復合多樁在軟土地基處理中的應用

蘇 鵬

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

高速公路受到路線走向、造價控制以及地質條件等因素限制，局部路基段不可避免地會通過軟土地基，軟土地基具有天然含水率高、孔隙比大、承載能力低、壓縮系數(shù)大等特點，處治不當會產生較大沉降，造成路基路面結構的整體破壞[1]。軟土地基采用單一樁基礎處理時往往不能同時兼顧安全和經濟，因此需要采用多種樁型組合處理軟土地基，制定既安全又經濟的軟土地基處治方案[2]。

1 工程概況

1.1 項目簡介

某高速公路K27+020—K27+540段路基，填方高度12 m，地基地下水位較高，距原地面1 m，且地下水位下存在一層較軟的粉質黏土，厚度10 m，該層粉質黏土層埋深淺、厚度大、含水量大、壓縮性高嚴重影響該路段路基的地基穩(wěn)定性。

1.2 地層巖性

該高速路K27+020—K27+540段，位于嵐水河Ⅰ級階地區(qū)，地勢平坦。地層巖性從上至下為：

a）素填土（Q42ml）褐黃色，主要由粉土、粉質黏土組成，局部夾粉砂，稍濕，稍密，厚度0.5～1.0 m。

b）粉土 黑褐色，可塑，厚度8～9 m，qsi=15 kPa。

c）卵石 灰褐色，稍密，潮濕-飽和，顆粒成份以砂巖為主，混合土充填，一般粒徑0.3～3.0 cm，最大5 cm，局部夾薄層細砂及黏性土，厚度 5～9 m，qp=400 kPa。

1.3 水文條件

擬建公路K27+020—K27+540段，位于嵐水河Ⅰ級階地區(qū)，地勢稍有起伏；勘探揭露的場地地下水類型為潛水。擬建場地地下水主要受河流徑流、大氣降水補給，以地下徑流、蒸發(fā)等方式排泄，勘察期間為豐水期，適逢雨季，受降雨影響較大。

2 處治方案確定

2.1 比選方案

b）根據《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30—2015）表7.7.1-2，高速公路橋臺與路堤相鄰處容許工后沉降≤0.1 m，涵洞、箱涵、通道處容許工后沉降≤0.2 m，一般路段容許工后沉降≤0.3 m，沉降需進行控制[3]。

c）由于該段路基原地基承載能力低，且緊鄰橋臺工后沉降控制嚴格，擬采用以下兩個方案：

（a）方案一 采用直徑500 mm的CFG樁和直徑500 mm的振沖碎石樁正方形布置形成復合多樁地基進行處理，樁長均嵌入卵石層0.5 m。

（b）方案二 采用直徑500 mm的CFG樁和直徑500 mm的高壓旋噴樁正方形布置形成復合多樁地基進行處理，樁長均嵌入卵石層0.5 m。

2.2 承載能力計算

a）通過對第②層粉土進行現(xiàn)場取樣，通過原位試驗測試其物理指標如下：γw=20 kN/m3，γd=16 kN/m3，w=25%，e=0.7，Es=5.2 MPa，ωp=17%，ωl=27%，IP=9.8，Il=0.65，fak=100 kPa。

b）復合地基承載能力計算公式如下[4]：

（a）方案一 具有黏結強度的樁和散體材料樁組合形成的復合地基承載能力計算公式見式（1）～式（3），不同樁間距承載能力計算結果見表1。

表1 CFG+碎石樁不同樁間距承載能力計算表

式中：m1、m2分別為樁 1、樁 2 的面積置換率；λ1、λ2分別為樁1、樁2的單樁承載能力發(fā)揮系數(shù)；Ra1、Ra2分別為樁1、樁2的單樁承載能力特征值，kN；Ap1、Ap2分別為樁1、樁2的截面積，m2；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；fak為原地基樁間土承載力特征值；fsk為處理后地基樁間土承載力特征值；fspk為多樁型復合地基承載能力特征值；n為復合地基樁土應力比。

由計算結果可知，采用CFG+碎石樁組合形成復合地基時，樁間距s=1.65 m，復合地基承載能力fspk=232.2＞226.1 kPa，承載能力即可滿足設計要求。

（b）方案二 具有黏結強度的兩種樁組合形成的復合地基承載能力計算公式見式（4）～式（6），不同樁間距承載能力計算結果見表2。

表2 CFG+旋噴樁不同樁間距承載能力計算表

式中符號意義同上。

由計算結果可知，采用CFG+旋噴樁組合形成復合地基時，樁間距s=2.25 m，復合地基承載能力fspk=232.3＞226.1 kPa，承載能力即可滿足設計要求。

2.3 工后沉降計算

工后沉降采用e-p曲線法，計算公式見式（7）～式（9），工后沉降變形計算結果見表3。

表3 工后沉降變形計算表

式中：s為最終沉降量，m；n為土的分層；hi為土的分層厚度，m；Δpi為應力增量，kPa；fak為原地基樁間土承載力特征值；fspk為多樁型復合地基承載能力特征值；Es為原地基壓縮模量，MPa；Esp為多樁型復合地基壓縮模量，MPa。

由沉降計算可知：

a）采用CFG+碎石樁組合形成復合地基時，樁間距 s=1.65 m時，復合地基承載能力fspk=232.2 kPa＞226.1 kPa滿足設計要求，沉降0.20 m＞sf=0.15 m＞0.10 m，滿足一般路段和通道涵洞處容許工后沉降設計要求，不滿足橋臺與路堤相鄰處容許工后沉降。當樁間距s=1.25 m時，復合地基承載能力fspk=330.0 kPa＞226.1 kPa滿足設計要求，沉降sf=0.10 m≤0.10 m，滿足全部路段容許工后沉降設計要求。

b）采用CFG+旋噴樁組合形成復合地基時，樁間距 s=2.25 m時，復合地基承載能力fspk=232.3 kPa＞226.1 kPa滿足設計要求，沉降0.20 m＞sf=0.15 m＞0.10 m，滿足一般路段和通道涵洞處容許工后沉降設計要求，不滿足橋臺與路堤相鄰處容許工后沉降。當樁間距s=1.5 m時，復合地基承載能力fspk=397.8 kPa＞226.1 kPa滿足設計要求，沉降sf=0.09 m≤0.10 m，滿足全部路段容許工后沉降設計要求。

3 經濟效益分析

采用CFG+碎石樁組合形成復合地基時，分別對樁間距s=1.65 m和s=1.25 m進行經濟效益分析，采用CFG+旋噴樁組合形成復合地基時，分別對樁間距s=2.25 m和s=1.5 m進行經濟效益分析，通過對兩種樁型組合進行經濟效益分析，確定最經濟方案。經濟效益分析對比表見表4。

表4 經濟效益分析對比表

采用CFG+碎石樁組合形成復合地基時，總預算為2324.1+578.5=2902.6萬元；采用CFG+旋噴樁組合形成復合地基時，總預算為1847.6+593.9=2441.5萬元。采用CFG+旋噴樁組合形成復合地基時比采用CFG+碎石樁組合形成復合地基節(jié)省造價461.1萬元，節(jié)省比例18.9%.最終采用CFG+旋噴樁組合。

4 結語

a）對于高速公路軟土地基處理時，不僅要滿足地基承載能力的要求，而且要滿足工后沉降變形的要求。在滿足承載能力和工后沉降變形要求的前提下，高速公路軟土地基處理要結合現(xiàn)場地質情況，進行技術和經濟的多方案比選，最終確定最優(yōu)方案。

b）對于填土高度為12 m的高速公路路堤，在滿足地基承載能力和工后容許沉降的情況下，采用CFG樁和高壓旋噴樁形成復合多樁地基比采用CFG樁+振沖碎石樁更加經濟合理。