临江软弱土高台背回填沉降机理及控沉施工技术研究

前言：随着我国交通基础设施建设的不断推进，道路桥梁工程在临江软弱土地区的建设日益增多。高台背回填作为道路桥梁工程中的关键环节，其沉降问题直接影响到工程的质量和使用寿命。临江软弱土具有含水量高、孔隙比大、压缩性强、抗剪强度低等特点，这使得高台背回填后容易出现较大的沉降变形，进而引发桥头跳车、路面开裂等病害，不仅影响行车的舒适性和安全性，还增加了后期的养护成本。因此，深入研究临江软弱土高台背回填沉降机理，并探索有效的控沉施工技术具有重要的现实意义。目前，虽然国内外学者对软弱土地区的沉降问题进行了一定的研究，但针对临江软弱土高台背回填这一特定工况的研究还相对较少。本文旨在通过系统的研究，揭示临江软弱土高台背回填沉降的内在规律，提出切实可行的控沉施工技术，为临江软弱土地区的道路桥梁工程建设提供理论依据和技术指导。

一、临江软弱土工程特性分析

1. 临江软弱土的物理性质

临江软弱土由于长期受到江水的浸泡和冲刷，其物理性质具有独特的特点。含水量方面，临江软弱土的含水量普遍较高，一般在 30% - 60% 之间，这主要是因为江水的补给使得土体能够保持较高的水分含量。高含水量导致土体的孔隙比增大，通常孔隙比在 1.0 - 2.0 之间，使得土体结构疏松。土粒相对密度一般在 2.6 - 2.7 之间，与普通土相比差异不大，但结合其高含水量和大孔隙比的特点，使得临江软弱土的干密度较小，一般在 1.2 - 1.5g/cm³ 之间。这些物理性质的特点为高台背回填沉降埋下了隐患，高含水量和大孔隙比使得土体在受力时容易发生压缩变形。

2. 临江软弱土的力学性质

临江软弱土的力学性质较差，压缩性强是其显著特点之一。压缩系数一般在 0.5 -1.5MPa⁻¹ 之间，属于高压缩性土。这意味着在较小的压力作用下，土体就会产生较大的压缩变形。抗剪强度低也是临江软弱土的重要力学特性，黏聚力一般在 10 - 30kPa 之间，内摩擦角在 5° - 15°之间。较低的抗剪强度使得土体在承受荷载时容易发生剪切破坏，尤其是在高台背回填后，土体受到上部填土的压力和车辆荷载的作用，更容易出现剪切变形，从而导致沉降的发生。临江软弱土的渗透性也相对较低，这使得土体在排水固结过程中速度较慢，进一步加剧了沉降的发展。

3. 临江软弱土的工程特性对高台背回填的影响

临江软弱土的工程特性对高台背回填产生了多方面的影响。高含水量和大孔隙比使得回填土与软弱土地基之间的结合不够紧密，容易形成空隙，在后期车辆荷载的反复作用下，空隙逐渐被压缩，导致沉降增大。压缩性强和抗剪强度低使得高台背回填后，软弱土地基难以承受上部填土的重量，容易发生压缩变形和剪切破坏，进而引起回填土的下沉。低渗透性使得土体中的水分难以排出，延缓了土体的固结过程，使得沉降持续时间较长。这些影响因素相互作用，使得临江软弱土高台背回填沉降问题更加复杂和严重。

二、高台背回填沉降影响因素研究

1. 软弱土地基因素

软弱土地基是高台背回填沉降的重要影响因素之一。地基的压缩性直接决定了沉降的大小，临江软弱土的高压缩性使得在高台背回填后，地基会产生较大的压缩变形。地基的不均匀性也会导致沉降的不均匀分布，由于临江地区地质条件复杂，地基土的性质在不同位置可能存在较大差异，这会使得高台背不同部位的沉降量不同，从而引发路面的开裂和不平。地基的排水条件也对沉降有重要影响，排水不畅会导致土体中的孔隙水压力难以消散，延缓了土体的固结过程，增加了沉降的持续时间和最终沉降量。

2. 回填材料因素

回填材料的性质对高台背回填沉降也有着关键影响。回填材料的颗粒级配不合理，如细颗粒含量过多，会导致土体的压实度难以达到要求，孔隙率较大，从而在后期容易发生压缩变形。回填材料的含水量过高或过低都会影响其压实效果，含水量过高会导致土体出现“橡皮土”现象，降低土体的强度和稳定性；含水量过低则会使得土体难以压实，无法形成紧密的结构。回填材料的压缩性也是影响沉降的重要因素，压缩性较大的回填材料在承受荷载时会产生较大的压缩变形，增加了高台背的沉降量。

3. 施工过程因素

施工过程中的诸多因素也会对高台背回填沉降产生影响。压实度不足是常见的问题之一，在施工过程中，如果压实设备的选择不当或压实遍数不够，会导致回填土的压实度达不到设计要求，使得土体的强度和稳定性降低，容易发生沉降。分层填筑厚度过大也会影响压实效果，过厚的填筑层使得下部土体难以被充分压实，从而增加了沉降的可能性。施工顺序不合理，如先填筑桥台后填筑台背，可能会导致土体之间的应力分布不均匀，引发不均匀沉降。施工过程中的雨水冲刷等外部因素也可能破坏回填土的结构，影响其稳定性，进而导致沉降的发生。

三、高台背回填沉降机理探讨

1. 土体的固结变形机理

土体的固结变形是高台背回填沉降的主要机理之一。在高台背回填后，填土的自重压力和车辆荷载会使软弱土地基中的孔隙水压力增大，孔隙水开始排出。随着孔隙水的排出，土体颗粒逐渐靠拢，孔隙体积减小，土体发生压缩变形。根据太沙基一维固结理论，土体的固结过程是一个时间相关的过程，其固结速度与土体的渗透性和压缩性有关。临江软弱土的低渗透性使得孔隙水排出缓慢，固结过程较长，这就导致高台背回填后的沉降会在较长时间内持续发生。在固结过程中，土体的有效应力逐渐增大，当有效应力达到一定程度时，土体的压缩变形会逐渐趋于稳定，但由于临江软弱土的高压缩性，最终的沉降量可能仍然较大。

2. 剪切破坏机理

剪切破坏也是高台背回填沉降的重要机理。在高台背回填后，土体受到上部填土的压力和车辆荷载的作用，当土体中的剪应力超过其抗剪强度时，就会发生剪切破坏。临江软弱土的低抗剪强度使得其更容易发生剪切破坏。剪切破坏通常先在土体的薄弱部位发生，如土体的交界处或存在缺陷的部位。一旦发生剪切破坏，土体的结构会被破坏，导致土体的强度和稳定性降低，进而引发沉降。剪切破坏可能会导致土体的侧向位移，使得高台背回填土向两侧挤出，进一步加剧了沉降的程度。剪切破坏还可能引发土体的局部坍塌，对高台背的稳定性造成严重影响。

3. 地下水的作用机理

地下水在高台背回填沉降中也起着重要的作用。临江地区地下水位较高，地下水会对软弱土地基和回填土产生浮力作用，减小了土体的有效应力，从而降低了土体的抗剪强度和承载能力。地下水的渗流作用会带走土体中的细小颗粒，导致土体的孔隙结构发生变化，增加了土体的压缩性。地下水的侵蚀作用会对土体的颗粒结构和胶结物质产生破坏，进一步降低土体的强度和稳定性。在高台背回填后，地下水的变化还可能导致土体的干湿循环，使得土体的性质发生变化，如土体的收缩和膨胀，从而引发沉降。

四、控沉施工技术研究

1. 地基处理技术

地基处理是控制高台背回填沉降的关键环节。常见的地基处理技术包括换填法、水泥搅拌桩法和强夯法等。换填法是将软弱土地基中的部分或全部软弱土挖除，然后回填强度较高、压缩性较低的材料，如砂、碎石等。这种方法可以有效改善地基的工程性质，提高地基的承载能力和稳定性。水泥搅拌桩法是通过深层搅拌机将水泥浆与软弱土强制搅拌，使水泥与土发生一系列物理化学反应，形成具有一定强度和稳定性的水泥土桩体。水泥搅拌桩能够提高地基的抗剪强度，减少地基的沉降量。强夯法是利用重锤自由落下产生的巨大冲击力对地基进行夯实，使地基土密实，提高地基的承载能力和抗变形能力。在临江软弱土地区，应根据具体的地质条件和工程要求选择合适的地基处理技术。

2. 回填材料优化技术

优化回填材料是控制高台背回填沉降的重要措施。可以选择颗粒级配良好、压缩性低、抗剪强度高的回填材料，如级配碎石、石灰土等。级配碎石具有良好的透水性和压实性能，能够有效减少土体中的孔隙水压力，提高土体的强度和稳定性。石灰土是在土中掺入适量的石灰，经过拌和、压实后形成的一种具有较高强度和水稳定性的材料。石灰与土中的活性成分发生化学反应，生成新的矿物成分，从而提高土体的强度和抗变形能力。还可以在回填材料中添加一些外加剂，如纤维、固化剂等，以改善回填材料的性能，进一步减少沉降。

3. 施工工艺改进技术

改进施工工艺也是控制高台背回填沉降的有效手段。采用分层填筑、分层压实的方法，严格控制每层的填筑厚度和压实度。每层填筑厚度不宜过大，一般控制在 20 - 30cm 之间，以确保下部土体能够被充分压实。在压实过程中，应根据回填材料的性质和压实设备的性能选择合适的压实参数，如压实遍数、压实速度等。采用合适的施工顺序，如先填筑台背再填筑桥台，能够使土体之间的应力分布更加均匀，减少不均匀沉降的发生。还可以采用一些辅助施工技术，如土工格栅加筋技术，在回填土中铺设土工格栅，能够提高土体的整体性和抗变形能力，减少沉降。

五、控沉施工技术的工程应用与效果分析

1. 工程案例介绍

以芜湖地区的道路桥梁工程为例，该工程的高台背回填处于临江软弱土地区，地质条件复杂，地下水位较高。为了控制高台背回填沉降，采用了多种控沉施工技术。在地基处理方面，采用了水泥搅拌桩法对软弱土地基进行加固，水泥搅拌桩的桩径为 0.7m ，桩间距为1.8/1.5m，桩长根据地基的软弱程度确定，一般在 8-15m 之间。回填材料选用了碎石褥垫层+泡沫混凝土。在碎石褥垫层中铺设了钢塑格栅，以提高碎石的整体性和抗变形能力。泡沫混凝土的密度远低于传统填料，可大幅减轻台背填料的自重，降低对地基的荷载，减少地基沉降，填筑后形成一个整体，避免传统填料可能出现的沉降和裂缝问题。

2. 施工过程监测

在施工过程中，对高台背回填的沉降进行了实时监测。采用了沉降观测点和测斜管等监测手段，定期对沉降数据进行采集和分析。通过监测发现，在地基处理完成后，地基的沉降速率明显减小，说明水泥搅拌桩法有效地提高了地基的承载能力和稳定性。在回填过程中，随着填筑高度的增加，沉降量也逐渐增大，但由于采用了分层填筑和压实的方法，沉降速率得到了有效控制。土工格栅的铺设也起到了良好的加筋作用，减少了土体的侧向位移和不均匀沉降。监测数据还显示，地下水位的变化对沉降有一定的影响，在地下水位上升时，沉降速率会有所增大，但通过排水措施的实施，有效地降低了地下水位对沉降的影响。

3. 效果分析与评价

通过对该工程的长期监测和分析，控沉施工技术取得了良好的效果。在工程竣工后的一年时间内，高台背的沉降量控制在设计允许范围内，最大沉降量为 25mm，不均匀沉降量小于 10mm，有效地减少了桥头跳车和路面开裂等病害的发生。与未采用控沉施工技术的类似工程相比，该工程的沉降量明显减小，工程的稳定性和耐久性得到了显著提高。通过采用控沉施工技术，减少了后期的养护成本和维修工作量，提高了工程的经济效益和社会效益。实践证明，本文提出的控沉施工技术在临江软弱土高台背回填工程中具有良好的适用性和有效性。

结语：临江软弱土高台背回填沉降问题是道路桥梁工程建设中的一个复杂而关键的问题。本文通过对临江软弱土工程特性的分析、高台背回填沉降影响因素的研究和沉降机理的探讨，提出了一系列控沉施工技术，并通过实际工程案例验证了这些技术的有效性。临江软弱土的高含水量、大孔隙比、强压缩性和低抗剪强度等特性是导致高台背回填沉降的内在因素，而软弱土地基、回填材料和施工过程等因素则进一步加剧了沉降的发生。土体的固结变形、剪切破坏和地下水的作用是高台背回填沉降的主要机理。针对这些问题，提出的地基处理技术、回填材料优化技术和施工工艺改进技术等控沉施工技术，能够有效地减少高台背回填沉降，提高工程的稳定性和耐久性。在实际工程应用中，通过采用这些控沉施工技术，成功地控制了高台背的沉降量，减少了病害的发生，取得了良好的经济效益和社会效益。然而，临江软弱土高台背回填沉降问题仍然存在一些需要进一步研究的方面。例如，如何更加准确地预测沉降量和沉降发展趋势，如何进一步优化控沉施工技术以适应不同的地质条件和工程要求等。未来的研究可以结合数值模拟技术和现场监测数据，深入研究沉降机理和控沉技术的作用机制，不断完善控沉施工技术体系，为临江软弱土地区的道路桥梁工程建设提供更加可靠的技术支持。

参考文献：

[1] 冯光乐. 桥头引道沉降标准及台背回填加筋应用研究[D]. 上海市: 同济大学,2002.DOI:10.7666/d.w1656978.

[2]刘建树. 再生水稳铣刨料在台背回填中的研究与应用[D]. 山东省: 山东建筑大学,2023.DOI:10.27273/d.cnki.gsajc.2023.000698.

[3] 刘少龙. 高速液压夯技术在狭窄场地回填压实中的实践探索[J]. 中国标准化,2019,(08):86-88.DOI:10.3969/j.issn.1002-5944.2019.08.037.