輕質(zhì)填料聯(lián)合水泥攪拌樁處理深厚軟土研究

強(qiáng) 華，湯友文

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210019；2.南京市公共工程建設(shè)中心，江蘇 南京 210000)

0 引 言

我國東部沿海地區(qū)分布有深厚軟土，這些路段淤泥、淤泥質(zhì)土分布段落廣，厚度大，具備高含水率、高壓縮性、高孔隙比、力學(xué)性質(zhì)差等特點，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，在這些路段上修建道路工程將不可避免。對于軟土地基的處理一般有以下辦法，一是采用輕質(zhì)填料降低地基內(nèi)的附加應(yīng)力，二是采用豎向增強(qiáng)體復(fù)合地基對天然地基部分土體進(jìn)行加固，或兩者兼有之。泡沫輕質(zhì)土與傳統(tǒng)路基填料相比具有不可壓縮及高強(qiáng)特性，能有效降低地基應(yīng)力，達(dá)到控制工后沉降的目地。采用豎向增強(qiáng)體復(fù)合地基處理軟土常規(guī)的思路是要打穿軟土，保證樁端持力層位于承載力較高、低壓縮土層上。而對于深厚軟土的處理通常優(yōu)先采用剛性樁處理，但剛性樁需要大型運輸、機(jī)械設(shè)備進(jìn)行運輸施工，造價遠(yuǎn)高于柔性樁，同時還會產(chǎn)生土拱效應(yīng)和擠土效應(yīng)。本文結(jié)合實際工程項目，在滿足沉降和穩(wěn)定計算的情況下，驗證采用泡沫輕質(zhì)土聯(lián)合加固部分深度軟土的水泥攪拌樁對深厚軟土進(jìn)行處理的效果。

1 工程概況

357省道丹陽至常州機(jī)場段建設(shè)工程全線采用雙向六車道一級公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度100 km/h。起點城區(qū)段為解決S357與南二環(huán)路及齊梁路的快速交通轉(zhuǎn)換設(shè)置了南二環(huán)樞紐互通和齊梁路互通(互通間距600 m)，其中現(xiàn)狀南二環(huán)路及齊梁路由于連續(xù)跨越京滬高鐵和京杭大運河，在互通節(jié)點處均為高架橋梁，因此匝道橋頭填土高度較高。根據(jù)本項目詳勘報告揭露，互通匝道橋頭路基區(qū)域分布有深厚軟土，軟土層厚15～25 m，不同橋位處軟土埋深變化較大，軟土層頂埋深1.0～5.0 m。橋頭路基填土高度4.5～6 m，為保證行車安全及舒適性，需加強(qiáng)對橋頭路基下軟土地基的處理。

表1 物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

續(xù)表1右

圖1 南二環(huán)、齊梁路互通橋頭路基處理位置

2 項目特點

互通區(qū)主線均下穿被交路，路基填土高度普遍不高約1.0～2.0 m，基本不需要處理，填土較高的路段主要位于匝道橋頭，匝道斷面寬度9.0 m，因此本項目軟基處理總規(guī)模不大。

地基處理位于橋頭路段，路基工后沉降要求嚴(yán)格，根據(jù)規(guī)范要求，一級公路橋頭路基工后沉降不大于10 cm，縱向差異沉降引起的縱坡變化應(yīng)控制在0.4%以內(nèi)。

項目區(qū)域軟土埋深較淺，厚度較厚，埋深及層厚變化也較大，場地條件復(fù)雜。

基于以上特點，本項目設(shè)計時應(yīng)合理選擇地基處理方案，同時應(yīng)兼顧考慮后期施工、檢測的方便快捷，合理歸并方案種類。

3 軟基處理方案的選擇

根據(jù)項目詳勘成果，本項目互通區(qū)橋頭路基范圍內(nèi)軟土層上部均分布有一層厚度不均的粉土層，屬于典型的硬殼層地基。根據(jù)國內(nèi)外工程界的研究，硬殼層地基承載一般分為3個承載階段。

(1)路堤填高小于一定高度時處于彈性承載階段，此時上部荷載主要由硬殼層承擔(dān)并將應(yīng)力擴(kuò)散至路堤外，地基總沉降量很??；

(2)路堤填高大于一定高度時，進(jìn)入塑性變形階段，此時硬殼層應(yīng)力擴(kuò)散作用減小，軟土較①承受較大的附加應(yīng)力，地基總沉降大幅增加；

(3)路堤填高超過極限高度時進(jìn)入極限承載狀態(tài)，此時軟土變形較②更加大，但由于硬殼層和軟土存在的強(qiáng)度值和剛度值差異較大，應(yīng)力主要集中于硬殼層和上部軟土中，因此該階段相較無硬殼層地基，地基總沉降量還是較小。

由上述3個階段的特點可以看出，只有利用硬殼層地基的彈性工作狀態(tài)才能充分發(fā)揮其承載和應(yīng)力擴(kuò)散作用。硬殼層地基的彈性工作狀態(tài)的路堤填土高度約為地基厚度的1.25倍，但準(zhǔn)確的定量分析還需要進(jìn)一步的研究。考慮現(xiàn)實中工程的重要性，實際運用時應(yīng)對該值適當(dāng)降低，以保障工程主體的安全和穩(wěn)定。

本項目為充分利用硬殼層，同時綜合考慮硬殼層地基分布段落、軟土分布情況、地基處理總體規(guī)模、施工組織和檢驗檢測的便捷等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后推薦采用不超過兩種方式進(jìn)行地基處理，即泡沫土和水泥攪拌樁。

表2 不同處理方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

接表2右

表2中齊梁路互通J匝道橋頭路基段由于硬殼層厚度較薄，單純采用泡沫輕質(zhì)土經(jīng)計算無法滿足沉降和穩(wěn)定的要求，且軟土層底埋深超過15 m，因此設(shè)計方案采用泡沫土填筑路基以降低地基內(nèi)附加應(yīng)力，同時采用水泥攪拌樁加固部分軟土，經(jīng)計算沉降和穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，與傳統(tǒng)采用管樁處理的方式相比，造價也有節(jié)約。

4 泡沫輕質(zhì)土及水泥攪拌樁設(shè)計

4.1 泡沫輕質(zhì)土技術(shù)指標(biāo)

泡沫輕質(zhì)土濕密度級別取D600，強(qiáng)度等級取F0.8，泡沫標(biāo)準(zhǔn)密度取50 kg/m3，流值取170 mm，發(fā)泡倍率不低于1 200，消泡試驗泡沫輕質(zhì)土濕密度增加率不超過10%，泡沫輕質(zhì)土標(biāo)準(zhǔn)沉降率低于3%。

4.2 單樁承載力計算

水泥攪拌樁單樁豎向承載力特征值通過現(xiàn)場載荷試驗確定，設(shè)計時根據(jù)規(guī)范要求按(1)進(jìn)行計算，同時按(2)對單樁承載力進(jìn)行復(fù)核。

(1)

Rα=ηfcuAp

(2)

從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，設(shè)計計算時通過(2)得出水泥攪拌樁單樁承載力，再將該值通過(1)反算即可得出有效樁長。當(dāng)設(shè)計樁長大于有效樁長時，水泥攪拌樁單樁承載力可按(2)確定。

4.3 復(fù)合地基承載力計算

復(fù)合地基的承載力特征值應(yīng)通過現(xiàn)場復(fù)合地基載荷試驗確定，設(shè)計時根據(jù)規(guī)范要求按(3)進(jìn)行計算。

(3)

4.4 軟弱下臥層承載力計算

由于本次設(shè)計水泥攪拌樁僅加固部分軟土，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2011)第5.2.7條規(guī)定，還應(yīng)對軟弱下臥層承載力按(4)進(jìn)行驗算。

pz+pcz≤faz

(4)

4.5 復(fù)合地基壓縮區(qū)沉降計算

根據(jù)復(fù)合地基理論，通過水泥攪拌樁加固后地基沉降計算應(yīng)包括兩部分。

(1)復(fù)合地基加固區(qū)沉降S1計算

s1=(pz+pzl)l/(2Esp)

(5)

Esp=mEp+(1-m)Es

(6)

(2)加固區(qū)下臥層沉降S2計算

(7)

4.6 工程實例

以齊梁路互通J匝道橋頭為例，路基填土采用泡沫輕質(zhì)土填筑，軟土采用水泥攪拌樁處理，計算結(jié)果如表3。

表3 設(shè)計計算過程表

經(jīng)計算，復(fù)合地基承載力、單樁承載力、下臥層承載力、工后沉降和穩(wěn)定安全系數(shù)經(jīng)驗算，均能滿足規(guī)范要求，因此推薦方案是合理可行的?，F(xiàn)場施工完畢后經(jīng)第三方檢測單位檢測，單樁承載力大于135 KPa，復(fù)合地基承載力大于115 KPa，滿足設(shè)計要求。

5 通車運營情況

通車一年后道路運營運行良好，路面無病害，橋頭路基無跳車現(xiàn)象，工后沉降小于2.2 cm。

6 結(jié) 語

(1)對于橋頭高填方路段，采用泡沫輕質(zhì)土等效替代路基填土高度以降低地基內(nèi)的附加應(yīng)力，同時采用水泥攪拌樁部分加固軟土在技術(shù)上是可行的，與剛性樁相比也可以節(jié)約造價，后期在丹陽地區(qū)類似工程建設(shè)中可以推廣應(yīng)用。

(2)對軟弱下臥層承載力的驗算是類似工程設(shè)計計算的重點，設(shè)計時在計算出樁長、樁間距、工后沉降和穩(wěn)定安全系數(shù)切莫忽視下臥層承載力的驗算，這是必不可少的環(huán)節(jié)。