深厚軟弱淤泥復(fù)雜地層地基加固方法分析

張航

（中鐵一局集團(tuán)有限公司）

0 引言

在我國(guó)沿海區(qū)域開展鐵路、公路工程建設(shè)，區(qū)域內(nèi)地理環(huán)境復(fù)雜，場(chǎng)地地層主要分布強(qiáng)度較低、含水量高、壓縮性強(qiáng)的淤泥質(zhì)黏土，該土質(zhì)蠕變性、觸變性等特征明顯，而且不均勻、連續(xù)分布差，厚度深而廣泛。以杭州至海寧城際鐵路的鹽官車輛基地大面積、深厚軟淤泥復(fù)雜地層加固為例，該地段地層為海相沉積、湖相沉積和河相沉積，土的類別為淤泥、淤泥質(zhì)砂層和淤泥質(zhì)粘土等軟弱土層，具有高含水量、高壓縮性、高液限、力學(xué)強(qiáng)度低、孔隙率大、靈敏度高、欠固結(jié)等的特點(diǎn)。鹽官車輛基地整個(gè)軟基處理面積達(dá)10萬(wàn)m2（東西長(zhǎng)約1689m，南北寬約20～385m），軟弱土質(zhì)埋深多為1～40m，局部可達(dá)60～70m，層厚多為10～20m，最大可達(dá)30m，其地基加固處理面積大、施工難度大、沉降控制要求高。

通過分析研究該工程地層土質(zhì)情況，擬采用深層水泥攪拌樁+土工格室網(wǎng)+碎石墊層的地基加固方法。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程特點(diǎn)與地勘結(jié)果，還原工況實(shí)際，在實(shí)驗(yàn)室模擬土工格室+水泥攪拌樁加固地基，對(duì)地基整體沉降、孔隙水壓力、地基樁土差異沉降、應(yīng)力比、樁身軸力及土工格室張拉力等進(jìn)行試驗(yàn)分析，為實(shí)際施工提供理論依據(jù)及技術(shù)支持。

1 地基加固效果分析

1.1 加固地基整體沉降分析

1.1.1 地基加固整體沉降隨時(shí)間變化規(guī)律

在試驗(yàn)中通過記錄加固地基上部的加載板邊緣和中部的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制加固地基的中部與邊緣沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律圖形，如圖1、圖2所示。

圖1 邊緣沉降

圖2 中部沉降

由圖中得出：加固地基的邊緣沉降量小于中部的沉降量；在地層中鋪設(shè)有土工格室加筋的加固地基，相比只有樁基加固沒有鋪設(shè)有加筋的地基，監(jiān)測(cè)沉降量隨時(shí)間變化減小，說明加固地基效果好。

1.1.2 樁、土之間的差異沉降隨時(shí)間變化規(guī)律

在試驗(yàn)中分別對(duì)加固地基的邊緣和中部樁的頂部、樁與樁之間設(shè)置的土沉降標(biāo)志的頂部進(jìn)行觀測(cè)，監(jiān)測(cè)兩者沉降量隨時(shí)間的變化規(guī)律，并記錄沉降量數(shù)據(jù)，繪制沉降隨時(shí)間變化圖形，比較樁、土之間沉降量的差別。如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4中得出：邊緣樁土之間沉降量差別小于中部樁土之間沉降量差別；在地層中鋪設(shè)有土工格室加筋的加固地基的樁土差異沉降，相比只有樁基加固沒有鋪設(shè)有加筋的地基，差異沉降量隨時(shí)間變化減小，表明加固地基穩(wěn)定、承載性能有明顯提高，效果好。

圖3 邊緣差異沉降

圖4 中部差異沉降

從以上地基加固整體沉降隨時(shí)間變化規(guī)律、樁、土之間的差異沉降隨時(shí)間變化規(guī)律可以得出：土工格室+水泥攪拌樁加固地基效果優(yōu)于一般單純樁基加固地基效果，使得加固地基穩(wěn)定、承載性能提高。

1.2 加固地基孔隙水壓力分析

在加固地基模型中布置孔隙水壓力計(jì)，監(jiān)測(cè)加固地基孔隙水壓力，記錄數(shù)據(jù)分析加固地基不同深度土體孔隙水壓力隨時(shí)間變化量，對(duì)比分析孔隙水壓力的消散情況及路徑。如圖5～圖11所示。

圖5 1點(diǎn)底部邊緣孔隙水壓力變化量

圖6 3點(diǎn)中部邊緣孔隙水壓力

圖7 第一組孔隙水壓力變化量

圖8 第二組孔隙水壓力變化量

圖9 第三組孔隙水壓力變化量

圖10 第四組孔隙水壓力變化量

圖11 第五組孔隙水壓力變化量

由圖中數(shù)據(jù)分析得出：各組中在加載條件下孔隙水壓力均會(huì)急劇增大；隨加載時(shí)間的推移孔隙水壓力變化量逐漸減少；在地基中鋪設(shè)布置有加筋的各組相比只有樁加固的地基，孔壓消散速率明顯提高。表明在軟弱淤泥地基中鋪設(shè)有土工格室加筋有利于孔隙水排出，加固效果好。

1.3 加固地基土工格室應(yīng)變分析

在加固地基模型中，對(duì)雙向土工格室加筋、三向土工格室加筋、三角形樁體布置下的三向土工格室加筋等粘貼應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)。見圖12～圖14。

圖12 第二組雙向土工格室應(yīng)變

圖13 第三組三向土工格室應(yīng)變

圖14 第五組三向土工格室應(yīng)變

由圖中數(shù)據(jù)分析得出：雙向土工格室各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)诩虞d瞬間急劇增大，隨后隨著加載時(shí)間的增大而逐步減小。在上部荷載作用下三向土工格室應(yīng)變急劇增大，隨后隨著加載時(shí)間的增加而逐步增大，且持續(xù)增大，三向土工格室在承載性能上優(yōu)于雙向土工格室。在相同荷載作用下，三向土工格室的應(yīng)變變化量小于雙向土工格柵，證明三向土工格室在抵抗張拉力性能上的作用優(yōu)于雙向土工格室。相同荷載作用下三角形形式布置下的三向土工格室在抵抗張拉性能方面優(yōu)于正方形形式布置下的三向土工格室。表明在地基加固布置土工格室時(shí)采用三角形形式布置下的三向土工格室，效果更好。

1.4 加固地基土壓力與樁土應(yīng)力分析

在加固地基模型中，在樁頂、樁之間的土中埋設(shè)土壓力盒，觀測(cè)豎向土壓力分布，分析樁土應(yīng)力比，見圖15。對(duì)四組樁頂、樁之間的樁間土進(jìn)行了土壓力隨加載時(shí)間變化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄，然后計(jì)算相應(yīng)樁土應(yīng)力比，計(jì)算公式如下。

圖15 四組樁土應(yīng)力比對(duì)比曲線

式中，

n——樁土應(yīng)力比；

σp——加固地基中樁體上平均豎向應(yīng)力；

σs——樁間土上平均豎向應(yīng)力。

由圖中數(shù)據(jù)分析得出：不鋪設(shè)土工格室時(shí)，樁土應(yīng)力比均隨時(shí)間而增大，導(dǎo)致地基承載力的下降。這是因?yàn)橥凉じ袷夷軐⑸喜亢奢d傳遞至樁樁頂，致使樁土應(yīng)力比上升，從而提升地基的承載性能。三向土工格室提升樁土應(yīng)力比的效果略微大于雙向土工格室的提升效果；三向土工格室+模型樁三角形布置的形式對(duì)樁土應(yīng)力比的提升效果最為顯著。因此地基加固宜采用三向土工格室+水泥攪拌樁三角形布置的形式。

1.5 加固地基不同位置樁身軸力隨時(shí)間變化分析

在加固地基模型第二、三、四、五組中，在中部與邊緣模型樁粘貼應(yīng)變片，觀測(cè)樁身在載荷條件下應(yīng)變隨時(shí)間變化，將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為樁身軸力，分析土工格室+樁基布置形式下樁身軸力的變化規(guī)律，并得到各組軸力隨時(shí)間變化曲線圖。見圖16～圖22。

圖16 第二組邊緣樁樁身軸力

圖17 第二組中部樁樁身軸力

圖18 第三組邊緣樁樁身軸力

圖19 第三組中部樁樁身軸力

圖20 第四組中部樁樁身軸力

圖21 第五組邊緣樁樁身軸力

圖22 第五組中部樁樁身軸力

由圖中數(shù)據(jù)分析得出：第二組、第三組、第四組、第三五組數(shù)據(jù)圖形中，樁身軸力變化為樁的軸力沿樁身呈非線性分布，樁頂、底端分布小，中間段分布大；樁身軸力隨著加載時(shí)間的增加，呈逐步上升趨勢(shì)，在前期增大趨勢(shì)尤為明顯，后趨于穩(wěn)定；三向土工格室布置下的樁軸力相比雙向土工格室布置下的樁軸力，軸力上升趨勢(shì)更快速；三角形布置+三向土工格室布置下的樁相較于正方形布置+三向土工格柵布置的模型樁，軸力隨時(shí)間變化趨勢(shì)相近，說明布置形式對(duì)軸力的傳遞影響不大。建議在地基加固工程中采用三向土工格室+水泥攪拌樁三角形布置的形式，能夠達(dá)到快速卸荷的作用。

2 深厚軟弱淤泥復(fù)雜地層地基加固施工方法

采用三向土工格室+水泥攪拌樁三角形布置的施工方法，工藝流程如下：

水泥攪拌樁施工→鋪設(shè)墊層→鋪設(shè)土工格室→回填組料→路基修筑。

2.1 水泥攪拌樁施工

采用正方形形式施工布置，樁徑0.5m，樁長(zhǎng)4.5～14.5m。選用強(qiáng)度等級(jí)42.5以上的普通硅酸鹽水泥為固化劑；水灰比宜采用0.45～0.55；平整地坪高于樁頭樁頭30～50cm；確保成樁后樁頭質(zhì)量；樁位放樣，確保樁機(jī)準(zhǔn)確就位；攪拌提升嚴(yán)格控制提升速度，噴漿至地面30㎝；每次水泥漿制備泥漿比重必須進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 鋪設(shè)墊層

在雙向水泥攪拌樁處理后的軟弱淤泥地基上層分別鋪設(shè)0.3m厚的中粗砂墊層和0.3m厚的碎石墊層。鋪設(shè)碎石墊層能有效解決實(shí)際施工中墊層翻漿及噴水現(xiàn)象，孔隙水更易排出，減少排水固結(jié)沉降時(shí)間。

2.3 鋪設(shè)土工格室

選擇鋪設(shè)新型路基處理材料——雙曲邊微樁土工格室。在中粗砂墊層鋪設(shè)土工格室增強(qiáng)填料側(cè)向約束，在豎向荷載作用下形成環(huán)箍效應(yīng)，抵消部分豎向荷載，以達(dá)到減小沉降的目的。同時(shí)雙曲邊微樁土工格室具有平面加筋作用，增加土體的抗剪強(qiáng)度，使土體粘聚力的提高。

2.4 回填組料

基床底層及基床以下路堤回填A(yù)BC組料，基床表層回填A(yù)B組料，其中ABC組料與AB組料為不同級(jí)配的土體顆粒。AB料攤鋪松鋪厚度一般為30～35cm，松鋪系數(shù)一般為1.3。

2.5 路基修筑

完成路堤地基加固處理后進(jìn)行沉降觀測(cè)，沉降滿足要求后進(jìn)行路堤路面層修筑。路基中樁、邊樁由兩邊向中部填筑，路基橫斷面寬度每側(cè)超50cm。路基碾壓順序應(yīng)按先兩側(cè)后中間、先靜壓后弱振、再?gòu)?qiáng)振再靜壓收光的操作程序進(jìn)行碾壓。

3 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)土工格室+水泥攪拌樁法在加固地基整體沉降、孔隙水壓力、土工格室應(yīng)變、土壓力與樁土應(yīng)力比、不同位置樁身軸力等方面的試驗(yàn)分析，建議在實(shí)際工程中采用三向土工格室+水泥攪拌樁三角形布置的方法，并且選擇鋪設(shè)新型路基處理材料——雙曲邊微樁土工格室，能更好地實(shí)現(xiàn)深厚軟弱淤泥復(fù)雜地層加固穩(wěn)定、提高承載性能的目的，同時(shí)確保施工質(zhì)量、進(jìn)度和安全，降低了成本，做到了綠色環(huán)保施工，也為同類型地層加固提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。