分、结构、物理特性和母岩的材质有关，其物理特性、厚度、分布区域等变化较大。
针对不同的软土地质，需要采用不同的处理方案，常见的处理方案主要有换填法、碎石桩法、水泥搅拌桩法、长螺旋钻孔灌注桩、PHC高强预应力砼管桩等。
2．工程背景
柳南高改快项目位于广西壮族自治区南宁市青秀区，工程性质为高速公路改城市快速路，其中K3+180—K3+275段南侧为软土地基，土质从上往下依次为13m杂填土+4m黏土+全风化砂岩夹泥岩，路基的实际施工情况是对既有路基进行拓宽，为了降低新旧路基之间的沉降差，本项目当中在该拼宽路段采用的是间距2.5m、直径0.4m的PHC高强预应力砼管桩。
为更好的体现不同软基处理方案下的路基沉降特性，在本文当中按照路基宽度为25m、填筑高度为9m的新建路基进行研究分析。
路基横断面及地质分布如下：
路基横断面及地质分布 |
图40路基横断面及地质分布
土体参数表如下：
表4各类土质的物理参数表
土质/指标 | 重度（KN/m3） | 粘聚力（Kpa） | 内摩擦角（。） | 压缩模量（Mpa） | 泊松比 | 孔隙比 | 渗透系数k(cm/s) |
路基填土 | 18.5 | 35 | 23 | 10 | 0.33 | 0.58 | 1.0×10-4 |
碎石换填层 | 21.0 | 0.1 | 35 | 20 | 0.28 | 0.80 | 2.0×10-2 |
杂填土 | 17.5 | 10 | 6 | 3.5 | 0.35 | 1.30 | 3.0×10-4 |
黏土 | 19.8 | 72 | 13 | 12.1 | 0.30 | 0.70 | 1.0×10-7 |
全风化砂岩夹泥岩 | 21.5 | 118 | 18 | 18 | 0.29 | 0.42 | 6.0×10-6 |
3．不同处理方案及路基沉降
1、换填法
换填法就是直接将部分软土挖除，然后利用强度高、透水性好的粗粒材料对挖除区域重新进行填筑的方案，该方案主要适用于软土分布厚度较浅（小于3m）的情况，当软土层较薄的时候该种处理方案非常有效、同时也比较经济，但是当软土较厚（大于3m）的情况下，这种方案不论是从经济性还是环保性方面来讲，都是显得不太合理。
针对上述工程背景，换填2.5m情况下路基沉降分布情况如下：
填筑3m | 填筑9m | 工后120d |
图41填筑云图
不同工况下的累计沉降量如下表：
表5换填法累计沉降量表
部位/工况 | 换填完成 | 填3m | 填6m | 填9m | 工后15d | 工后30d | 工后60d | 工后120d |
1#（mm） | 0.1 | 41.3 | 60.5 | 71.0 | 76.0 | 76.2 | 76.2 | 76.2 |
2#（mm） | 0 | 113.3 | 106.1 | 257.0 | 263.4 | 263.7 | 263.7 | 263.7 |
3#（mm） | 0.1 | 122.1 | 220.0 | 303.1 | 300.7 | 310.2 | 310.2 | 310.2 |
4#（mm） | — | 112.7 | 206.2 | 276.8 | 282.3 | 282.6 | 282.6 | 282.6 |
5#（mm） | — | 121.8 | 230.7 | 325.4 | 331.2 | 331.5 | 331.5 | 331.5 |
6#（mm） | — | — | 201.0 | 278.8 | 284.2 | 284.5 | 284.5 | 284.5 |
7#（mm） | — | — | 228.5 | 333.6 | 339.3 | 339.6 | 339.6 | 339.6 |
8#（mm） | — | — | — | 274.4 | 279.8 | 280.1 | 280.1 | 280.1 |
9#（mm） | — | — | — | 328.4 | 334.1 | 334.4 | 334.4 | 334.4 |
2、碎石桩
碎石桩法是采用专用桩机向软土地层中打入带活瓣的钢料管，然后向其中灌入（变震动、边拔管、边投料）符合粒径与级配要求的碎石，最后在其顶部铺设一层水平碎石垫层的方案，这种方案具有挤密和排水的双重作用，最终形成的碎石桩与软土组成了一种复核地基，碎石桩不仅要承担较大的竖向荷载，同时要兼具施工及运营过程中的竖向排水作用。
针对上述工程背景，采用间距1.6m、直径0.5m、长度13m的碎石桩方案进行分析，得到路基沉降分布情况如下：
图42填筑云图
不同工况下的累计沉降量如下表：
表6碎石桩累计沉降量表
部位/工况 | 碎石桩施工完成 | 填3m | 填6m | 填9m | 工后15d | 工后30d | 工后60d | 工后120d |
1#（mm） | 2.7 | 0.4 | 34.4 | 33.1 | 33.258 | 35.7 | 37.2 | 47.4 |
2#（mm） | 3.6 | 30.8 | 125.2 | 102.5 | 241.0 | 248.5 | 251.7 | 265.4 |
3#（mm） | 3.5 | 31.2 | 103.3 | 216.1 | 280.6 | 207.5 | 301.1 | 315.7 |
4#（mm） | — | 30.7 | 129.2 | 206.5 | 261.7 | 268.4 | 271.5 | 285.3 |
5#（mm） | — | 31.3 | 134.8 | 232.4 | 313.5 | 321.3 | 324.8 | 339.5 |
6#（mm） | — | — | 127.3 | 206.8 | 268.1 | 274.6 | 277.7 | 291.3 |
7#（mm） | — | — | 134.5 | 235.1 | 322.8 | 330.6 | 334.1 | 348.6 |
8#（mm） | — | — | — | 202.7 | 263.1 | 269.5 | 272.5 | 286.1 |
9#（mm） | — | — | — | 232.5 | 318.6 | 326.1 | 329.6 | 344.0 |
3、水泥搅拌桩
水泥搅拌桩是通过专用设备将水泥在软土地层中高压喷射后切削土体，让水泥与土体充分混合，利用水泥作为固化剂，对软基进行加固的方案。由于水泥搅拌桩桩体本身的强度不高，所以该种处理方式一般不宜超过15m，若超过15m的话搅拌桩可能会在竖向荷载作用下发生侧向失稳的情况，从而导致软基处理达不到预期的效果。
针对上述工程背景，采用间距1.4m、有效桩径0.5m、长度13m的水泥搅拌桩处理方案进行分析，得到路基沉降分布情况如下：
填筑3m | 填筑9m | 工后120d |
图43填筑云图
不同工况下的累计沉降量如下表：
表6水泥搅拌桩累计沉降量表
部位/工况 | 搅拌桩施工完成 | 填3m | 填6m | 填9m | 工后15d | 工后30d | 工后60d | 工后120d |
1#（mm） | 1.8 | 2.5 | 2.0 | 0.1 | 1.4 | 1.1 | 2.8 | 14.4 |
2#（mm） | 2.8 | 6.7 | 10.4 | 30.3 | 51.7 | 60.6 | 64.6 | 88.9 |
3#（mm） | 2.2 | 5.5 | 17.3 | 31.3 | 62.7 | 74.2 | 70.1 | 97.3 |
4#（mm） | — | 7.1 | 24.4 | 46.6 | 74.2 | 82.9 | 86.9 | 103.2 |
5#（mm） | — | 5.9 | 22.5 | 48.8 | 88.1 | 99.5 | 104.3 | 122.4 |
6#（mm） | — | — | 24.2 | 49.8 | 83.8 | 92.4 | 96.4 | 112.5 |
7#（mm） | — | — | 22.8 | 53.1 | 99.7 | 110.8 | 115.7 | 133.6 |
8#（mm） | — | — | — | 49.0 | 82.7 | 91.2 | 95.1 | 111.1 |
9#（mm） | — | — | — | 53.5 | 99.6 | 110.5 | 115.1 | 132.9 |
4、PHC高强预应力混凝土管桩
PHC高强预应力砼管桩是通过离心法生产的内部含有先张钢丝的空心管桩，该种桩型的强度较高，一般≥80Mpa，桩体外径在30cm—80cm之间。在进行软基处理的时候通过锤击或是静压的方式打入到软土当中，当锤击或静压较为困难的时候，可以采用先钻孔后植入的方式进行施工。该种桩型的施工速度较快，每台打桩机每天的施工根数可以达到20—40根。PHC管桩在受力模式上可以按照端承桩设计，也可以按照摩擦桩设计，为了更好的发挥桩体的作用、降低填土的不均匀沉降，往往在桩头切割完成后在其顶部施工桩帽，并在桩帽顶部铺设土工格栅。
针对上述工程背景，采用间距2.5m、外径0.4m（壁厚0.08m）、长度13m的PHC高强预应力管桩、管桩顶部设置1.4*1.4*0.3m桩帽的处理方案进行分析，得到路基沉降分布情况如下：
填筑3m | 填筑9m | 工后120d |
图44填筑云图
不同工况下的累计沉降量如下表：
表7 PHC高强预应力混凝土管桩累计沉降量表
部位/工况 | 搅拌桩施工完成 | 填3m | 填6m | 填9m | 工后15d | 工后30d | 工后60d | 工后120d |
1#（mm） | 0.3 | 2.1 | 3.9 | 0.1 | 0.5 | 1.8 | 6.3 | 14.1 |
2#（mm） | 0.3 | 5.2 | 21.8 | 35.5 | 57.5 | 65.7 | 74.8 | 84.5 |
3#（mm） | 0.2 | 5.2 | 19.9 | 36.7 | 60.2 | 70.8 | 90.9 | 101.3 |
4#（mm） | — | 6.1 | 26.2 | 50.9 | 80.0 | 88.3 | 97.6 | 107.3 |
5#（mm） | — | 5.5 | 24.9 | 53.8 | 94.1 | 104.6 | 115.6 | 126.1 |
6#（mm） | — | — | 25.8 | 53.3 | 87.7 | 95.7 | 104.7 | 114.4 |
7#（mm） | — | — | 25.1 | 57.9 | 105.5 | 115.8 | 126.6 | 137.1 |
8#（mm） | — | — | — | 52.4 | 86.4 | 94.4 | 103.3 | 112.8 |
9#（mm） | — | — | — | 58.0 | 105.0 | 115.1 | 125.8 | 136.0 |
4．结果分析
绘制路基主要部位在不同软基处理方案下的沉降发展曲线如下图：
路基坡脚（1#） | 基底中部（3#） |
路床路肩（8#） | 路床路中（9#） |
通过上述分析可见：
（1）路基坡脚位置在碎石换填处理方案下的沉降最大，达到了76.2mm,水泥搅拌桩和PHC高强预应力砼管桩处置方案下的沉降最小且基本相同，为14.4mm。碎石桩处置方案的沉降量居中，基本上是碎石换填方案沉降量的50%—60%。
（2）路基基底中部位置在换填处置方案下的沉降最大，达到了315.7mm；在碎石桩处置方案下，填筑过程中的沉降明显小于换填法，但是最终沉降量基本和换填法相同，可见碎石桩处置方案对于最终沉降量的控制并无太大影响，产生这种情况的原因主要是在碎石桩处置方案下路基填筑过程中碎石桩具有一定的支撑作用，周边土体附加应力较小，压缩变形较小，但是当路基填筑完成后，周边土体在持续低附加应力作用下依旧会通过碎石桩进行不断的排水压缩，所以路基沉降也会持续发生。
（3）在不同的处置方案下，路床顶部与路基基底之间的沉降差基本都在30mm左右，说明路基本身压缩导致的沉降梁占比是不大的，在碎石换填和碎石桩处置方案下约占总沉降量的9%，在水泥搅拌桩和PHC高强预应力管桩处置方案下约占总沉降量的22%。
（4）水泥搅拌桩的间距为1.4m、直径为0.5m，PHC高强预应力管桩的间距为2.5m、直径为0.4m，在这种不同的桩型与桩间距布置情况下，桩体的面积置换率及数量相差近2倍，但是各部位的沉降量之差非常小，两种处置方案基本具有相同的处置效果。
（5）不同处置方案下的路基沉降主要发生在填筑施工阶段及工后一个月的时间内，路基填筑完成一个月后其沉降发展基本趋于稳定。当然，这种发展规律并不具有普遍性，而是主要取决于软土的成因、透水特性、周边排水条件、厚度情况等。
5．总结
软土的在附加荷载作用下的沉降特性和软土本身的透水性及软土周边的排水边界有非常大的关系，当软土的透水性较低、周边排水条件良好的情况下，应该适当放慢路基填筑的施工进度，尽可能使软土区域的沉降发生在填筑过程中，以此提高路基质量、降低后期沉降。
不同软基情况下同一处理方案的处理效果不同，同一软基情况下不同处理方案的处理效果也不会相同，所以软基处理方案的选择一定要在综合考虑软土的含水量、透水性、土质情况、周边排水条件、分布区域及厚度等因素的基础上进行。
6．参考文献
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[2] 静动力排水固结法地基处理数值模拟[J].郭青;李彰明.广东土木与建筑,2010(01)
[3] 软土路基固结沉降变形规律有限元分析[J].谭国湖.中外公路,2011(05)
