樁網(wǎng)復(fù)合地基處理城市道路深層軟土路基

張宏云 ZHANG Hong-yun

（昆明市政工程設(shè)計研究院（集團）有限公司，昆明 650228）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，國家的道路建設(shè)得到迅速發(fā)展，道路建設(shè)越來越多的遇到深層軟土路基。軟土是軟弱粘性土的簡稱，主要是海相、河相、湖相的沉積物，基本處于飽和狀態(tài)，含水量大于液限。軟土的特點是：含水量高、孔隙比大、抗剪強度低、壓縮性高、滲透系數(shù)小，具有靈敏性和觸變性，物理力學(xué)性質(zhì)變化大。

軟土的抗剪強度低，填土后受壓，可能產(chǎn)生地基剪切破壞或較大的沉降，從而導(dǎo)致路基的破壞。因此，需要對軟土路基進行適當(dāng)?shù)奶幚?，以增加其穩(wěn)定性、減小沉降。軟土路基的處理主要有兩類：加速固結(jié)沉降或減小沉降量的沉降處理類；提高路基穩(wěn)定性的穩(wěn)定處理類[1]。軟土路基處理方法的選擇是關(guān)乎整個工程的質(zhì)量、進度和投資的重要一點，快速、有效、經(jīng)濟的軟土路基處理方法能夠使工程獲得良好的社會、經(jīng)濟效益。

目前我國常見的軟土路基處理方法有：堆載預(yù)壓法、排水固結(jié)法、真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法、粉噴樁和水泥攪拌樁加固法、CFG樁加固法等。

1 軟土路基處理現(xiàn)狀

我國針對在軟弱地基上修建道路開展了大量的研究工作，形成了多種各種軟基處理的工法和技術(shù)，如：堆載預(yù)壓法、排水固結(jié)法、真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法、粉噴樁和水泥攪拌樁加固法、CFG樁加固法等，這些方法在提高道路路基穩(wěn)定性及控制道路工后沉降變形方面取得了較好的成果，但仍存在以下一些問題[2]：

1.1 差異沉降控制困難

道路是一種線形空間體，不可避免的出現(xiàn)地形及地質(zhì)條件多樣性，因此對于一條道路而言，不同段落的路基會根據(jù)工程實際采用不同的處理方法，這就導(dǎo)致不同處理方法必然會產(chǎn)生不一致處理效果，針對沉降控制而言，將會出現(xiàn)不同段落處的差異沉降，例如軟土地基路段的橋臺處產(chǎn)生的“橋頭跳車”這一典型問題，就是由于橋梁樁基的沉降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于道路沉降導(dǎo)致的。

1.2 投資大

目前，對于道路軟土路基處理采用的豎向增強復(fù)合地基法而言，其設(shè)計理念是由樁與土共同承擔(dān)上部荷載，由于軟土的承載力較低、壓縮性較高，因此，采用復(fù)合地基處理軟土路基時，不可避免的需要提高單樁承載力、樁間距來滿足設(shè)計要求，由于樁的造價較高，這樣就會導(dǎo)致工程投資增大，根據(jù)統(tǒng)計，對于道路工程，復(fù)合地基處理軟土路基的費用在單位里程的投資占總投資的30%-40%。

1.3 工期長

采用堆載預(yù)壓等加速排水固結(jié)的方式時，可以加速地基沉降，較好的控制道路工后沉降，但是通常需要較長的堆載預(yù)壓的時間，對于工期較緊張的項目，該法往往受到較大的制約。

2 樁網(wǎng)復(fù)合地基

復(fù)合地基有兩種形式：采用加筋材料作為增強體的水平向增強體復(fù)合地基；采用各類型的樁作為增強體的豎直向增強體復(fù)合地基，樁網(wǎng)復(fù)合地基是將水平向增強體復(fù)合地基與豎直向增強體復(fù)合地基結(jié)合的一種復(fù)合地基形式，樁網(wǎng)復(fù)合地由剛性樁、樁帽、加筋層和墊層構(gòu)成。網(wǎng)（即加筋層）與土之間形成的加筋土存在存在“張力膜”效應(yīng)，這種由界面摩阻力（咬合力+摩擦力+粘著力）來實現(xiàn)共同作用使得網(wǎng)處于受拉狀體，能夠減少上部土體傳來的荷載，提高整個體系的承載力，減少沉降及差異沉降[3]。同時樁和土共同承擔(dān)上部荷載，大大提高了整個體系的承載能力并能減小工后沉降。（圖1）

圖1 樁網(wǎng)復(fù)合地基示意圖

樁網(wǎng)復(fù)合地基樁型可采用預(yù)制樁、就地灌注素混凝土樁、套管灌注樁等。剛性樁樁頂應(yīng)設(shè)樁帽，形狀可采用圓柱體、臺體或倒錐臺體。樁帽直徑或邊長宜為1.0~1.5m，厚度宜為0.3~0.4m，宜采用水泥混凝土現(xiàn)場澆筑而成。樁帽頂上應(yīng)鋪設(shè)具有一定厚度、強度、剛度、完整連續(xù)的柔性土工合成材料加筋墊層。

在樁網(wǎng)復(fù)合地基中，由于其上部荷載是通過土拱將樁帽以上的荷載轉(zhuǎn)移至樁帽上，為此必須保證土拱的形成，而土拱的形成需要有一定的填土高度，為確保土拱的形成，充分發(fā)揮土拱效應(yīng)，避免樁（帽）土頂面的差異沉降反射到路面而出現(xiàn)蘑菇狀高低起伏的現(xiàn)象，要求剛性樁處理路段的路堤高度宜大于1.4（S-b）（其中S為樁間距；b為樁帽的寬度，按一般填料計算，通常計算后最小路堤高度在2m以上才能確保土工形成）。鑒于土拱形成高度與填料內(nèi)摩擦角關(guān)系密切，必須嚴(yán)格控制填料質(zhì)量。

3 實例分析

3.1 工程地質(zhì)概況

云南某城市新建道路，道路全長0.8km，紅線寬度24m，位于湖湘沉積地帶，道路工程地地質(zhì)情況如下：

根據(jù)鉆孔所揭露地層分析，場地表層為耕土及近期回填素填土，其下主要為第四系全新統(tǒng)沖湖積成因的粘性土、泥炭黏土，淤泥質(zhì)黏土及粉細(xì)砂層，在ZK21附近揭露基巖（砂巖）。根據(jù)地層的成因、物理力學(xué)性質(zhì)等分為6個大層及相應(yīng)的亞層，現(xiàn)自上而下分述如下：

①素填土：灰黃、褐黃、紫紅、褐紅色，干～濕。由圓礫及粉質(zhì)粘土組成。為近期回填分布北斗路及規(guī)劃路附近。層厚：0.50～4.00m。

①1層，耕土：灰褐、褐紅色，干～濕，結(jié)構(gòu)松散。由黏土及粉質(zhì)黏土組成，軟塑，其中夾大量的植物殘體。分布紅山路節(jié)點橋及規(guī)劃路附近，層厚：0.40～0.60m。

②層，粘土：褐灰色、褐黃、褐紅，濕，軟至可塑狀態(tài)。切面光滑、稍有光澤，韌性中等，干強度中等，具高壓縮性，偶夾植物殘體。分布在場地上部，以層狀形式產(chǎn)出，整塊場地均有分布，層厚0.70～3.00m。

③層，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：紅褐、褐灰色，濕，軟塑狀態(tài)。切面光滑、稍有光澤，韌性一般，干強度高，具高壓縮性。局部夾植物殘體及螺螄殼碎屑。該土層分布在場地中上部，以層狀形式產(chǎn)出，整塊場地均有分布，層厚：4.50～7.70m。

③1層，泥炭質(zhì)黏土：黑灰、褐灰色，濕，軟至流塑狀態(tài)，具高壓縮性。含有機質(zhì)25%，可見大量完全分解和未完全分解的植物殘體。以夾層狀、透鏡體形式在③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土產(chǎn)出，最大層厚：1.50m。

④1層，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：藍(lán)灰、褐灰色，濕，軟塑狀態(tài)。切面光滑、稍有光澤，韌性一般，干強度高，具高壓縮性。偶夾螺螄殼碎屑。該土層分布在場地中下部，以層狀形式產(chǎn)出，整塊場地均有分布，層厚：3.50～12.30m。

④層，粉細(xì)砂：褐灰、灰色，飽和狀態(tài)，結(jié)構(gòu)稍至中密。偶含少許礫石顆粒。該層分布在場地下部，本次勘察未揭底。

⑤層，粉質(zhì)粘土：藍(lán)灰、褐灰色，濕，可塑狀態(tài)。切面稍粗糙、稍有光澤，韌性中等，干強度中等，具中壓縮性。分布于紅山路節(jié)點橋場地下部，本次勘察未揭底。

⑤1層，粉細(xì)砂：灰色，飽和狀態(tài)，結(jié)構(gòu)稍至中密，偶含少許礫石顆粒。該層在⑤層粉質(zhì)粘土以夾層狀產(chǎn)出，層厚：0.60～2.30m。

根據(jù)地質(zhì)勘查資料揭示，道路下伏深層軟土，層厚可達10m以上，需對其進行處理。

表1 各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)及承載力特征值建議表

3.2 樁網(wǎng)復(fù)合地基處理

本項目樁網(wǎng)復(fù)合地基中，剛性樁采用素混凝土樁，正四邊形布置。樁身材料選用C20混凝土，樁徑40cm，樁間距2.5m。樁頂設(shè)置正方形樁帽，樁帽采用C25鋼筋砼，樁帽邊長1.2m。樁頂水平加筋體采用80*80kN土工格柵，褥墊層采用30cm碎石墊層。

3.2.1 承載力計算

對于本項目樁體可以穿透軟土層到達較好的持力層粉細(xì)砂層，屬于端承樁，樁的豎向抗壓承載力特征值：

Ra：單樁豎向抗壓承載力特征值（kN）；

A：單樁承擔(dān)的地基處理面積（m2）；

Pk：相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時，作用在地基上的平均壓力值（kPa）。

fspk：復(fù)合地基承載力特征值（kPa）；

fsk：樁間土地基承載力特征值（kPa）；

βp：樁體豎向抗壓承載力修正系數(shù)，可取1.0；

βs：樁間土地基承載力修正系數(shù)，端承樁可取0.1-0.4；

m：復(fù)合地基置換率。

3.2.2 土拱高度

h：土拱高度（m）；

s：樁間距（m）；

a：樁帽邊長（m）；

φ：填土的摩擦角（°），粘性土取綜合摩擦角；（填料按土夾石考慮，內(nèi)摩擦角30°）

根據(jù)計算本項目最小土拱高度1.592m。

3.2.3沉降計算

樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降量由加固區(qū)復(fù)合土層壓縮變形量S1（mm），加固區(qū)下臥層壓縮變形量S2（mm）以及樁帽以上墊層和土層的壓縮變形量S3（mm）組成：

本項目采用剛性樁，加固區(qū)復(fù)合土層壓縮變形量S1可忽略不計，加固區(qū)下臥層壓縮變形量S2按下式計算：

ΔPi：第層土的平均附加應(yīng)力增量（kPa）；

Esi：基礎(chǔ)底面下第層土的壓縮模量（kPa）；

li：第i層土的厚度（mm）。

φs2：復(fù)合地基加固區(qū)下臥土層壓縮變形量計算經(jīng)驗系數(shù)（m）。

加固區(qū)下臥層壓縮變形量S2（mm）計算中，作用在復(fù)合地基加固區(qū)下臥層頂部的附加壓力對于剛性樁采用等效實體法進行計算

pz：軟弱下臥層頂面處的附加壓力值（kPa）；

L：基礎(chǔ)底邊的長度（m）；

B：基礎(chǔ)底邊的寬度（m）；

h：復(fù)合地基加固區(qū)深度（m）；

a0：基礎(chǔ)長度方向樁的外包尺寸；

b0：基礎(chǔ)寬度方向樁的外包尺寸；

p0：復(fù)合地基加固區(qū)頂部的附加壓力（kPa）；

f：復(fù)合地基加固區(qū)樁側(cè)摩阻力（kPa）。

處理松散填土層、欠固結(jié)土層、自重濕陷性土等有明顯工后沉降的地基時，樁帽以上的墊層和土層的壓縮變形量s3，可按下式計算：

Δ：加筋體的下垂高度，可取樁間距的1/10，最大不宜超過0.2m。

表2為特征斷面的沉降計算結(jié)果。

表2 樁網(wǎng)復(fù)合地基處理后特征斷面的沉降計算

3.2.4 經(jīng)濟分析

采用樁網(wǎng)復(fù)合地基，本項目工程量如下：①C20素混凝土樁：62145m；②樁帽C25砼：6905個；③鋼塑格柵（50×50kN）：29178m2；④墊層30cm碎石：6819m3；工程地基處理造價估算990萬元。

3.3 CFG樁復(fù)合地基處理

3.3.1 承載力計算

對于CFG樁復(fù)合地基，根據(jù)地質(zhì)勘查資料，根據(jù)規(guī)范采用下述公式對單樁承載力進行預(yù)估。

Ra：單樁豎向抗壓承載力特征值（kN）；

AP：單樁截面積（m2）；

up：樁的截面周長（m）；

n：樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；

qsi：第層土的樁側(cè)摩阻力特征值（kPa）；

qp：樁端土地基承載力特征值（kPa）；

α：樁端土地基承載力折減系數(shù)，可取1.0。

fspk：復(fù)合地基承載力特征值（kPa）；

fsk：樁間土地基承載力特征值（kPa）；

βp：樁體豎向抗壓承載力修正系數(shù)，可取1.0；

βs：樁間土地基承載力修正系數(shù)，端承樁可取0.1-0.4；

m：復(fù)合地基置換率。

復(fù)合地基承載力特征值按照式3.2.2計算。

本項目取樁徑0.5m，樁間距1.8m，正三角形布置，置換率為0.07。

按照不同的土層分布選取有典型意義的斷面對其進行了計算。利用上述公式對CFG樁單樁極限承載力和復(fù)合地基極限承載力進行了計算。

3.3.2 沉降計算

剛性樁復(fù)合地基沉降量由加固區(qū)復(fù)合土層壓縮變形量S1（mm），加固區(qū)下臥層壓縮變形量S2（mm）組成：

加固區(qū)復(fù)合土層壓縮變形量S1按下式計算：

φp：剛性樁樁體壓縮經(jīng)驗系數(shù)，一般可取1/2—1/3；

Q：剛性樁樁頂附加荷載（kN）；

l：剛性樁樁長（m）；

Ep：樁體壓縮模量（kPa）。

加固區(qū)下臥層壓縮變形量S2按式3.2.5計算。

表3為特征斷面的沉降計算結(jié)果。

表3 CFG樁復(fù)合地基處理后特征斷面的沉降計算

3.3.3 經(jīng)濟分析

采用CFG樁復(fù)合地基，本項目工程量如下：①CFG樁長：90297m；②褥墊層30cm厚：6819m3；③鋼塑格柵（50×50kN）：29178m2；工程地基處理造價估算1078萬元。

4 結(jié)論

通過以上兩種處理方案的分析可以看出，樁網(wǎng)復(fù)合地基和CFG裝復(fù)合地基在處理深層道路軟土地基時，樁網(wǎng)復(fù)合地基在樁體數(shù)量及樁徑較CFG樁復(fù)合地基為小的情況下，在控制道路沉降及造價方面，較CFG樁復(fù)合地基處理效果好。因此，樁網(wǎng)復(fù)合地基在處理深層軟土路基方面，在工程效果及工程造價方面均有優(yōu)勢，在今后的工程中，有較好的應(yīng)用前景。