深軟基處理方案的論證
——以赤道幾內(nèi)亞某項(xiàng)目為例

楊冬冬，劉玉龍

(中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089)

1 項(xiàng)目概況

某項(xiàng)目位于赤道幾內(nèi)亞西北部，瀕臨大西洋，起點(diǎn)接Utonde大橋，向北延伸，終點(diǎn)位于Veadibe村附近，本次勘察主要采用現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、挖探等綜合手段方法，對擬建公路沿線進(jìn)行工程地質(zhì)勘察?？辈旖Y(jié)果顯示軟基段K2+666.96～K3+521.04。

軟土地基處理的方案設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足穩(wěn)定性和沉降的要求前提下，按因地制宜、就地取材、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、施工方便可行的原則進(jìn)行。

2 本項(xiàng)目軟基路段工程特點(diǎn)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)橋梁段為K2+666.96～K3+521.04，橋梁區(qū)域內(nèi)軟土主要類型為腐殖覆蓋物、泥炭、泥炭質(zhì)土、淤泥、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂，根據(jù)地質(zhì)勘察及其有關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)等綜合分析，本項(xiàng)目軟基路段具有以下工程特點(diǎn)。

1)表層分布松軟的腐殖物、泥炭土。表層分布為厚度5.0～9.0 m的泥炭土，黑褐色，極軟塑～軟塑，夾雜大量紅褐色腐爛植物根系及落葉，味極臭，該層主要為雨林落葉、喜水植物等在缺氧條件下經(jīng)緩慢分解形成的泥沼層，該層非常松軟，具有含水率高(100%～300%)、孔隙比大(達(dá)3.0～8.0)、壓縮性極大(壓縮系數(shù)達(dá)5～10 MPa-1)、承載力低(容許承載力僅為30～40 kPa)、有機(jī)質(zhì)含量高(達(dá)30%～60%)等特點(diǎn)。

2)中層分布低強(qiáng)度的泥炭質(zhì)土。中層分布為厚度3.0～12.0 m的泥炭土，黑灰色、青灰色，極軟塑～軟塑，有機(jī)質(zhì)纖維含量相對較少，味臭，承載力在50～70 kPa。其中，除K2+950～K2+990約40 m段落的泥炭質(zhì)土分布較少外，其余段落泥炭質(zhì)土分布均較厚。

3)下層分布粉質(zhì)黏土。下層分布厚度0.5～1.0 m粉質(zhì)黏土，灰色～灰黃色，極軟塑～軟塑，無臭味，為泥巖全風(fēng)化土形成，偶見泥巖風(fēng)化顆粒。承載力在80 kPa左右。

4)下臥層分布泥巖、砂巖。下臥層分布泥巖、砂巖，主要為全風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、全風(fēng)化砂巖，承載力高。全風(fēng)化泥巖呈深灰色，硬塑，巖芯呈土柱狀，質(zhì)較軟，手可掰碎搓成粉末，干強(qiáng)度較高；中風(fēng)化泥巖呈灰色，巖芯多呈柱狀，巖芯表面見泥質(zhì)砂質(zhì)互呈條帶狀，間距不等，局部受機(jī)械擾動呈片狀；強(qiáng)風(fēng)化砂巖呈灰色，原巖結(jié)構(gòu)可辨，巖芯呈碎塊狀混砂土狀。

3 軟土處理方案適應(yīng)性分析

根據(jù)本區(qū)域軟土工程特點(diǎn)、筑路材料分布特點(diǎn)、施工條件等，本工程可用于比選的軟基處理方案有水泥攪拌樁、鋼筋混凝土方樁、換填+堆載預(yù)壓。

3.1 水泥攪拌樁

本項(xiàng)目表層分布松軟的腐殖物、泥炭土有機(jī)質(zhì)含量高，最高達(dá)50%以上，通過前期方案設(shè)計(jì)階段的水泥土室內(nèi)試驗(yàn)及赤道幾內(nèi)亞地區(qū)類似項(xiàng)目應(yīng)用效果來看，水泥攪拌樁極易不成樁，因此，水泥攪拌樁不適用。

3.2 鋼筋混凝土預(yù)制方樁

鋼筋混凝土方樁在軟基性質(zhì)較差時比較適用。但結(jié)合本項(xiàng)目地層主要分為兩級，一級為軟基性質(zhì)極差的泥炭、泥炭質(zhì)土；一級為承載力較高的泥巖、砂巖。因此，在本項(xiàng)目中鋼筋混凝土方樁應(yīng)為嵌巖樁支撐。同時，從K2+666.96～K3+521.04段地質(zhì)縱斷面圖及K2+670地質(zhì)剖面圖來看，地層極不均勻，地層在縱向最大縱坡達(dá)60多度，800 m范圍內(nèi)地層起伏頻繁且較大；在橫向分布上，縱坡也達(dá)到10度左右。

若采用鋼筋混凝土方樁，在樁尖進(jìn)入泥巖層之前，根據(jù)《預(yù)制鋼筋混凝土方樁》(JC 934—2004)[1]、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[2]提到的：“對于無基巖風(fēng)化層或風(fēng)化層基巖較薄的硬質(zhì)基巖，當(dāng)巖面傾斜較大時不宜選用預(yù)制鋼筋混凝土方樁”。因此，在本項(xiàng)目采用鋼筋混凝土方樁時，方樁進(jìn)入持力層時極易發(fā)生偏移，施工工藝要求較高。且結(jié)合地層不均勻的情況，在方樁預(yù)制時無法精確各方樁的樁長，在施工過程中須結(jié)合沉樁情況不斷接樁、截樁。所以，本項(xiàng)目不推薦采用鋼筋混凝土方樁。

3.3 換填+堆載預(yù)壓

該方案是造價最節(jié)省的軟土路基處理方案。但結(jié)合本項(xiàng)目來看，表層及中層泥炭土、泥炭質(zhì)土層較厚，腐殖物、有機(jī)質(zhì)含量較高，在換填時無法換填完全，所以工后沉降會較大。另外，從K2+666.96～K3+521.04段地質(zhì)縱斷面圖及K2+670地質(zhì)剖面圖來看，如前所述，地層在縱向及橫向分布上極不均勻，在預(yù)壓期內(nèi)極易發(fā)生滑移等破壞，而且預(yù)壓期比較長，預(yù)計(jì)不少于3年，在軟基加載及預(yù)壓期內(nèi)還需要不間斷觀測、加載、觀測、加載等動態(tài)監(jiān)測。為充分論證軟基處理方案的合理性和適用性，同時為施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本計(jì)算書選取K2+670工點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算(采用理正巖土進(jìn)行計(jì)算)。計(jì)算過程如下。

3.3.1 沉降計(jì)算

地基總沉降采用公式法計(jì)算。地基最終沉降由瞬時沉降Sd、主固結(jié)沉降Sc及次固結(jié)沉降Ss三者之和計(jì)算，即：

最終沉降=Sd+Sc+Ss

(1)

主固結(jié)沉降Sc采用分層總和法計(jì)算：

(2)

式中，n為壓縮土層內(nèi)土層分層的數(shù)目；i為第i分層土；e0i為地基中各分層在自重應(yīng)力作用下的穩(wěn)定孔隙比；e1i為地基中各分層在自重力和附加應(yīng)力共同作用下的穩(wěn)定孔隙比；Δhi為地基中各分層的初始厚度。

瞬時沉降Sd按式(3)計(jì)算：

(3)

(4)

式中，F(xiàn)為路堤中線沉降系數(shù)；p為路堤底面中點(diǎn)的最大垂直應(yīng)力，kPa；B為荷載分布寬度；E為由無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到的彈性模量的平均值；b為路堤頂寬度；a為路堤底部寬度。

次固結(jié)沉降Ss按式(5)計(jì)算：

(5)

式中，Iai為次固結(jié)系數(shù)；eci為主固結(jié)完成時土的孔隙比；tA為計(jì)算次固結(jié)變形所需要的總時間；tci為主固結(jié)完成所需要的時間；hi為各土層厚度。

計(jì)算路面竣工時及以后的沉降，基準(zhǔn)期開始時刻具體為最后一級加載(路面施工)結(jié)束時刻，不考慮沉降的影響，路堤的實(shí)際計(jì)算高度為5.000 m。經(jīng)計(jì)算，路面竣工時地基沉降為0.634 m，路面竣工后基準(zhǔn)期內(nèi)的殘余沉降為0.464 m，基準(zhǔn)期結(jié)束時地基沉降為1.098 m，最終地基總沉降為0.037+1.212+0.088=1.347 m。

3.3.2 穩(wěn)定性計(jì)算

穩(wěn)定性計(jì)算采用有效固結(jié)應(yīng)力法(簡化Bishop法)，如圖1所示。穩(wěn)定安全系數(shù)F計(jì)算公式：

(6)

式中，B為弧AB終點(diǎn)；A為弧AB起點(diǎn)；cqi、φqi為地基土或路堤填料的粘聚力(kPa)和內(nèi)摩擦角；Li為土條地面弧長；WIi為土條基地部分重力；WIIi為土條路堤部分重力；Ui為地基平均固結(jié)度；αi為土條底面與水平面交角；φcqi為地基土的內(nèi)摩擦角；C為弧BC終點(diǎn)。

圖1 簡化Bishop法計(jì)算圖

圖1中，O為滑弧圓心；R為滑動半徑。

穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如下：最不利滑動面：滑動圓心為(4.00，5.00)m，滑動半徑為15.903 902 m，滑動安全系數(shù)為0.919，總的下滑力為639.171 kN，總的抗滑力為587.444 kN，土體部分下滑力為639.171 kN，土體部分抗滑力為587.444 kN，筋帶的抗滑力為0.000 kN，地震作用下滑力為0.000 kN。

通過堆載預(yù)壓處理，工后沉降為0.634 m，不滿足要求。經(jīng)計(jì)算，穩(wěn)定性系數(shù)為0.919<1.2，穩(wěn)定性不滿足要求。因此，本項(xiàng)目不推薦換填+堆載預(yù)壓方案。

3.4 橋梁方案

在經(jīng)過軟基處理方案對比后，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況提出了橋梁方案，并對橋梁結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)對比，最終確定16 m空心板橋?yàn)樽顑?yōu)跨徑。對比如下。

3.4.1 主要構(gòu)造尺寸

空心板橋采用部頒標(biāo)準(zhǔn)圖尺寸，同時參照廣東省標(biāo)準(zhǔn)圖結(jié)構(gòu)尺寸，30 m T梁采用赤道幾內(nèi)亞地區(qū)一直使用的2.2 m梁高圖紙結(jié)構(gòu)尺寸，上下部結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

表1 上下部結(jié)構(gòu)尺寸

3.4.2 橋梁工程量

五種跨徑橋梁主材工程數(shù)量見表2。

表2 主材工程量

3.4.3 空心板橋比較

8、10、13、16 m跨徑空心板梁高從小變大，從表2可以看出，綜合上下部結(jié)構(gòu)總工程量，空心板橋中采用16 m跨徑工程量最小，同時注意下部結(jié)構(gòu)單價高于上部，因此可以得出本項(xiàng)目空心板橋中最經(jīng)濟(jì)跨徑為16 m。

3.4.4 16 m空心板與30 m T梁比較

1)經(jīng)濟(jì)性：從表2可以看出，16 m空心板橋與30 m T梁橋相比，主材工程量相當(dāng)，空心板橋小一些。另外，跨徑較大的30 m T梁橋施工措施費(fèi)要高于16 m空心板橋，參照赤道幾內(nèi)亞辦事處已完成橋梁項(xiàng)目，30 m T梁橋?qū)嶋H分包單價也高于16 m空心板橋，因此從經(jīng)濟(jì)性考慮，16 m空心板橋占優(yōu)。

2)美觀適用性：16 m空心板較30 m T梁上部建筑高度低，16 m空心板橋臺后路基填土高度可控制在3.2 m左右，T梁橋需在5.1 m左右，見表3，對于軟基區(qū)域，顯然路基填土高度控制在較低水平對路基有利，16 m空心板橋更具有優(yōu)勢。

表3 臺后填土高度控制統(tǒng)計(jì)表

另外，由于橋位處縱坡不會很大(目前1.5%)，從起點(diǎn)到橋梁中心400 m的高差為6 m，當(dāng)橋臺處梁體正好緊貼地面時，橋梁中心處墩高僅為5 m左右，因此對于建筑高度較高的T梁橋，視覺上整體緊貼地面，美觀性不如空心板好。從美觀性角度空心板橋占優(yōu)。

4 結(jié) 論

水泥攪拌樁、鋼筋混凝土方樁、換填+堆載預(yù)壓均不適用于本項(xiàng)目。所以在K2+666.96～K3+521.04段采用橋梁方案。在綜合考慮適用性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性以及施工難易程度，16 m空心板橋?yàn)樽顑?yōu)跨徑。

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