市政工程排水构筑物软基处理分析

一、前言
软土是指近代沉积的软弱土层，由于它低强度，高压缩性和弱透水性，作为地基，常常成为棘手的工程地质问题。勘察时，应查明软弱土层的均匀性、组成、分布范围和土质情况，根据拟采用的地基处理方法提供相应参数。冲填土尚应了解排水固结条件。杂填土应查明堆积历史，明确自重下稳定性、湿陷性等基本因素。软弱地基系指主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性土层构成的地基。如果地基承载力不足，就可以判定为软弱地基，就必须采取措施对软弱地基进行处理。
在道路工程建设中，经常用到横穿道路或沿道路桩号纵向分布的排水箱涵、盖板涵等构筑物。由于排水通畅和沟通水系的需要，排水构筑物经常会设置在原有沟塘、水渠的位置。在这些地区，长期的水流冲刷作用使得其接近地表部分有厚度不等的淤泥质软土。在投资少，又能达到设计规范要求的前提下，如何处理好软弱地基，是我们每一工程技术人员需要探讨和研究的问题。下面就根据笔者的一些工作实践经验，浅谈一下水工构筑物软弱地基如何处理和换土垫层法在巢湖市某道路排水箱涵软基处理中的应用情况。
二、软弱地基的处理方法
（一）处理的一般原则
1．以时间换金钱（10年前，日本著名的以时间换金钱处理软土路堤的方法）：即尽早用堆载预压不作深层处理软基的方法。这种以自然沉降逐渐达到基础稳定，是一种最经济也简单的方法。但我国市政公路基本建设的程序不能尽早拔款、征地、从容施工，而一旦工程项目付诸实施时，又往往限于工期，一般情况用自然沉降法将难以实现。
2．以金钱赢得时间：即在施工工期紧迫，时间有限的情况下，除非个别低路堤地段高度在临界高度以下，可不作地基处理；其余软土都需采用不同方法处理，只不过可用多种方案进行优选。
（二）处理的基本思想
利用软弱土层作为持力层时，可按下列规定执行：1）淤泥和淤泥质土，宜利用其上覆较好土层作为持力层，当上覆土层较薄，应采取避免施工时对淤泥和淤泥质土扰动的措施；2）冲填土、建筑垃圾和性能稳定的工业废料，当均匀性和密实度较好时，均可利用作为持力层；3）对于有机质含量较多的生活垃圾和对基础有侵蚀性的工业废料等杂填土，未经处理不宜作为持力层。局部软弱土层以及暗塘、暗沟等，可采用扩大基础、换土、桩基或其他方法处理。在选择地基处理方法时，应综合考虑场地工程地质和水文地质条件、构筑物对地基要求、构筑物结构类型和基础型式、周围环境条件、材料供应情况、施工条件等因素，经过技术经济指标比较分析后择优采用。
　　地基处理设计时，应考虑构筑物基础和地基的共同作用，必要时应采取有效措施，加强结构的刚度和强度，以增加构筑物对地基不均匀变形的适应能力。对已选定的地基处理方法，宜按构筑物地基基础设计等级，选择代表性场地进行相应的现场试验，并进行必要的测试，以检验设计参数和加固效果，同时为施工质量检验提供相关依据。
经处理后的地基，当按地基承载力确定基础底面积及埋深而需要对地基承载力特征值进行修正时，基础宽度的地基承载力修正系数取零，基础埋深的地基承载力修正系数取1.0；在受力范围内仍存在软弱下卧层时，应验算软弱下卧层的地基承载力。对受较大水平荷载或建造在斜坡上的构筑物，地基处理后应进行地基稳定性计算。结构工程师需根据有关规范分别提供用于地基承载力验算和地基变形验算的荷载值；根据构筑物荷载差异大小、施工顺序等，按有关规范和地区经验对地基变形允许值合理提出设计要求。地基处理后，构筑物的地基变形应满足现行有关规范的要求，并在施工期间进行沉降观测，必要时尚应在使用期间继续观测，用以评价地基加固效果和作为使用维护依据。复合地基设计应满足构筑物承载力和变形要求。地基土为欠固结土、膨胀土、湿陷性黄土、可液化土等特殊土时，设计要综合考虑土体的特殊性质，选用适当的增强体和施工工艺。复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，或采用增强体的载荷试验结果和其周边土的承载力特征值结合经验确定。

（三）常用的地基处理方法
常用的地基处理方法有：换填垫层法、强夯法、砂石桩法、振冲法、水泥土搅拌法、预压法、夯实水泥土桩法、水泥粉煤灰碎石桩法、石灰桩法、灰土挤密桩法和土挤密桩法、柱锤冲扩桩法、单液硅化法和碱液法等。
1 换填垫层法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。其主要作用是提高地基承载力，减少沉降量，加速软弱土层的排水固结，防止冻胀和消除膨胀土的胀缩。
2 强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基。强夯置换法适用于高饱和度的粉土，软-流塑的粘性土等地基上对变形控制不严的工程，在设计前必须通过现场试验确定其适用性和处理效果。强夯法和强夯置换法主要用来提高土的强度，减少压缩性，改善土体抵抗振动液化能力和消除土的湿陷性。对饱和粘性土宜结合堆载预压法和垂直排水法使用。
3 砂石桩法适用于挤密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、杂填土等地基，提高地基的承载力和降低压缩性，也可用于处理可液化地基。对饱和粘土地基上变形控制不严的工程也可采用砂石桩置换处理，使砂石桩与软粘土构成复合地基，加速软土的排水固结，提高地基承载力。
4 振冲法分加填料和不加填料两种。加填料的通常称为振冲碎石桩法。振冲法适用于处理砂土、粉土、粉质粘土、素填土和杂填土等地基。对于处理不排水抗剪强度不小于20kPa的粘性土和饱和黄土地基，应在施工前通过现场试验确定其适用性。不加填料振冲加密适用于处理粘粒含量不大于10%的中、粗砂地基。振冲碎石桩主要用来提高地基承载力，减少地基沉降量，还可用来提高土坡的抗滑稳定性或提高土体的抗剪强度。
5 水泥土搅拌法分为浆液深层搅拌法（简称湿法）和粉体喷搅法（简称干法）。水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粘性土、粉土、饱和黄土、素填土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。不宜用于处理泥炭土、塑性指数大于25的粘土、地下水具有腐蚀性以及有机质含量较高的地基。若需采用时必须通过试验确定其适用性。当地基的天然含水量小于30%（黄土含水量小于25%）、大于70%或地下水的pH值小于4时不宜采用于法。连续搭接的水泥搅拌桩可作为基坑的止水帷幕，受其搅拌能力的限制，该法在地基承载力大于140kPa的粘性土和粉土地基中的应用有一定难度。
6 预压法适用于处理淤泥、淤泥质土、冲填土等饱和粘性土地基。按预压方法分为堆载预压法及真空预压法。堆载预压分塑料排水带或砂井地基堆载预压和天然地基堆载预压。当软土层厚度小于4m时，可采用天然地基堆载预压法处理，当软土层厚度超过4m时，应采用塑料排水带、砂井等竖向排水预压法处理。对真空预压工程，必须在地基内设置排水竖井。预压法主要用来解决地基的沉降及稳定问题。预压法是为了预先促进软土地基沉降，增加地基强度，以防止设置在填土上或邻接填土的路面和构造物或者埋入填土内的构造物发生有害沉降而导致破坏。
7 夯实水泥土桩法适用于处理地下水位以上的粉土、素填土、杂填土、粘性土等地基。该法施工周期短、造价低、施工文明、造价容易控制。
8 水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）法适用于处理粘性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基。对淤泥质土应根据地区经验或现场试验确定其适用性。基础和桩顶之间需设置一定厚度的褥垫层，保证桩、土共同承担荷载形成复合地基。该法适用于条基、独立基础、箱基、筏基，可用来提高地基承载力和减少变形。对可液化地基，可采用碎石桩和水泥粉煤灰碎石桩多桩型复合地基，达到消除地基土的液化和提高承载力的目的。
9 石灰桩法适用于处理饱和粘性土、淤泥、淤泥质土、杂填土和素填土等地基。用于地下水位以上的土层时，可采取减少生石灰用量和增加掺合料含水量的办法提高桩身强度。该法不适用于地下水下的砂类土。
10 灰土挤密桩法和土挤密桩法适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基，可处理的深度为5～15m。当用来消除地基土的湿陷性时，宜采用土挤密桩法；当用来提高地基土的承载力或增强其水稳定性时，宜采用灰土挤密桩法；当地基土的含水量大于24%、饱和度大于65%时，不宜采用这种方法。灰土挤密桩法和土挤密桩法在消除土的湿陷性和减少渗透性方面效果基本相同，土挤密桩法地基的承载力和水稳定性不及灰土挤密桩法。
11 在确定地基处理方案时，宜选取不同的多种方法进行比选。
三、工程实例：巢湖市某道路箱涵
1、工程简介
箱涵位于道路桩号35+08处，本道路路面结构为过渡路面，路面标高为10.6，涵底标高为4.25米，箱涵中心线与道路中心线夹角为77.2度。此处原为一明渠。正常明渠水位标高为5.5米，地下水对混凝土箱涵具有微弱的腐蚀性。道路建成后，为沟通道路两侧水系，在原明渠处设计一处箱涵，箱涵净空4000×2500，覆土3.5米，全长58米。箱涵进出水口采用八字口。原明渠以下多为淤泥土，厚度达6米！

2、地基方案处理的选择
针对该工程地质条件复杂、工期紧张、施工场地受到限制、施工机械进场困难等具体情况，在满足安全实用经济功能的基础上，通过综合比较,认为采用天然基础，难以达到正常使用要求，对混凝土结构会产生隐患；若采用粉喷桩复合地基，地下水的腐蚀性亦对混凝土结构会产生隐患；若采用振冲碎石桩，上部杂填土不能得到有效挤密，且机械进场困难；采用预压法，施工工期不允许；采用抛石挤於加换土垫层法，具有不受场地限制、施工速度快、对周围环境影响小、投资小、垫层质量容易控制等优点；而且本地石材资源丰富，价格便宜，运输方便。

3、垫层设计
采用抛石挤於加换土垫层法，先在设计基础底标高下2～3米深度范围内抛石挤於，待抛石挤於层稳定后，再上铺3：7砂石垫层，厚1米。
A、垫层厚度的确定：
　　下图为软基处理大样图，砂石垫层厚度Z应根据地基承载力确定。即作用在垫层底面处土的自重压力（标准值）与附加压力（设计值）之和不能超过经修正后超挖深度处的地基承载能力。
即：PZ＋PCZ≤fZ－－－－－－－－－－－－(1)
考虑施工现场的实际情况，经过计算，砂石垫层厚度为1米时，可以满足基础承载力的要求。

B、垫层宽度的确定：
由软基处理大样图可知，基础垫层的宽度B=b＋2 b tgθ,而根据所在土质情况，施工时作业面最好超出基底500mm。砂石垫层放坡1:1。
C、垫层材料：级配良好的、质地坚硬的天然河砂和10～40mm的普通碎石，施工时，为防止含尘过多，可事先冲洗干净后，再与粗砂混合搅拌均匀使用，砂∶石一般为3∶7。
D、施工要求：砂石均需机械伴和均匀后方可分层夯填；施工前要统一放置标高及清除干净基底的杂草浮土，同时应严禁搅动下卧层及周边土质层；为防止下雨造成边坡塌方，施工作业前应在基坑内及四周做好排水措施，从而确保边坡稳定；应分层分级夯铺，每层铺设厚度应小于300mm，如采用大型碾压机械，其铺设厚度可控制在500mm以内；垫层施工完毕后，应尽快浇注基础。

4、质量检验
垫层的检验必须分层进行，即每夯压完一层，检验该层的平均压实系数。当其干密度或压实系数符合设计要求后，才能铺填上一层。

5、效果与经济评价
该箱涵建成且连续安全使用已有两年多，经观测，过渡路面沉降均匀，路基稳定，完全达到设计及施工的安全要求，箱涵结构无任何异常情况，使用良好。砂石垫层价格为每立方米30元，比较便宜。并且使用换土垫层法，具有工期短、质量容易控制、易检测的优点。因此采用“换土垫层法”处理软弱地基，满足规范要求，满足运行要求，是经济和安全的。

6、结论
A、应用换土垫层法在本次道路箱涵软基处理中的应用取得了良好的效果。路面沉降均匀，路基稳定。
B、换土垫层法无污染、无振动，施工简单、工期短，质量易控制、易检测，是处理软弱地基的一种经济、有效的方法。
C、今后在采用换土垫层法处理软土地基的过程中，应及时总结堪察、设计、施工和检测四方面的经验，以期取得更好的效果。