深層淤泥質軟土地基加固技術研究

摘要：為研究加固技術對深層淤泥質軟土地基的處治效果，文章針對研究斷面地質情況與土層力學參數，提出軟基處理方案及設計參數，并采用分層綜合法與有效固結應力法計算軟土地基工后沉降與路基穩(wěn)定性安全系數。結果表明：研究斷面經塑料排水板及管樁處理后，工后沉降與路基穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范要求；針對不同路段軟土分布特點與土層性質，合理選用軟基處理方案，能達到良好的軟基加固效果與經濟效果。

關鍵詞：深層軟土地基；淤泥質軟土；排水固結；堆載預壓；預應力混凝土管樁

中圖分類號：U416.212 A 08 022 3

0 引言

隨著我國高速公路建設的大規(guī)模開展，施工過程中遇到的軟土地基問題愈發(fā)突出，如何針對力學性質差異大、空間分布不均勻的軟土地基進行相應處理，保證公路工程整體穩(wěn)定性與行車安全性，已成為公路建設行業(yè)的重要議題［1］。

我國內地湖泊與沿海地區(qū)廣泛分布著需要人工處理的特殊土地基與軟弱地基，軟弱地基主要由淤泥、淤泥質土、雜填土、沖填土等高壓縮性土層組成，土體具有孔隙比大、天然含水率高、壓縮性大、抗剪強度較差等特性，在軟基上修筑公路通常存在上部結構發(fā)生位移、工后沉降較大及不均勻沉降的工程問題［2］。目前常用的公路地基處理方法有置換法、排水固結法、復合地基法、擠密法等，具體處理方式包括淺層換填、豎向排水體堆載預壓、水泥攪拌樁、預應力混凝土管樁、水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）等。不同軟基處理方式的處理深度、加固效果、經濟性差異較大，因此根據不同土層深度、處理路段等因素，選用合理可行的軟基處理方式，具有重要的理論與現實意義［3］。

為研究加固技術對深層淤泥質軟土地基的處治效果，本文依托實際高速公路工程，通過綜合對比分析不同軟基處理方案的適用范圍，并采用分層綜合法與有效固結應力法計算研究斷面工后沉降與路基穩(wěn)定性安全系數，以評價其加固效果。

1 工程概況

我國東南沿海地區(qū)實際高速公路工程場地范圍地表均被第四系土層覆蓋，未見基巖露頭，其主要土層包括：雜填土（地層編號1-1），灰黃色，由砂與黏性土組成，厚度為0.8～ 1.3 m；粉質黏土（地層編號3），軟塑、可塑，厚度為1.1～ 5.4 m；淤泥質粉質黏土（地層編號2-0），海相流塑、軟塑狀，具有含水率高、密度低、孔隙比大、壓縮性大、強度低、透水性差等特點，厚度為5～ 25 m。研究斷面土層物理力學性質指標如表1所示。

研究斷面土層在較低應力水平時壓縮性較小，在高應力水平時土體結構性破壞，壓縮性較大，兩種應力水平下壓縮性可相差4～5倍，且土體結構性破壞后難以恢復，進而加大土體壓縮變形量，應力-應變關系具有一定的剪脹性。

2 軟土地基處理方案

2.1 方案比選

研究斷面填土高度為4.3～ 5.0 m，軟土層厚16.5～ 18.3 m，軟土埋深為3.6～ 22.1 m，淺層處理方案難以滿足要求，可采用豎向排水體+堆載預壓、水泥攪拌樁、CFG樁、預應力混凝土管樁等處理方案。

2.1.1 豎向排水體+堆載預壓

豎向排水體包括袋裝砂井、塑料排水板等，處理深度一般 ≤20 m，通過提供軟土層排水通道及堆載預壓的方式，加速施工階段軟土層的固結沉降，從而達到降低工后沉降的效果。排水固結法工程造價相對較低，軟基加固效果良好，工后沉降較小，但存在預壓期地基沉降較大、預壓周期較長等問題，對于工期緊迫、路段周圍存在控制性結構物等情況不推薦使用。

2.1.2 水泥攪拌樁

水泥攪拌樁適用于有機質含量≤10%的軟土地基，根據軟土含水率可分為漿噴法與粉噴法，工程造價相對較低，施工速度較快，成樁后軟土加固效果良好。水泥攪拌樁樁長較長時，質量難以控制，易出現不成樁、樁體不完整等情況，且對于存在橋臺、涵底等構造物的路段，其加固效果難以滿足相應的地基承載力要求，推薦一般路段使用［4］。

2.1.3 CFG樁

CFG樁一般采用現澆施工，施工質量易控制，軟基加固效果優(yōu)于水泥攪拌樁，但施工工藝較為復雜，且單樁造價較高，在軟土抗剪強度較低時，成樁質量劣于預應力管樁，不推薦使用［5］。

2.1.4 預應力混凝土預制管樁

預應力混凝土預制管樁采用預制成樁，樁身強度高、施工工藝簡單、施工質量易控制，可用于深層軟基處理（20～ 50 m），有效降低工后沉降與不均勻沉降，處理后地基承載力高，適用于存在橋臺、涵底等構造物的路段，工程造價相對較高，推薦使用。

2.2 軟土路基處理方案

2.2.1 一般路段

一般路段在工期充足且軟土層埋深 ≤20 m的情況下，采用塑料排水板堆載預壓的處理方式。塑料排水板間距為 1.3 m，采用等邊三角形進行布樁，處理深度應穿透軟土層 1 m以上，等載預壓高度為 1.2 m，預壓期12個月。

2.2.2 橋臺、涵洞段

橋臺段采用預應力混凝土預制管樁。樁徑為 300 mm，壁厚為 70 mm，管樁間距為 2.4 m，采用正方形進行布樁，處理深度應穿透軟土層 0.5 m以上，終壓標準應根據現場試樁結果確定。

3 深層軟土路基處理加固效果分析

3.1 軟土路基控制標準

根據《公路軟土地基路堤設計與施工技術規(guī)范》（JTG/T D31-02-2013），高速公路一般路段工后沉降 應＜30 cm，橋臺與路堤相鄰處工后沉降應 ＜10 cm，路基穩(wěn)定性采用有效固結應力法時不考慮固結時安全系數應＞1.1，考慮固結時安全系數應＞1.2。

3.2 計算方法

沉降計算采用分層綜合法，即S ∞=m s·S c，沉降經驗系數m s根據現場沉降觀測資料確定取值為1.463，主固結沉降S c采用壓縮模量法進行計算，基底壓力按多層土實際容重計算。路基穩(wěn)定性計算采用圓弧滑動法中的有效固結應力法。圖1為K18+370斷面塑料排水板處理的填土高度-時間-沉降曲線，圖2為K18+370斷面塑料排水板處理路基穩(wěn)定性計算簡圖；圖3為K30+140斷面管樁處理的填土高度-時間-沉降曲線，下頁圖4為K30+140斷面管樁處理路基穩(wěn)定性計算簡圖。

3.3 計算結果

根據沉降分層綜合法與有效固結應力法，驗算研究斷面不同處理方案下的工后沉降與路基穩(wěn)定安全系數，計算結果如表2所示。

由表2可知：

（1）K18+370斷面與K30+140斷面在天然地基上填筑路基時，將產生較大工后沉降，且穩(wěn)定性安全系數F無法滿足規(guī)范要求，存在失穩(wěn)風險，嚴重影響行車安全與工程質量。

（2）塑料排水板堆載預壓處理能明顯降低K18+370斷面與K30+140斷面的工后沉降，在堆載預壓期即可完成大部分固結沉降，固結度＞90%，同時可在一定程度上提高路基的整體穩(wěn)定性。

（3）管樁處理能明顯降低K18+370斷面與K30+140斷面的地基總沉降，從而降低工后沉降，顯著提高路基整體穩(wěn)定性，且地基加固效果明顯優(yōu)于采用塑料排水板的處理方式。

（4）K18+370斷面經塑料排水板處理與管樁處理后，工后沉降與路基穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范要求，考慮到K18+370周圍無控制性構造物，因此推薦K18+370斷面采用塑料排水板堆載預壓的處理方式。

（5）K30+140斷面經塑料排水板處理后，路基穩(wěn)定性可滿足規(guī)范要求，但工后沉降＞ 0.10 m，無法滿足橋臺路段工后沉降要求，且橋臺樁基需待路基段軟基處理完成后施工，若采用塑料排水板處理方案，對工程整體工期影響較大，因此推薦K30+140斷面采用管樁處理方案。

4 結語

本文根據研究斷面地質情況與土層力學參數，通過綜合對比分析不同軟基處理方案的加固效果、經濟性與適用范圍，提出軟基處理方案及設計參數，并通過分層綜合法與有效固結應力法計算工后沉降與路基穩(wěn)定性安全系數，得出以下結論：

（1）采用塑料排水板堆載預壓處理方案，能顯著降低工后沉降，并在一定程度上提高路基穩(wěn)定性，地基沉降固結基本在堆載預壓期內完成，預壓期地基將產生較大沉降，對周邊構造物存在一定影響，可應用于一般路段深層軟基處理。

（2）預應力混凝土管樁處理方案的地基加固效果明顯優(yōu)于塑料排水板處理方案，可降低路基總沉降與工后沉降，顯著提高路基穩(wěn)定性，可應用于橋臺、涵洞段深層軟基處理。

（3）針對不同路段軟土分布特點與土層性質，合理選用軟基處理方案，能達到良好的軟基加固效果與經濟效果。

參考文獻

［1］李 波，程文亮，項存平，等.大面積堆載預壓處理深厚軟基工后沉降預測研究［J］.巖土工程學報，2021，43（S2）：162-165.

［2］張偉鋒，陳盛原，韋 未.堆載作用下復合軟土地基的沉降規(guī)律研究［J］.應用基礎與工程科學學報，2021，29（3）：729-740.

［3］周 楊，陳永輝，孔綱強，等.路堤荷載下淺層就地固化聯合管樁復合地基樁-土應力比及沉降計算［J］.巖土力學，2022（3）：1-9.

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［5］曹金春，孟令峰，張本科.CFG樁處理軟土地基方案設計及參數優(yōu)化研究［J］.土工基礎，2021，35（5）：544-548.

收稿日期：2022-11-21