福建某江濱路軟基處置方案探討

盧志偉

（漳州通正勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，漳州 363000）

0 引言

本項(xiàng)目填土路堤下伏流塑狀飽和軟黏土， 這些軟土具有壓縮模量小、孔隙比大、透水性差、力學(xué)強(qiáng)度低等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目鄰近已運(yùn)營(yíng)道路調(diào)查發(fā)現(xiàn)，軟土地區(qū)道路存在著顯著的不均勻沉降， 特別是在雨水管檢查井和涵洞通道等鄰近構(gòu)造物附近尤為明顯。因此，為了減少公路運(yùn)營(yíng)期間的病害，必須采用軟基處理。

軟土地層常用的軟基處理方法有換填、壓實(shí)和強(qiáng)夯、預(yù)壓和復(fù)合地基等， 這些方法已經(jīng)過(guò)大量的工程實(shí)踐驗(yàn)證其有效性[1-3]。 本項(xiàng)目途經(jīng)線路涉及到一處軟土地層填方路堤的問(wèn)題，并且鄰近橋臺(tái)，為了比選出最佳的軟基處理方法，選取載預(yù)壓+塑料排水板、水泥土攪拌樁、PTC 管樁三個(gè)方案，綜合考慮工程造價(jià)、穩(wěn)定性、工后沉降和工期，比選出合適的處理方案。本文的研究成果具有一定的工程意義， 可為在類(lèi)似沿海軟土地區(qū)軟基處理方案選擇提供參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

該項(xiàng)目采用二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度60km/h，雙向六車(chē)道，路基寬度60m。本段軟基處理厚度為12～16m，路堤填高為5～7.2m，鄰近橋臺(tái)路段工后沉降標(biāo)準(zhǔn)為0.2m[4]，工期為5～7 個(gè)月。 由于處理軟土深度較深， 路堤填高較大，因此合理地選擇軟基處理方案，對(duì)節(jié)省工程造價(jià)、保證工期和控制沉降具有重要的意義。

1.2 地形地貌及軟土工程特性

項(xiàng)目所處場(chǎng)地屬河流沖洪積地貌， 現(xiàn)狀主要為居民區(qū)、耕地、魚(yú)塘及河流等，水系發(fā)育，植被一般發(fā)育。 場(chǎng)地所處區(qū)域地勢(shì)總體較平緩。

軟基路段表層覆蓋層為耕土，無(wú)硬殼層，地基土層分布從上至下依次為：耕土或素填土、淤泥質(zhì)土或淤泥、粉質(zhì)粘土、粗砂、殘積砂質(zhì)粘性土、全風(fēng)化花崗巖、散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖；淤泥質(zhì)土或淤泥，具有壓縮模量小、孔隙比大、透水性差和力學(xué)強(qiáng)度低等特點(diǎn)。土體物理力學(xué)指標(biāo)如表1 所示，工程地質(zhì)剖面如圖1 所示。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

2 軟基處理方案選擇

軟土地基具有強(qiáng)度低、壓縮性大、含水量高、滲透性差以及沉降隨時(shí)間發(fā)展緩慢等特點(diǎn)，若對(duì)軟基處理不當(dāng)，有可能對(duì)運(yùn)營(yíng)道路產(chǎn)生較多病害，如道路沉陷、開(kāi)裂和橋頭跳車(chē)等問(wèn)題，甚至可能導(dǎo)致路基失穩(wěn)。 因此，軟基處理主要需要考慮工后沉降和穩(wěn)定性?xún)蓚€(gè)問(wèn)題， 常用的軟基處理方法有換填、預(yù)壓、夯實(shí)以及復(fù)合地基等，相對(duì)來(lái)說(shuō)，復(fù)合地基處理效果好，而換填和預(yù)壓等造價(jià)低。因此在實(shí)踐中，往往需要綜合考慮處理效果和工程造價(jià)等問(wèn)題，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的效果。

表1 軟弱土物理力學(xué)指標(biāo)及樁基設(shè)計(jì)參數(shù)建議取值表

本項(xiàng)目填方路段為軟土地基，并且靠近橋臺(tái)，宜進(jìn)行軟基處理來(lái)減少沉降和提高地基承載力， 避免后期病害的產(chǎn)生。 該項(xiàng)目為縣道，考慮到工程造價(jià)、軟土厚度和鄰近橋臺(tái)的工程實(shí)際，采用換填和強(qiáng)夯難以到達(dá)要求，本文擬選擇工程造價(jià)較低的堆載預(yù)壓+塑料排水板，造價(jià)相對(duì)較高的水泥土攪拌樁以及處理效果最好但造價(jià)最高的剛性樁來(lái)進(jìn)行比選。 此外， 受限于工期要求和成孔難易程度，采用鉆孔灌注樁施工速度慢，且成孔難，故采用施工速度快，施工工藝成熟的PTC 管樁，如表2 所示。

表2 軟基處理方案對(duì)比

3 軟基處理影響因素分析

3.1 有限元模型建立

為了分析堆載預(yù)壓+塑料排水板、 水泥土攪拌樁和PTC 管樁有無(wú)樁頂連系梁在該地層的適用性， 本文采用有限元軟件Plaxis 進(jìn)行模擬。

（1）模型幾何參數(shù)

假設(shè)路堤和地層是一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題， 僅需取一半進(jìn)行分析。 路堤底部半寬取30m，坡率為1∶1.5，路堤高6m，模型總長(zhǎng)為60m，忽略表層耕土的影響，僅考慮淤泥土，模型如圖2 所示。

圖2 計(jì)算模型

（2）方案設(shè)計(jì)

方案一： 采用堆載預(yù)壓+塑料排水板法進(jìn)行地基處理， 堆載預(yù)壓采用等效外荷載進(jìn)行模擬， 等效荷載取70kPa， 塑料排水板采用間距為1m 的排水通道進(jìn)行模擬。預(yù)壓時(shí)間為1500 天，路堤填筑分四級(jí)，每一級(jí)填筑時(shí)間為5 天，每一級(jí)填筑后固結(jié)100 天填筑下一級(jí)。工后沉降為路堤施工完成后15 年的殘余沉降。

方案二：采用水泥土攪拌樁法進(jìn)行地基處理，樁間距為2m，樁徑0.5m，樁長(zhǎng)按進(jìn)入下層土2m 考慮，樁長(zhǎng)為14m。 路堤填筑分四級(jí)，每填筑一級(jí)固結(jié)30 天后填筑下一級(jí)。 工后沉降為路堤施工完成后15 年的殘余沉降。

方案三： 采用PTC 管樁進(jìn)行地基處理， 樁間距為2.5m，樁徑0.5m，壁厚7mm，樁長(zhǎng)按進(jìn)入下層土2m 考慮，樁長(zhǎng)為14m。 路堤填筑分四級(jí)，每填筑一級(jí)固結(jié)30 天后填筑下一級(jí)。工后沉降為路堤施工完成后15 年的殘余沉降。 此外， 通過(guò)增設(shè)鋼筋混凝土樁頂連系梁 （尺寸為0.5m×0.5m）進(jìn)行對(duì)比。

（3）計(jì)算參數(shù)

水泥土攪拌樁、PTC 管樁和連系梁按彈性板單元考慮， 土體按摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型考慮， 計(jì)算參數(shù)如表3 所示。

表3 計(jì)算參數(shù)

3.2 不同方案的影響因素分析

3.2.1 工期

根據(jù)測(cè)算，采用水泥土攪拌樁和PTC 樁的工期約為6～10 個(gè)月，攪拌樁和PTC 樁工期能夠滿足要求，但是堆載預(yù)壓+塑料排水板通過(guò)堆載預(yù)壓使得土體固結(jié)，其排水固結(jié)時(shí)間受到多種因素的制約， 并且滲流固結(jié)需要達(dá)到一定時(shí)間， 因此著重討論堆載預(yù)壓+塑料排水板法的工期。

圖3 堆載預(yù)壓后超靜孔隙水壓力

3.2.2 穩(wěn)定性

圖4 安全系數(shù)對(duì)比圖

圖5 穩(wěn)定性對(duì)比圖

3.2.3 工后沉降

堆載預(yù)壓+塑料排水板工后沉降最大，水泥土攪拌樁次之，PTC 管樁（連系梁）最小，如圖6 所示。 PTC 管樁（連系梁）工后沉降為17.2cm，因此PTC 管樁對(duì)于控制工后沉降最有利，在20cm 的控制標(biāo)準(zhǔn)要求下，只有增設(shè)樁頂連系梁的PTC 管樁復(fù)合地基符合要求。

圖7 是三種不同軟基處理方法的工后沉降圖， 從圖中可以看出，路堤的最大沉降均位于道路的中軸線上，隨著與坡腳距離的減小而減小。相較于堆載預(yù)壓，經(jīng)過(guò)水泥土攪拌樁和PTC 管樁處理后，路堤的應(yīng)力擴(kuò)散至更深的土層，通過(guò)樁身的分擔(dān)作用，淤泥層承受的荷載減小，使得工后沉降小于堆載預(yù)壓法。 此外， 與無(wú)樁頂連系梁相比，通過(guò)增加樁頂連系梁，增強(qiáng)了PTC 管樁復(fù)合地基整體抗變形能力，工后沉降減小約21%。

圖6 工后沉降對(duì)比圖

圖7 工后沉降對(duì)比圖

3.2.4 工程造價(jià)

經(jīng)過(guò)計(jì)算， 每平方米工程造價(jià)從低到高依次為堆載預(yù)壓+塑料排水板、水泥土攪拌樁、PTC 管樁（無(wú)連系梁）和PTC 管樁（連系梁）。 堆載預(yù)壓+塑料排水板工程造價(jià)約為水泥土攪拌樁的33%， 水泥土攪拌樁約為增加樁頂連系梁的PTC 管樁的56%。

3.3 軟基處理方案的適用性分析

通過(guò)3.2 節(jié)對(duì)三個(gè)方案的工期、穩(wěn)定性、工后沉降和工程造價(jià)的影響分析表明， 在本工程的路堤填高和軟土厚度下，堆載預(yù)壓+塑料排水板工后沉降已超過(guò)0.3m，且工期很長(zhǎng)，已不適用于普通路基和鄰近構(gòu)筑物的路基。水泥土攪拌樁和PTC 管樁（無(wú)連系梁）工后沉降在0.2m 至0.3m 之間，本工程鄰近橋臺(tái)，不滿足工后沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)。 增設(shè)樁頂連系梁PTC 管樁對(duì)工后沉降控制最有利但是工程造價(jià)最高。

基于上述的研究， 提出適用于本工程的軟基處理方法。由于軟基處理段落鄰近橋臺(tái)，其主要控制因素為工后沉降，水泥土攪拌樁和PTC 管樁（無(wú)連系梁）工后沉降不符合要求。因此，綜合考慮工期、穩(wěn)定性和工后沉降，對(duì)于工后沉降控制嚴(yán)格的靠近橋臺(tái)段僅有采用增設(shè)樁頂連系梁的PTC 管樁復(fù)合地基才能符合要求，斷面圖如圖8 所示。

圖8 PTC 樁處理斷面圖

4 軟基處治效果

經(jīng)過(guò)不同方案的比選， 本項(xiàng)目選取了增設(shè)樁頂連系梁的PTC 管樁軟基處理方法，為了驗(yàn)證軟基處理的有效性，選取了一個(gè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表4 所示。 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，填土完成半年內(nèi)沉降變形顯著減小，沉降速率明顯收斂，效果明顯。

表4 軟基處理段典型斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一覽表

5 結(jié)論

本文結(jié)合公路軟土地基處理工程， 選取3 種處理方案，綜合考慮了工期、穩(wěn)定性、工后沉降以及工程造價(jià)的影響，比選出適用于本工程的軟基處理方法，并通過(guò)對(duì)路堤填土完成半年內(nèi)的沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 驗(yàn)證了軟基處理的有效性。 本文主要得到以下結(jié)論：

(1)水泥土攪拌樁對(duì)控制工后沉降效果良好，其工程造價(jià)低于PTC 樁，在工期和工后沉降滿足的條件下盡可能采用， 但是其在鄰近構(gòu)筑物的情況下工后沉降不滿足要求。

(2)PTC 管樁對(duì)于控制工后沉降效果顯著， 且施工質(zhì)量容易控制，但是工程造價(jià)遠(yuǎn)大于水泥土攪拌樁，宜用于對(duì)沉降敏感的鄰近構(gòu)筑物段落。

(3)通過(guò)增加樁頂連系梁，PTC 管樁復(fù)合地基可以提高整體的抗變形能力，對(duì)工后沉降和穩(wěn)定性均有提高。