湖北咸寧三元路市政道路工程軟基處理方法

劉 庭，萬(wàn)仁新，李 波

（中建三局工程設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 420023）

0 引 言

湖北地區(qū)由于地理位置特殊，江河湖泊眾多，市政道路施工過(guò)程中軟土路基較為常見(jiàn)，咸寧三元路市政道路工程地勢(shì)較低，軟基面積較大，選擇較好的軟基處理方式對(duì)節(jié)省工程造價(jià)以及取得較好的工程效果意義重大。目前，市政道路軟基的處理方法主要有：水泥攪拌樁法、換填法、塑料排水板法、碎石樁法、CFG樁法、強(qiáng)夯法、預(yù)壓法等[1]。文獻(xiàn)[2-8]分別研究了水泥攪拌樁法、塑料排水板法、碎石樁法、CFG樁法、強(qiáng)夯法、預(yù)壓法在市政道路軟基路段的應(yīng)用，分析了其軟基處理機(jī)理、施工工法、工后檢測(cè)及處理效果。

本文結(jié)合咸寧三元路市政道路工程軟基路段地質(zhì)情況，對(duì)比分析了淺層換填法、水泥攪拌樁、塑料排水板、碎石樁法、CFG樁等5種工法，提出了4種處理方案，根據(jù)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，最終選擇了“軟基厚≤3 m時(shí)采用換填碎石土方法，軟基厚＞3 m時(shí)采用水泥攪拌樁方法”作為軟基處理方式。

1 軟基處理方案對(duì)比分析

1.1 項(xiàng)目概況

咸寧三元路市政道路工程全長(zhǎng)2.426 km，紅線寬度48 m，為城市主干路，設(shè)計(jì)高程在22.898～24.62 m之間，全線為填方路段，填高為1.5～4.3 m。軟土路基處理需滿足《城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》6.2.8節(jié)要求，城市主干路涵洞、通道處容許工后沉降值為≤0.2 m，一般路段容許工后沉降值為≤0.3 m。

根據(jù)地勘報(bào)告，主要地層為：

（1）填土層

①素填土（Qml）：黃褐色、灰色，稍濕，以粉質(zhì)黏土為主，局部為深灰色有機(jī)質(zhì)土，表層 0.2～0.5 m為耕植土，靠近道路及房屋處含磚渣、碎石。該層普遍分布于場(chǎng)區(qū)地表，層厚0.50～2.60 m。土的側(cè)阻力特征值為 8 kPa。沿線廣泛分布，未經(jīng)處理不能直接作路基持力層。

（2）第四系湖積層

②1淤泥（Q4l）：灰黑色，飽和，流塑，味臭、污手，富含有機(jī)質(zhì)。該層主要分布于塘底及河溝表層，層厚0.90～3.90 m。承載力特征值及壓縮模量分別為fak=45 kPa、Es=2.0 MPa，土的側(cè)阻力特征值為 5 kPa。沿線局部分布，未經(jīng)處理不能直接作路基持力層。

②2黏土（Q4l）：灰黑色，飽和，軟塑，局部流塑，含有機(jī)質(zhì)。該層主要分布于塘底及河溝下部，層厚0.80～4.70 m，層頂埋深0.50～5.00 m。承載力特征值及壓縮模量分別為 fak=60 kPa、Es=3.0 MPa，土的側(cè)阻力特征值為9 kPa。沿線局部分布，未經(jīng)處理不能直接作路基持力層。

（3）第四系沖洪積層

③1粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）：黃褐色、灰色，濕，可塑偏軟塑，土質(zhì)較均勻。該層在場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)普遍分布，層厚0.30～3.90 m，層頂埋深0.60～5.00 m。承載力特征值及壓縮模量分別為 fak=100 kPa、Es=5.5 MPa，土的側(cè)阻力特征值為15 kPa。沿線廣泛分布，可作為路基持力層。

③2粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）：黃褐色、灰黃色，稍濕，可塑偏硬塑，局部硬塑，含灰黑色鐵錳質(zhì)氧化物及灰白色高嶺土條。該層在場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)普遍分布，層厚2.00～4.60 m，層頂埋深1.10～4.40 m。承載力特征值及壓縮模量分別為 fak=190 kPa、Es=8.5 MPa，土的側(cè)阻力特征值為25 kPa。沿線廣泛分布，可作為路基持力層。

③3粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）：淺灰色，很濕，可塑偏軟塑，局部軟塑，含粉細(xì)砂，含量10%～20%。該層在場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)局部分布，層厚0.30～1.80 m，層頂埋深4.60～7.10 m。承載力特征值及壓縮模量分別為fak=95 kPa、Es=4.5 MPa，土的側(cè)阻力特征值為15 kPa。沿線廣泛分布，可作為路基持力層。

④2圓礫（Q4al+pl）：雜色，飽和，稍密-中密，亞圓形為主，骨架顆粒主要為灰?guī)r、砂巖，粒徑一般2～10 mm，含量50%～60%，多為黏性土充填，局部砂礫充填。該層在場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)普遍分布，層厚0.20～3.40 m，層頂埋深5.00～8.90 m。承載力特征值及壓縮模量分別為fak=300 kPa、Es=19 MPa，土的側(cè)阻力特征值為50 kPa。沿線廣泛分布，可作為路基持力層。

地下水位主要受氣候因素的影響，大氣降水、地表水為其主要補(bǔ)給來(lái)源，流動(dòng)性差，主要以蒸發(fā)的方式排泄。勘察期間在鉆孔內(nèi)測(cè)得上層滯水水位埋深 0.10～1.50 m，承壓水水頭標(biāo)高約 17.29～17.46 m，水位年變幅1.00～2.00 m。

根據(jù)地勘報(bào)告可知②1淤泥、②2黏土為軟土，軟土層部分路段深度達(dá)到 5.0～6.9 m，軟土層具有的含水量和孔隙比較大、滲透系數(shù)比較小、較高的壓縮性、很強(qiáng)的觸變性和顯著的流變性[9]，且地下水埋深較淺，軟土路基處理的好壞將直接影響路基是否穩(wěn)定。軟土路基物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1，各巖層土層承載力基本容許值及壓縮模量建議值見(jiàn)表2。

表1 軟土路基物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical properties of soft soil subgrade

表2 各巖土層承載力基本容許值及壓縮模量建議值Table 2 Basic allowable value of bearing capacity and recommended value of compression modulus of each layer

1.2 軟基處理方案的選擇

咸寧三元路市政道路K0+000～K0+211段軟基最深為6.9 m，路基平均填高約3.5 m；K1+060～K1+146段軟基最深為 5.3 m，路基平均填高約2.5 m；K1+294～K1+380.5、K1+396.5～K1+460段軟基最深為5.0 m，路基平均填高約2.65 m。

軟土路基常用處理方法對(duì)比分析如表3。

表3 地基處理方案比較一覽表Table 3 Comparison of ground treatment schemes

（1）軟基厚度≤3 m時(shí)處理方案的選擇

當(dāng)軟基厚度較薄時(shí)（一般＜3 m），采用淺層換填法處理，可有效地置換不良地基土，徹底改善影響路堤穩(wěn)定的不良地質(zhì)因素。該法主要適用于處理淺層軟弱土層、膨脹土、季節(jié)性凍土、素填土和雜填土等。由于本項(xiàng)目地勢(shì)較低，地下水較高，本項(xiàng)目選用水穩(wěn)性較好的碎石土（土石比4∶6）換填。

（2）軟基厚度＞3 m時(shí)處理方案的選擇

根據(jù)各種軟基處理方式，當(dāng)軟基厚度＞3 m時(shí)選擇了水泥攪拌樁、塑料排水板、碎石樁和 CFG樁4種處理方案，分別見(jiàn)圖1～4。

圖1 水泥攪拌樁處理橫斷面圖Fig. 1 Cross section of cement mixing pile treatment

圖2 塑料排水板處理橫斷面圖Fig. 2 Cross section of plastic drainage board treatment

圖3 碎石樁處理橫斷面圖Fig. 3 Cross section of gravel pile treatment

圖4 CFG樁處理橫斷面圖Fig. 4 Cross section of CFG pile treatment

各種處理方案的設(shè)計(jì)：

a）水泥攪拌樁樁徑采用0.5 m，樁間距1.3 m，采用等邊三角形布置，樁體深入軟土路基層以下不少于1 m，采用32.5硅酸鹽水泥。

b）塑料排水板采用B型，正三角形布置，間距1.2 m，排水板打入軟基以下不少于1 m。

c）碎石樁采用等邊三角形排列，樁徑為0.8 m，樁間距為 1.3 m，樁體深入軟土路基層以下不少于1 m。

d）CFG樁樁徑采用0.5 m，樁間距1.3 m，采用等邊三角形布置，樁體深入軟土路基層以下不少于1 m。

對(duì)4種方案做了技術(shù)經(jīng)濟(jì)等對(duì)比，見(jiàn)表4。

表4 處理方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比Table 4 Economic and technical comparison of treatment schemes

水泥攪拌樁適宜處理深度＜14 m的軟土路基，本項(xiàng)目軟基最深為6.9 m，較適合水泥攪拌樁處理，處理后地基承載能力將會(huì)得到大幅度提高，穩(wěn)定性得以保障，有效控制路基沉降，在道路施工中優(yōu)勢(shì)明顯[2]。

塑料排水板法造價(jià)較低，但需結(jié)合堆載預(yù)壓法使用，工期較長(zhǎng)，且處理質(zhì)量不易控制。該方案工后易形成不均勻沉降，增加后期修護(hù)費(fèi)用，整體不經(jīng)濟(jì)。考慮到本工程工期較緊，軟基處理范圍大等實(shí)際情況，塑料排水板法占用場(chǎng)地面積大，且需大量的堆載預(yù)壓用料等缺點(diǎn)，本項(xiàng)目不適宜采用塑料排水板法。

咸寧地區(qū)缺少碎石資源，采購(gòu)運(yùn)輸?shù)瘸杀据^高，造價(jià)較高。質(zhì)量不易控制。

CFG樁相對(duì)于其他方案，處理效果最好，但造價(jià)較高，適宜處理軟基厚度大于10 m的情況，否則不經(jīng)濟(jì)。

e）方案比較結(jié)論

水泥攪拌樁技術(shù)在公路、市政工程等軟土地基加固方面應(yīng)用廣泛，且湖北地區(qū)使用廣泛，工法較為成熟，質(zhì)量較易控制。通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇水泥攪拌樁法處理軟基厚度＞3 m的軟土路基。

（3）三元路軟基處理方式如下為：

K0+000～K0+211采用單根樁長(zhǎng)8 m水泥攪拌樁處理，K1+060～K1+146、K1+294～K1+380.5、K1+396.5～K1+460采用單根樁長(zhǎng)6 m水泥攪拌樁處理。其余路段全部采用換填碎石土方式處理，換填厚度為1.2～3 m。

2 水泥攪拌樁設(shè)計(jì)參數(shù)及施工工藝

選取最不利孔位SYK 04孔（樁號(hào)K0+160）計(jì)算單樁承載力以及復(fù)合地基承載力，該孔地質(zhì)縱斷面見(jiàn)圖 5。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012），單樁承載力以及復(fù)合地基承載力可按下式計(jì)算得到。

（1）單樁承載力

單樁承載力可根據(jù)以下兩式（取小值）得到：

式中：樁周長(zhǎng)up=1.57 m；樁面積Ap=0.196 m2；土的側(cè)阻力特征值qsi根據(jù)地勘報(bào)告取值；樁端阻力發(fā)揮系數(shù)ap=0.6；fak樁端阻力特征值根據(jù)地勘報(bào)告取值；lpi樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度。

計(jì)算結(jié)果為204.53 kN。

式中：邊長(zhǎng)70.7 mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90 d的抗壓強(qiáng)度平均值fcu=2.4 MPa；樁身強(qiáng)度折減系數(shù)η=0.25。

計(jì)算結(jié)果為117.6 kN。

單樁承載力取兩式計(jì)算結(jié)果較小值，故單樁承載力取118 kN。

（2）復(fù)合地基承載力

式中：?jiǎn)螛冻休d力發(fā)揮系數(shù) λ=1.0；面積置換率m=0.134；樁間土承載力發(fā)揮系數(shù) β=0.25；樁間天然土承載力特征值為：

計(jì)算結(jié)果為 101.1 kPa，復(fù)合地基承載力取100 kPa。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)要求現(xiàn)場(chǎng)28 d水泥土攪拌樁樁身無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.2 MPa，復(fù)合地基承載力不小于100 kPa，單樁承載力不小于118 kN。

（3）最不利斷面的驗(yàn)算

根據(jù)《城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 194—2013），主干路路基允許工后變形應(yīng)符合：橋臺(tái)與路堤相鄰處≤10 cm，涵洞通道處≤20 cm，一般路段≤30 cm。

根據(jù)地勘報(bào)告SYK 04孔（樁號(hào)K0+160）、SYK 35孔（樁號(hào)K1+432）地質(zhì)情況較差，填高分別為3.2、3.32 m，軟基深度分別為6.6、5.3 m，水泥攪拌樁樁長(zhǎng)分別為8、6 m，見(jiàn)圖5～6。

圖5 SYK 04孔地質(zhì)縱斷面圖Fig. 5 Geological profile of hole SYK 04

圖6 SYK 35孔地質(zhì)縱斷面圖Fig. 6 Geological profile of hole SYK 35

最不利斷面驗(yàn)算采用理正巖土工程計(jì)算分析軟件進(jìn)行驗(yàn)算。工后14年內(nèi)，SYK 04孔路基出現(xiàn)17.5 cm沉降，SYK 35孔路基出現(xiàn)15.3 cm沉降。這一數(shù)值低于一般路段30 cm的容許工后沉降值，同時(shí)也低于涵洞通道基礎(chǔ)20 cm容許工后沉降值，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）施工工藝

水泥攪拌樁試樁施工采用“二噴四攪”（噴漿法），工藝主要流程為如圖7。

圖7 水泥攪拌樁工藝流程圖Fig. 7 Process flow chart of cement mixing piles

3 水泥攪拌樁工后檢測(cè)結(jié)果分析

（1）檢測(cè)手段

水泥攪拌樁工后主要做4項(xiàng)檢測(cè)：a）輕型動(dòng)力觸探檢測(cè)；b）開(kāi)挖檢測(cè)；c）取芯檢驗(yàn)；d）靜載試驗(yàn)檢測(cè)。

（2）檢測(cè)結(jié)果

K1+060～K1+146路段共有3 375根水泥攪拌樁，樁徑為0.5 m，單根樁長(zhǎng)為6 m，選擇34根樁做靜載試驗(yàn)，其中17根進(jìn)行復(fù)合地基荷載試驗(yàn)（檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5），另外17根做單樁豎向抗壓靜載實(shí)驗(yàn)（檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6）。并另選17根樁進(jìn)行取芯檢驗(yàn)，芯樣見(jiàn)圖8，選擇代表性的一根樁的檢測(cè)結(jié)果。（檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7）。

圖8 樁號(hào)14-29芯樣Fig. 8 Core sample of pile No. 14-29

表5 復(fù)合地基荷載試驗(yàn)結(jié)果匯總表Table 5 Load test results of composite foundation

表6 單樁豎向抗壓靜載實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總表Table 6 Experimental results of vertical compressive static load of single piles

表7 取芯檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果匯總表Table 7 Coring test results

通過(guò)輕型動(dòng)力觸探法、開(kāi)挖法檢測(cè)以及取芯檢驗(yàn)，樁體成樁均勻性以及樁體直徑均滿足設(shè)計(jì)要求，28 d水泥土攪拌樁樁身無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均遠(yuǎn)大于1.2 MPa，樁體強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)及使用要求。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行單樁荷載和復(fù)合地基荷載試驗(yàn)，檢測(cè)各點(diǎn)復(fù)合地基承載力均大于 100 kPa，單樁承載力均大于 118 kN，均符合設(shè)計(jì)及使用要求，施工質(zhì)量較好。

4 結(jié) 論

本文主要介紹了5種處理方式的原理、優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合咸寧三元路市政道路工程，當(dāng)軟基厚度＞3 m時(shí)提出了4種處理方案。

（1）結(jié)合三元路市政道路工程，本項(xiàng)目軟土層部分路段深度達(dá)到5～6.9 m，必須處理后才能進(jìn)行路基填筑。淺層換填、水泥攪拌樁、塑料排水板、碎石樁法、CFG樁5種工法可供選擇，分析了其原理及優(yōu)缺點(diǎn)，提出了4種軟基處理方案，通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比，認(rèn)為“軟基厚≤3 m時(shí)采用換填碎石土方法，軟基厚＞3 m時(shí)采用水泥攪拌樁方法”為最優(yōu)方案。根據(jù)地勘報(bào)告，選取2個(gè)地質(zhì)情況不利孔位進(jìn)行工后沉降驗(yàn)算，工后 14年內(nèi)沉降均小于20 cm，滿足規(guī)范要求，處理效果較為理想。

（2）工后通過(guò)輕型動(dòng)力觸探法、開(kāi)挖法、取芯檢驗(yàn)以及靜載試驗(yàn)法對(duì)樁體進(jìn)行工后檢驗(yàn)，樁體質(zhì)量較好，滿足工程質(zhì)量要求。

（3）通過(guò)研究可知，“軟基厚≤3 m時(shí)采用換填碎石土方法，軟基厚＞3 m時(shí)采用水泥攪拌樁方法”處理軟基是可行的，該方案值得湖北地區(qū)同類工程借鑒，應(yīng)用空間較大。但水泥攪拌樁處理軟基深度不易過(guò)深，一般處理深度不能超過(guò)14 m，對(duì)于軟基深度較深的情況，需慎重選擇水泥攪拌樁方案。