道路浸水軟土地基處治技術(shù)研究

基金項(xiàng)目：

2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“帶瀝青夾層的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的減振效應(yīng)及動(dòng)力響應(yīng)研究”（編號(hào)：2022KY1123）

作者簡(jiǎn)介：

蒙 藝（1985—），碩士，高級(jí)工程師，研究方向：道路與橋梁工程。

摘要：文章以南寧市良慶區(qū)華安路的浸水軟土地基為例，從技術(shù)適應(yīng)性及經(jīng)濟(jì)合理性等方面對(duì)比了碎石樁、高壓旋噴樁、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁及拋石擠淤四個(gè)方案，并結(jié)合工程的實(shí)際情況選擇碎石樁方案作為推薦方案。在項(xiàng)目完工后對(duì)碎石樁處治后的復(fù)合地基進(jìn)行靜載承載力檢測(cè)，結(jié)果表明檢測(cè)質(zhì)量符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，驗(yàn)證了碎石樁技術(shù)的可靠性。

關(guān)鍵詞：碎石樁；軟土地基；復(fù)合地基；承載力；荷載試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 07 019 4

0 引言

道路工程的穩(wěn)定性和耐久性在很大程度上取決于其地基的承載能力。浸水軟土地基由于其高含水量、低承載力以及易變形的特性，一直是道路工程設(shè)計(jì)和施工中的難題。傳統(tǒng)的地基處理方法往往存在成本高、施工難度大、環(huán)境影響嚴(yán)重等問題。因此，探索一種經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的地基處理技術(shù)對(duì)于提升道路工程質(zhì)量、延長(zhǎng)使用壽命、降低維護(hù)成本具有重要意義。盡管已有研究對(duì)碎石樁技術(shù)進(jìn)行了一定的探討，如易劍輝等［1］探討了振動(dòng)沉管碎石樁在復(fù)合地基處理中的應(yīng)用，指出該技術(shù)能有效提高地基承載力和減少沉降。宗敬云［2］分析了碎石樁技術(shù)在公路工程軟基加固中的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)了其在提高地基承載力和加速固結(jié)過程中的作用。陳金鵬［3］對(duì)軟基加固施工技術(shù)在市政道路施工中的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，提出碎石樁技術(shù)相比于傳統(tǒng)方法具有更好的性價(jià)比。萬(wàn)強(qiáng)［4］的研究強(qiáng)調(diào)了碎石樁技術(shù)在市政道路工程中的應(yīng)用價(jià)值，尤其是在軟土地基加固中的實(shí)用性。但目前關(guān)于碎石樁技術(shù)在特定不良地質(zhì)條件下的系統(tǒng)性研究仍然不足，特別是在浸水軟土地基的處理上，如何結(jié)合水文地質(zhì)特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，仍是當(dāng)前研究的一個(gè)空白。本文將基于土力學(xué)、地基與基礎(chǔ)工程的理論基礎(chǔ)，依托南寧市華安路的浸水軟土地基的實(shí)際工程案例，對(duì)碎石樁技術(shù)的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行詳細(xì)分析。通過對(duì)比分析碎石樁與其他地基處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出碎石樁技術(shù)在浸水軟土地基處理中的最佳應(yīng)用方案，并通過對(duì)碎石樁實(shí)施后的復(fù)合地基承載力進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證碎石樁技術(shù)的可靠性，研究成果可為類似地質(zhì)條件下的道路工程提供借鑒與指導(dǎo)。

1 工程概況

本研究以南寧市華安路為例。華安路位于南寧市良慶區(qū)西南部，道路等級(jí)為城市次干路，采用整體式斷面形式，地基寬度為36 m。道路沿線為丘陵地貌，地形起伏較大。該道路于樁號(hào)K3+720～K3+875及K3+995～K4+085段范圍為水塘區(qū)域。水塘一面積約12 552 m2，平均水深約1.8 m；水塘二面積約9 753 m2，平均水深約1.5 m。水塘水抽排干后塘內(nèi)土質(zhì)仍呈現(xiàn)軟塑半流動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)項(xiàng)目地質(zhì)勘察報(bào)告，水塘內(nèi)自上而下土層特征簡(jiǎn)述如下：

（1）沖填土：黃、灰黃色，流塑狀態(tài)，各向異性，由場(chǎng)地內(nèi)砂場(chǎng)洗砂的廢水沖積沉積形成。主要成分為黏性土，沖填時(shí)間約1～2年，未完成自重固結(jié)，屬于欠固結(jié)土，具高壓縮性。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)實(shí)測(cè)錘擊數(shù)平均值為1.1擊，厚約3.5～14.0 m。承載力低，不經(jīng)處理不得作為路基持力層。

（2）黏土：黃、棕黃色，局部夾灰白色，呈硬塑狀態(tài)，局部可塑狀，屬潮濕類型土，壓縮系數(shù)平均值為0.21 MPa-1，具中等壓縮性。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)實(shí)測(cè)錘擊數(shù)平均值為10.7擊，埋深約3.5～24.3 m。承載力高，可作為路基和雨污水管持力層。

2 浸水軟土地基處治技術(shù)方案對(duì)比

華安路在水塘區(qū)域路段的設(shè)計(jì)路面下有沖填土等軟弱土，其承載力低，未經(jīng)處治不得作為地基持力層?？紤]到兩個(gè)水塘面積較大，且軟弱土層厚約3.5～14.0 m，若采用對(duì)塘內(nèi)沖填土進(jìn)行整體清淤后換填好土的處治方案，需挖棄約150 000 m3軟弱土，不僅造價(jià)高，工期長(zhǎng)，且大量棄土的出現(xiàn)會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)造成不利影響。因此，考慮對(duì)水塘區(qū)域的路段地基進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)處治。在研究類似項(xiàng)目文獻(xiàn)及地基處治規(guī)范的基礎(chǔ)上，提出碎石樁、高壓旋噴樁、混凝土預(yù)制管樁、拋石擠淤四種技術(shù)可行的地基處治方案。方案比選分析結(jié)果見下頁(yè)表1。

四種方案經(jīng)表1比較得知，碎石樁為散體材料樁，樁體與周邊土體構(gòu)成了碎石復(fù)合地基，該地基具有排水固結(jié)、振實(shí)壓密和置換增強(qiáng)的作用，更適用于處治高含水量的軟土地基，可以較好地提高地基承載力，降低地基塑性變形。此外，樁體材料不需水泥、鋼材，造價(jià)相對(duì)低。因此，從技術(shù)適用、安全可靠、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等各方面綜合比選，本工程水塘區(qū)域內(nèi)軟土地基最終選擇方案一（碎石樁）予以處治。

3 碎石樁方案設(shè)計(jì)及施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 具體布樁設(shè)計(jì)方案

根據(jù)場(chǎng)地條件，主要對(duì)塘內(nèi)軟土（主要為沖填土）進(jìn)行加固處治，布樁方式采用梅花型布樁，設(shè)計(jì)碎石樁平均碎徑為50 cm。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）［5］：

fspk =m fpk+（1-m） fsk

（1）

式中：fspk——地基經(jīng)加固后復(fù)合地基承載力特征值（kPa）；

fpk ——碎石樁體承載力特征值（kPa）；

fsk ——樁間土承載力特征值（kPa）；

m——面積置換率，m=Ap/ Ae（kPa）；

Ap——樁截面面積（m2）；

Ae——單樁所分擔(dān)的加固面積（m2）。

對(duì)本項(xiàng)目地軟土地基，要求處治后的復(fù)合地基承載力fspk≥160 kPa，取fpk=420 kPa，fsk=85 kPa，則m≥0.224。因此本項(xiàng)目按置換率m≥0.224控制樁距，s≤1.01 m，取樁中心距s=1.0 m。

路槽線以下超挖200 cm厚度，以下采用鋪設(shè)60 cm厚砂礫石墊層+施打碎石樁，樁打至fak=225 kPa的黏土層，深入黏土層以下50 cm，樁長(zhǎng)lp=4.0～14.5 m。碎石樁處治地基平面及縱斷面如圖1～2所示。

3.2 施工技術(shù)要點(diǎn)

碎石樁施工的工藝流程如圖3所示：

3.2.1 平整場(chǎng)地

施工區(qū)周邊修筑臨時(shí)排水溝以確保場(chǎng)地排水通暢防止積水，進(jìn)行表面軟土層碾壓，用碎石鋪設(shè)施工機(jī)械進(jìn)出道路。

3.2.2 施工前應(yīng)進(jìn)行成樁試驗(yàn)

試驗(yàn)數(shù)量為7～9根，若仍不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可通過調(diào)整樁的中心距及樁體填料數(shù)量等參數(shù)來(lái)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.2.3 樁體填料

碎石樁樁體填料采用級(jí)配良好的碎石，粒徑為20～40 mm，并摻入20%的石屑，含泥量≤5%。

3.2.4 砂礫石墊層

碎石樁頂設(shè)置0.6 m厚砂礫石墊層，壓實(shí)度滿足地基壓實(shí)度要求。

3.2.5 平面施工順序

按規(guī)范要求，從外側(cè)邊緣向中央打或從兩側(cè)邊緣向中央打，對(duì)于黏土等土層，可采用隔排或隔樁間隔跳打方式進(jìn)行施工，以減少打樁對(duì)原土的擾動(dòng)。

3.2.6 樁機(jī)定位

樁機(jī)固定好位置后，閉合樁靴，對(duì)準(zhǔn)樁位緩緩打入土層，若沉管過程中發(fā)現(xiàn)中心距偏差gt;50 mm，可墊上碎石后重新下管，最后調(diào)整樁管與原地面垂直。

3.2.7 沉管

沉管過程中應(yīng)觀察沉管的速度是否在正常范圍內(nèi)，以及沉管是否有擠偏現(xiàn)象，若出現(xiàn)異常情況應(yīng)及時(shí)分析原因，采取措施進(jìn)行糾偏。當(dāng)沉管穿過軟土層達(dá)到設(shè)計(jì)深度時(shí)，應(yīng)注意電流值變化，按規(guī)定應(yīng)對(duì)沉管全過程做好施工記錄。

3.2.8 混合料灌注

當(dāng)沉管達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，應(yīng)立即投入樁體混合料?；旌狭瞎嗔嫌?jì)算方法為：先計(jì)算沉管外徑與樁長(zhǎng)相乘的體積，再乘以充盈系數(shù)值。可分次加灌混合料，但第一次應(yīng)將沉管灌滿，以后加料時(shí)，應(yīng)控制管內(nèi)混合料高度平面高于工作面。

3.2.9 拔管

拔管速度要均勻，建議控制范圍為1.2～1.5 m/min。當(dāng)沉管拔出地面后，若充盈系數(shù)＜1，則可認(rèn)為樁身可能存在縮徑或斷樁隱患，應(yīng)及時(shí)研究補(bǔ)救措施，若發(fā)現(xiàn)樁頂面低于設(shè)計(jì)標(biāo)高，應(yīng)即時(shí)補(bǔ)灌。

3.2.10 碾壓

大面積碎石樁施工結(jié)束休止兩周后，在作用面振動(dòng)碾壓處治以形成復(fù)合地基面層，用重型振動(dòng)壓路機(jī)碾壓4～6遍，并達(dá)到地基壓實(shí)度要求。

4 工后質(zhì)量檢測(cè)效果

4.1 檢測(cè)目的及抽檢數(shù)量

碎石樁實(shí)施完畢后，進(jìn)行靜載試驗(yàn)對(duì)本工程復(fù)合地基進(jìn)行驗(yàn)收檢測(cè)。采用圓形承壓板，承壓板面積為1.25 m2，驗(yàn)證承壓板下應(yīng)力主要影響范圍內(nèi)復(fù)合土層的承載力是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。根據(jù)《建筑地基處治技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012），復(fù)合地基靜載荷驗(yàn)收檢測(cè)數(shù)量不少于總樁數(shù)的1%。本工程實(shí)施碎石樁總樁數(shù)為10 817根，復(fù)合地基靜載荷抽樣數(shù)量為110個(gè)點(diǎn)。

4.2 檢測(cè)結(jié)果與分析

本工程軟土地基處治進(jìn)行了110個(gè)點(diǎn)的復(fù)合地基靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)碎石樁處治后的復(fù)合地基承載力均可達(dá)到160 kPa，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。取其中一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)（試驗(yàn)樁編號(hào)：93-30）的單樁復(fù)合地基承載力進(jìn)行檢測(cè)分析。

試驗(yàn)加載至最大加載量320 kPa時(shí)，經(jīng)過320 min觀測(cè)，承壓板頂沉降已達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，最大加載壓力已不小于設(shè)計(jì)要求壓力值的2倍，故終止了加荷。此時(shí)承壓板頂?shù)牟砍两抵禐?5.36 m，然后分級(jí)加載至零，承壓板頂回彈值為5.57 mm，殘余沉降值為39.79 mm。p-s曲線（壓力-沉降曲線）為緩變形曲線，s/b=0.02所對(duì)應(yīng)的壓力值（s為承壓板穩(wěn)定的沉降值，b為承壓板的邊長(zhǎng)或直徑）大于最大加載壓力的50%，故本試驗(yàn)點(diǎn)的豎向抗壓承載力特征值評(píng)定為最大加載壓力的50%即160 kPa，承載力滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析整理見表2，相關(guān)圖見圖4～6。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過對(duì)碎石樁、高壓旋噴樁、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁、拋石擠淤四種適應(yīng)本工程道路浸水軟土地基的處治方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選分析得知，碎石樁方案具有施工便捷，造價(jià)較低，質(zhì)量可控等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)作為推薦方案。

（2）提出碎石樁具體設(shè)計(jì)方案、施工工藝流程及施工方法，為相關(guān)工程碎后樁加固技術(shù)提供參考借鑒。

（3）對(duì)碎石樁實(shí)施后的復(fù)合地基進(jìn)行靜載檢測(cè)，結(jié)果顯示其承載力滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，加固效果良好，證實(shí)了碎石樁的技術(shù)可靠性。

參考文獻(xiàn)

［1］易劍輝，郭志輝，余文龍.振動(dòng)沉管碎石樁在復(fù)合地基處理中的應(yīng)用［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2020：27-28.

［2］宗敬云.公路工程軟基加固施工中碎石樁技術(shù)的應(yīng)用［J］.黑龍江交通科技，2021（11）：31，33.

［3］陳金鵬.軟基加固施工技術(shù)在市政道路施工中的分析［J］.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020：124-125.

［4］萬(wàn) 強(qiáng).市政道路工程軟土地基樁基施工技術(shù)［J］.工程機(jī)械與維修，2023（1）：214-216.

［5］JGJ 79-2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.