“人造硬殼層”在灌東新材料產(chǎn)業(yè)園道路軟基處理中的應(yīng)用研究

沈?qū)W芳，曾惠芬，王子龍

（蘇州市市政工程設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇蘇州215125）

“人造硬殼層”在灌東新材料產(chǎn)業(yè)園道路軟基處理中的應(yīng)用研究

沈?qū)W芳，曾惠芬，王子龍

（蘇州市市政工程設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇蘇州215125）

我國(guó)東南沿海地區(qū)由于其獨(dú)特的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，成為發(fā)展各類產(chǎn)業(yè)園的首選地區(qū)，但其軟土層厚的地質(zhì)條件給工程建設(shè)帶來了一定困難?，F(xiàn)介紹“人造硬殼層”的原理及其在灌東新材料產(chǎn)業(yè)園區(qū)中的成功應(yīng)用，為沿海地區(qū)軟土路基處理提供一項(xiàng)造價(jià)較低、工期較短、效果良好的技術(shù)，也可供相關(guān)專業(yè)人士參考。

人造硬殼層；軟基處理；市政道路；鹽城市

1　概述

《江蘇省沿海開發(fā)總體規(guī)劃》明確提出加快開發(fā)沿海產(chǎn)業(yè)帶，而沿海地區(qū)一般為海相或湖相沉積形成，適宜開發(fā)的優(yōu)質(zhì)土地資源是有限的。沿海地區(qū)淺層土質(zhì)主要為淤泥、淤泥質(zhì)粘土，其工程性能較差，無法滿足工程對(duì)地基的要求。因此，軟土地基處理一直是沿海地區(qū)工程建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，因地制宜地設(shè)計(jì)軟土地基處理方法，來滿足工程的質(zhì)量、工期和造價(jià)要求是工程建設(shè)的重中之重。

本文介紹的“人造硬殼層”處理方法具有工期較短、造價(jià)較低的特點(diǎn)，并且能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。該技術(shù)已經(jīng)成功運(yùn)用于鹽城灌東新材料產(chǎn)業(yè)園一期市政道路，得到高度認(rèn)可?！叭嗽煊矚印保?］軟土地基處理法主要是：通過多層碾壓達(dá)到要求的石灰土夾土工格柵，形成“人造硬殼層”，并通過進(jìn)行室內(nèi)和室外實(shí)驗(yàn)，以及通過彈性薄板理論的Winkler彈性地基板方法進(jìn)行了理論分析與計(jì)算。

2　灌東新材料產(chǎn)業(yè)園一期市政道路工程介紹

鹽城市灌東新材料產(chǎn)業(yè)園位于鹽城市響水縣陳家港鎮(zhèn)，總面積約為26.5 km2。規(guī)劃發(fā)展目標(biāo)：江蘇沿海開發(fā)的新材料產(chǎn)業(yè)先導(dǎo)區(qū)、科研中試集聚區(qū)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)實(shí)驗(yàn)區(qū)、產(chǎn)城互動(dòng)開發(fā)示范區(qū)。灌東新材料產(chǎn)業(yè)園啟動(dòng)區(qū)位于產(chǎn)業(yè)園西南，先行啟動(dòng)的一期工程為“一縱兩橫”的三條道路，分別為灌東大道、新城大道和新瑞路，道路等級(jí)為主干路，道路現(xiàn)狀為廢棄的鹽田，道路周邊規(guī)劃均為工業(yè)地塊。路基設(shè)計(jì)沉降控制要求按現(xiàn)行《城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ194-2013）要求并兼顧雨污水管的要求，路基容許工后變形指標(biāo)：橋臺(tái)與路堤相鄰處不大于0.10 m，涵洞、通道處不大于0.20 m，一般路段不大于0.30 m；路基強(qiáng)度要求路基回彈模量不小于35 MPa。

3　工程地質(zhì)情況

陳家港鎮(zhèn)所處區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造單元屬蘇北坳陷區(qū)，基巖地層以白堊系浦口組砂礫巖和下第三系阜寧群紫紅色砂泥巖、泥質(zhì)砂巖為主。據(jù)區(qū)域資料，該區(qū)中新世至中更新世期間沉積一套淡水河湖泊相松散堆積物，這套堆積物的底部（上第三系）以細(xì)粒的粘土、粉質(zhì)粘土為主，中部（下更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)的下部）以粗粒砂層為主，上部（中更新統(tǒng)上部）以粉質(zhì)粘土為主，形成“細(xì)-粗-細(xì)”沉積旋回。

地質(zhì)鉆探資料表明，工程場(chǎng)地全線分布有厚約22 m左右的軟弱土層，主要為②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土，承載力約60～80 kPa，淺黃色，軟～流塑，高壓縮性，平均含水量在35%～40%，孔隙比為1.04～1.16，壓縮系數(shù)為0.6～0.78 MPa-1，滲透系數(shù)在10-4～10-5cm/s，為工程建設(shè)不利土層。第③層粉土，稍～中密，中壓縮性，工程性能一般。工程場(chǎng)地內(nèi)地下水位較高，潛水穩(wěn)定水位平均埋深為0.88 m。

灌東新材料產(chǎn)業(yè)園緊鄰黃海，屬于濱海淤積平原地貌，為海濱鹽漬土地區(qū)。按含鹽化學(xué)成分，該場(chǎng)地鹽漬土整體為氯鹽漬土，局部為亞硫酸鹽漬土和亞氯鹽漬土。按含鹽量，該場(chǎng)地鹽漬土整體為中鹽漬土，局部為過鹽漬土、強(qiáng)鹽漬土和弱鹽漬土。對(duì)于道路工程來說，鹽漬土造成的主要危害包括：鹽脹使路基路面鼓脹開裂，路肩及邊坡松散剝蝕；受水浸時(shí)，路基強(qiáng)度與穩(wěn)定性急劇降低，發(fā)生溶陷變形；加劇路基的凍脹與翻漿；對(duì)水泥、瀝青、鋼材等材料有侵蝕作用等。因此，鹽漬土的處理也是路基處理方案選擇的控制因素之一。

4　道路軟土地基處理方法的選擇

環(huán)境條件、道路條件、地下管線、經(jīng)濟(jì)條件、施工機(jī)具、材料來源的差異性均為路基處理方案選擇的控制因素，因地制宜地根據(jù)工程需要選擇合適的軟基處理方法尤為重要。軟基處理從技術(shù)原理可分為：排水固結(jié)法、換填土層法、復(fù)合地基處理法等大類。灌東新材料產(chǎn)業(yè)園一期工程軟土特點(diǎn)：深厚層軟土，厚度達(dá)22 m，覆蓋層薄，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，相對(duì)軟土鑒指標(biāo)含水量30%超出5%～10%，天然孔隙比0.9超出0.14～0.26，高壓縮性，透水性差。針對(duì)上述特點(diǎn)，前期方案階段選擇了沿海地區(qū)常用的高真空擊密法、釘形水泥土雙向攪拌樁、PTC管樁、人造硬殼層等進(jìn)行分析比選。

4.1高真空擊密法

高真空擊密法軟地基處理工法是一種新型快速真空動(dòng)力排水固結(jié)法，通過人為在土層中制造“壓差”，利用“壓差”來快速消散超孔隙水壓力，使軟土中的水快速排出，并結(jié)合數(shù)遍合適的變能量擊密，逐步達(dá)到降低土體的含水量，提高密實(shí)度、承載力。高真空排水，使擊密效果大大提高，從而使被處理土體形成一定厚度的超固結(jié)“硬殼層”。由于“硬殼層”的存在，使得表層荷載有效擴(kuò)散，減少地基工后沉降和不均勻沉降。這種路基處理方法后，地表下7 m的地基固結(jié)明顯，可減少管道溝槽開挖支護(hù)，提高安全度。

高真空擊密法具有造價(jià)適中、工期相對(duì)較長(zhǎng)、施工技術(shù)要求高、質(zhì)量可控的特點(diǎn)，且不添加任何添加劑，無泥漿等廢棄物，對(duì)周圍環(huán)境影響較小，但施工工藝相對(duì)復(fù)雜。

4.2釘型水泥土攪拌樁

釘型水泥土攪拌樁是通過對(duì)現(xiàn)有的常規(guī)水泥土攪拌樁成樁機(jī)械進(jìn)行適當(dāng)改造，配上專用的動(dòng)力設(shè)備與多功能鉆頭，采用同心雙軸鉆桿，在內(nèi)轉(zhuǎn)桿上設(shè)置正向旋轉(zhuǎn)葉片并設(shè)置噴漿口，外轉(zhuǎn)桿上安裝反向旋轉(zhuǎn)葉，通過外桿上葉片反向旋轉(zhuǎn)過程中壓漿和內(nèi)外桿正反向旋轉(zhuǎn)葉片同時(shí)雙向攪拌水泥土，既阻斷上冒水泥漿，又能保證水泥漿攪拌均勻，保證成樁質(zhì)量。該工法在施工過程中，可以利用土體的主被動(dòng)壓力，使鉆桿上葉片打開或收縮，樁徑隨之變大或變小，形成釘形樁。

釘型水泥土攪拌樁加固軟土路基具有工期相對(duì)較短，施工速度較快，但工程質(zhì)量較難控制，對(duì)施工隊(duì)伍素質(zhì)、能力要求較高，工程費(fèi)用較高。且由于地基中摻入水泥，對(duì)地下水有輕微影響。

4.3PTC管樁

PTC管樁復(fù)合路基主要由天然土基、PTC管樁、褥墊層組成，PTC管樁樁頂澆筑樁帽。由于樁帽的存在，其受力模式與一般的復(fù)合地基不同，通過樁、樁帽及樁帽下的土體共同工作，變形協(xié)調(diào)。

PTC管樁復(fù)合路基具有施工快速，成品樁質(zhì)量容易控制，對(duì)樁端持力層起伏變化大的地質(zhì)條件適應(yīng)性較強(qiáng)，樁身混凝土強(qiáng)度高，耐壓耐錘擊性好，貫穿能力強(qiáng)。

4.4“人造硬殼層”

“人造硬殼層”軟土地基處理法是在原有軟土地基中通過構(gòu)造方法形成一層硬土層，從而改善軟土受力特性。當(dāng)軟土上有一定厚度的硬殼層存在時(shí)，能使上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞到下臥軟土層的荷載在其承載力范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求，沉降變形限制在允許范圍內(nèi)。

道路路基施工工藝要求較高，對(duì)于格柵類材料及其施工要求較高，路基施工時(shí)沉降觀測(cè)及路基降水要求高，需配合管道施工對(duì)整個(gè)路基施工期間降水，保證施工期間路基施工質(zhì)量。對(duì)于軟土層較深、指標(biāo)接近臨界值的工程采用“人造硬殼層”路基處理更為經(jīng)濟(jì)。與橋梁等構(gòu)造物銜接處，遠(yuǎn)期易產(chǎn)生不均勻沉降，易發(fā)生橋頭跳車現(xiàn)象，建設(shè)期可采用堆載預(yù)壓等措施減少工后沉降，運(yùn)營(yíng)期間需加強(qiáng)后期養(yǎng)護(hù)加罩。

4.5方案比較

該項(xiàng)目為灌東產(chǎn)業(yè)園啟動(dòng)區(qū)，資金壓力與工期壓力較大，工程造價(jià)和工期是建設(shè)工程的關(guān)鍵因素。高真空擊密法處理費(fèi)用適中、處理效果較好，但施工工期長(zhǎng)，通過試驗(yàn)路段驗(yàn)證其適用性。釘形水泥土雙向攪拌樁或PTC管樁方案施工速度快，處理效果好，但其造價(jià)偏高，并不適合應(yīng)用于該工程。硬殼層路基在總工期和造價(jià)方面比其他工法具有優(yōu)勢(shì)，處理效果滿足工程要求，因此在該工程中得到應(yīng)用（見表1）。

5　“人造硬殼層”設(shè)計(jì)方法

5.1“人造硬殼層”原理

“人造硬殼層”地基處理法：在軟土地基中，通過構(gòu)造方法形成的硬土層本身具有相對(duì)較大的密實(shí)度，而且具有一定的剛度，它可以分擔(dān)荷載產(chǎn)生的一部分剪力。此時(shí)硬殼層具有了類似于梁的作用，可以承擔(dān)部分彎矩、剪力并抵抗變形。這種類似于梁的作用可稱為“硬殼層”的“殼體效應(yīng)”?！皻んw效應(yīng)”的存在能使傳到下臥軟土層的單位面積荷載低于按傳統(tǒng)擴(kuò)散方法計(jì)算出來的單位荷載， 且分布更加均勻， 相當(dāng)于提高整個(gè)地基的承載能力。

表1　路基處理方案比較表

根據(jù)試驗(yàn)研究，石灰含量和壓實(shí)度均與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)。在石灰土的壓實(shí)度大于等于93% 的條件下，具有比較強(qiáng)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度， 可以達(dá)到板體效果。

“人造硬殼層”中夾設(shè)鋼塑土工格柵，利用土工格柵的高強(qiáng)度韌性，使之與土基組合成一個(gè)整體，可限制工基側(cè)向變形，防止骨料下陷，分散垂直荷載，也可以產(chǎn)生一種板體效應(yīng)，減少不均勻沉降。

5.2“ 人造硬殼層”設(shè)計(jì)

在灌東新材料產(chǎn)業(yè)園一期工程中，“人造硬殼層”的設(shè)計(jì)如圖1所示，由40 cm 10%石灰土+ 40 cm 8%石灰土+ 40 cm 水泥石灰穩(wěn)定土+ 30 cm碎石土組成“硬殼層”。其中再夾設(shè)兩層鋼塑土工格柵，提高“硬殼層”的整體剛度，使路基具有良好的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并且也可以抵抗彎矩，從而將應(yīng)力分散至整個(gè)路基底部，使下臥層的受力均勻，壓強(qiáng)減少，從而達(dá)到提升路基整體強(qiáng)度、減少沉降的目的。

底部碎石土在“人造硬殼層”中起到結(jié)構(gòu)作用，同時(shí)起到隔斷作用。隔斷層設(shè)在路堤內(nèi)一定深度處，以隔斷向上遷移的水分和鹽分，防止鹽份轉(zhuǎn)移并有利于路基穩(wěn)定，是防止路基鹽脹、翻漿的十分有效的路基處理措施。

圖1　“人造硬殼層”橫斷面設(shè)計(jì)圖（單位：cm）

采用微分方程數(shù)值解法計(jì)算得到“人造硬殼層”處理過后的路基工后沉降值，一般路段，路基填土高度為1.5 m和2 m，總沉降量分別為0.189 m和0.268 m，工后沉降分別為0.065 m和0.085 m；在橋頭處，路基填土高度為2.8 m，總沉降量為0.385 m，工后沉降為0.116 m。根據(jù)《城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范（CJJ 194-2013）》，主干路一般路段工后沉降應(yīng)不大于0.3 m，橋臺(tái)處應(yīng)不大于0.1 m?？梢娫谝话懵范?，該工法可以滿足規(guī)范的沉降要求，而在橋頭路段，工程設(shè)計(jì)在橋頭兩側(cè)不小于50 m范圍內(nèi)進(jìn)行堆載預(yù)壓處理，進(jìn)一步減少工后沉降，以滿足規(guī)范要求。

6　施工現(xiàn)場(chǎng)效果

施工中需及時(shí)合理地布置排水系統(tǒng)，疏通路基范圍地表積水，降低地下水位。在地下水位較高路段，除擋導(dǎo)表面水外，還加深了兩側(cè)邊溝或排水溝，以降低路基下的地下水位。

施工現(xiàn)場(chǎng)土基各層碾壓平整，路基頂面主要指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表2所列。

U416.1

B

1009-7716（2015）05-0032-03

2015-01-06

沈?qū)W芳（1969-），女，江蘇蘇州人，高級(jí)工程師，主任工程師，從事道路工程設(shè)計(jì)工作。