城市主干道軟基處理的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

常方強(qiáng)，涂帆

（華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 泉州 362021）

城市主干道軟基處理的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

常方強(qiáng)，涂帆

（華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 泉州 362021）

采用中間為袋裝砂井，兩邊為粉噴樁的聯(lián)合處理方式處理試驗(yàn)路段，通過在軟基內(nèi)埋設(shè)測斜管、沉降盤、孔壓計(jì)和壓力盒等，對路基沉降、側(cè)向變形、孔壓以及樁土應(yīng)力比進(jìn)行監(jiān)測.結(jié)果表明，袋裝砂井處理的路中部分沉降較大，而粉噴樁處理的路肩部分沉降較小，其中后者沉降約為前者的1/40；路堤填土達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高后，路中沉降大約還需5個(gè)月才能基本穩(wěn)定，而粉噴樁處理的路肩在填土結(jié)束后沉降很快就達(dá)到穩(wěn)定；交砂（袋裝砂井）處的側(cè)向位移比坡腳（粉噴樁）處的大得多，前者的最大側(cè)移在5.5m深度處，后者的最大側(cè)移在地表附近；粉噴樁樁土應(yīng)力比最大值約為1.80，路堤填筑完成后，應(yīng)力比逐步減小，最后穩(wěn)定在1.1左右.

軟基處理；城市主干道；沉降；監(jiān)測；粉噴樁；袋裝砂井

城市主干道的道路兩邊通常埋設(shè)如煤氣、電纜、供水和雨污水等各種市政管道［1］.這些管道對地基沉降變形要求嚴(yán)格，且管道鋪設(shè)往往需要有一定坡度.若路基工后差異沉降過大，會導(dǎo)致管道損壞折斷，影響正常工作，而且污染周圍環(huán)境，造成嚴(yán)重后果.福建泉州大坪山隧道連接線道路工程對路基工后沉降的要求：主車道要求小于20cm，兩側(cè)埋設(shè)管道部分要求小于10cm［2］.文［3-6］監(jiān)測并分析粉噴樁復(fù)合地基承載力、孔隙水壓力和樁土應(yīng)力比等，闡述了粉噴樁加固軟基的特性.排水固結(jié)法主要作用為加速軟基排水，與超預(yù)壓載配合能夠提高軟土力學(xué)性能［7-8］.為滿足城市主干道路基斷面不同位置工后沉降要求不同的狀況，大坪山隧道連接線道路工程采用中間為袋裝砂井［2，8］，兩側(cè)為粉噴樁的處理方式，即“中間軟，兩邊硬”的聯(lián)合處理方法.本文在試驗(yàn)路段上，埋設(shè)沉降盤、測斜管、土壓力盒、孔壓計(jì)和分層沉降磁環(huán)等，監(jiān)測路基在施工及放置期的特性，檢驗(yàn)這種地基處理方法的效果和可行性.

1 現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)計(jì)

1.1 工程地質(zhì)概況

工程場地由海相沉積而成，地基土自上而下有如下8層：（1）填土，基本缺失；（2）粉質(zhì)粘土，基本缺失；（3）淤泥，深灰色、飽和、流塑、含有機(jī)質(zhì)，厚7～15m，局部夾透鏡體狀粗砂；（4）粉質(zhì)粘土，灰黃色、飽和、可塑；（5）粉土，灰黃色、飽和、中密至密實(shí)，厚0.4～2.5m；（6）粗砂，灰黃色、飽和、稍密，大多厚約1m；（7）殘積礫（砂）質(zhì)粘性土，褐黃色、飽和、硬塑；（8）強(qiáng)風(fēng)化花崗巖.

淤泥具有高壓縮性、低強(qiáng)度和低滲透性等特點(diǎn)，其物理力學(xué)指標(biāo)：容重為15.9kN·m-3，含水量為62.1％，孔隙比為1.69，液限為48.2％，塑限為30.3％，塑性指數(shù)為18.2％，液性指數(shù)為1.76％，直剪試驗(yàn)粘聚力為13.4kPa（角度為1.9°），壓縮模量為1.6MPa，滲透系數(shù)為3.3×10-8m·s-1

1.2 軟基處理方案

工程軟基路段均為填方區(qū).為解決路基的穩(wěn)定和沉降問題，在試驗(yàn)Ⅰ區(qū)采用聯(lián)合地基處理方案：路中部分（60％的路基寬度）采用袋裝砂井固結(jié)法，路基兩側(cè)（40％的路基寬度）采用粉噴樁法.袋裝砂井直徑為7cm，加固深度為13m，間距為1.1m×1.0m；粉噴樁直徑為0.5m，樁長為8～14m，水泥摻量為16％，樁距為1.2m×1.3m.試驗(yàn)Ⅱ區(qū)位于橋頭地段，為減少橋頭不均勻沉降，全斷面采用粉噴樁處理.

1.3 監(jiān)測方案的布置

為保證路堤施工過程中的穩(wěn)定性，要掌握袋裝砂井處理的淤泥層孔壓消散規(guī)律及軟基固結(jié)度，檢驗(yàn)粉噴樁設(shè)計(jì)參數(shù)，并按圖1所示的位置布置監(jiān)測儀器.在路基的中心、左右交砂（離袋裝砂井與粉噴樁交接位置2m距離的袋裝砂井處理部分）、左右交樁（離袋裝砂井與粉噴樁交接位置2m距離的粉噴樁處理部分），以及左右路肩和右坡腳處埋設(shè)沉降盤以監(jiān)測總沉降；在路中、右交砂和右交樁路基內(nèi)20m深度內(nèi)，每2m埋設(shè)分層沉降磁環(huán)以監(jiān)測分層沉降；在左右交砂和右坡腳處埋設(shè)測斜管以監(jiān)測側(cè)向變形；在路中位置處的路基3，6，9，12m深度內(nèi)分別埋設(shè)孔壓計(jì)以監(jiān)測孔壓變化；選擇路肩處的樁頭和樁間土埋設(shè)土壓力盒以監(jiān)測樁土應(yīng)力.

圖1 軟基處理方案與監(jiān)測方案的剖面圖（單位：m）Fig.1 Soft ground treatment and monitoring（unit：m）

2 結(jié)果分析

2.1 路基總沉降的監(jiān)測

在路基表面埋設(shè)沉降盤，并于其中間打設(shè)一根標(biāo)桿，標(biāo)桿底部位于地基中的未風(fēng)化基巖上.通過測量沉降盤頂與標(biāo)桿頂之間的差值，可計(jì)算出路基的總沉降量.該段面8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的沉降（S）隨時(shí)間（t）變化，如圖2所示.

從圖2可以看出，路中袋裝砂井處理處的沉降最大，交砂處的次之，交樁處的相對較??；沉降隨著填土荷載的增大而增大，沉降速率與填土速率緊密相關(guān).如路中測點(diǎn)，前期填土的110d，填土速率0.4kPa·d-1，沉降速率4.4mm·d-1，其后的70d，填土速率0.8kPa·d-1，沉降速率5.3mm·d-1.填土180d可達(dá)設(shè)計(jì)高度，路中沉降持續(xù)到約330d，即沉降在填土結(jié)束后約5個(gè)月才趨于穩(wěn)定.采用粉噴樁處理的路肩部分，沉降在填土結(jié)束后很快達(dá)到穩(wěn)定.

根據(jù)沉降觀測值推算最終沉降，進(jìn)而計(jì)算工后沉降，以確定管道埋設(shè)及路面的施工時(shí)間，這是路基沉降觀測的主要目的.根據(jù)最終沉降常用的預(yù)測方法推算該段面各測點(diǎn)的最終沉降，結(jié)果如表1所示.由表1可知，雙曲線模型的預(yù)測值比其余兩個(gè)方法的預(yù)測值大，Verhlust模型的預(yù)測值次之，指數(shù)模型的預(yù)測值最小，且后兩者的預(yù)測值十分接近.

表1 最終沉降的預(yù)測結(jié)果Tab.1 Prediction of final settlements mm

根據(jù)圖2和表1的結(jié)果可知，填土達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高后，路中大約還需130d才能滿足工后沉降小于20cm的要求；而路肩在填土完成后，工后沉降很快就滿足要求.該段面各測點(diǎn)的沉降值，如圖3所示.由圖3可以看出，粉噴樁處理的軟基沉降明顯小于袋裝砂井處理的沉降；交樁和交砂測點(diǎn)的水平距離4.0m，但前者僅為后者的1/8～1/4.

圖2 沉降隨時(shí)間的關(guān)系Fig.2 Relationship between settlement and time

圖3 彎沉盆的形狀Fig.3 Settlement at tested section

2.2 路基分層沉降的監(jiān)測

路基分層沉降深度（h）的測試結(jié)果，如圖4所示.由圖4可看出，無論是何種軟基處理方法，其沉降主要發(fā)生在14m深度內(nèi)，該深度內(nèi)為淤泥，以下為中粗砂.由此可見，地基土層的性質(zhì)是影響壓縮層深度的主要因素.

由圖4還可看出，路中袋裝砂井處理部分，80％的沉降發(fā)生在7m深度內(nèi)，其中5m深度內(nèi)單位深度壓縮量約為180mm·m-1.在袋裝砂井處理的右交砂處，5m深度內(nèi)和5～7m深度內(nèi)的單位深度壓縮量約為140mm·m-1和80mm·m-1；而粉噴樁處理的右交樁處，相應(yīng)深度的單位深度壓縮量僅為10mm·m-1和6mm·m-1，均大約為前者的1/14.

圖4 路基的分層沉降Fig.4 Settlement at different layers

2.3 路基的側(cè)向位移

路基側(cè)向位移（Δ）的監(jiān)測結(jié)果，如圖5所示.由圖5可知，14m以下基本上沒有側(cè)向位移，與沉降發(fā)生深度一樣，主要與土層情況有關(guān)；交砂處的最大側(cè)向位移約240mm，比坡腳處的約50mm大得多.

由圖5還可看出，最大側(cè)移的深度不同.交砂處的最大側(cè)移在5.5m深度處，坡腳處的最大側(cè)移在地表附近.路基的側(cè)向位移是由于路堤荷載產(chǎn)生的水平應(yīng)力引起的.根據(jù)彈性力學(xué)公式計(jì)算路基中不同深度處的水平應(yīng)力，水平應(yīng)力隨著深度的增大而減小.交砂處路基的側(cè)向位移既受到路堤中間部分的作用，也受到交砂處與坡腳之間路堤荷載的作用.因此，交砂處路基不同深度的側(cè)移，是路中與路邊荷載及其二種不同處理方法產(chǎn)生的路基土水平變形模量的綜合較量的結(jié)果.

圖5 不同深度處的側(cè)向位移Fig.5 Lateral displacements at different depths

根據(jù)圖5，該工程交砂處的最大側(cè)移在路基表面下約5.5m處；坡腳處只受到一個(gè)方向的路堤荷載作用，未處理的地基為軟土.因此，最大側(cè)向位移發(fā)生在地表.

2.4 孔隙水壓力的監(jiān)測

在路中及交砂處的不同深度埋設(shè)孔壓測頭，監(jiān)測填土和放置期孔壓的增長和消散情況.孔壓測頭測得的是總的水壓力，扣除地下水的靜水壓力后，得到該深度處的孔壓（超靜水壓力）.路中測點(diǎn)的測試結(jié)果，如圖6所示.

由圖6可以看出，填土過程中的間歇階段，不同深度處的孔壓均有所消散，可見袋裝砂井起了加速排水的作用.隨著填土速率的增大，孔壓增長速率也增大；填土達(dá)到設(shè)計(jì)高度，孔壓達(dá)最大值，然后呈下降趨勢.路堤荷載引起的地基中的孔壓隨著深度的增加而減小.該段面填土高度為3.5m，15m深度處的最大孔壓為0.3kPa，表明填土荷載對此深度土體影響較小.

圖6 孔隙水壓力的累積與消散Fig.6 Accumulation and dissipation of pore pressure

采用彈性力學(xué)的Boussinesq公式，計(jì)算路中心孔壓測試點(diǎn)處的地基豎向附加應(yīng)力.經(jīng)計(jì)算，在3，6，9，12，15m深度處的附加應(yīng)力分別為69.0，67.4，64.1，59.8，55.1kPa.各個(gè)深度處的孔壓測試值均比附加應(yīng)力計(jì)算值小得多.12m深度處的最大孔壓僅為2.3kPa，而根據(jù)圖4可知，該處的沉降也非常小.孔壓實(shí)測值比計(jì)算值小，主要是由于加載過程中袋裝砂井能夠快速消散超孔壓.

2.5 樁土應(yīng)力比

采用國產(chǎn)剛弦式土壓力盒，受壓面為薄鐵皮包裹著的硅油囊，硅油囊的尺寸為30cm直徑（用于樁頂）的圓形和30cm×30cm（用于樁間土）的正方形.將帶有硅油囊的土壓力盒嵌在6cm高的水泥砂漿預(yù)制塊內(nèi)，硅油囊受力薄膜應(yīng)高出預(yù)制塊2～3mm.上述措施是為了減小土壓力盒與土和樁的模量差距，減輕可能產(chǎn)生的應(yīng)力集中和土拱效應(yīng)，使得測試值盡可能接近實(shí)際值.在要埋設(shè)土壓力盒的地方，降低10cm高度，整平鋪砂后放上預(yù)制塊，再鋪30cm厚度的砂.

土壓力測試值的影響因素很多，最主要的有：壓力盒表面與測試材料之間的剛度匹配；土壓力盒的長期穩(wěn)定性；室內(nèi)標(biāo)定壓力盒的條件不符合實(shí)際情況（即使進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定，標(biāo)定條件也不一定是實(shí)際情況的再現(xiàn)）.盡管如此，通過埋設(shè)土壓力盒獲得壓力分布的方法還是很有實(shí)際意義的.

根據(jù)土壓力測試值整理的樁土應(yīng)力及應(yīng)力比的結(jié)果，如圖7所示.由圖7可以看出，樁頂和樁間土上的應(yīng)力隨著填土的增高而增大.填土達(dá)設(shè)計(jì)高度后，樁頂應(yīng)力逐漸減小，樁間土應(yīng)力繼續(xù)增大，隨著時(shí)間的推移，二者趨于接近.填土初期，由于樁的壓縮模量比土的大，承擔(dān)了較大的應(yīng)力，樁土應(yīng)力比達(dá)到最大值約1.80.隨著荷載的增加，樁壓縮變形，直至樁頂與樁間土表面的沉降量接近.在這過程中，上部荷載逐步從樁頂轉(zhuǎn)移到樁間土上，因此，樁土應(yīng)力比逐漸減小，最后穩(wěn)定在1.1左右.

圖7 樁頂和樁間土應(yīng)力Fig.7 Soil pressure along pile

3 軟基處理方法的比較

聯(lián)合處理法（Ⅰ區(qū)）與粉噴樁處理法（Ⅱ區(qū)）的沉降和側(cè)移數(shù)據(jù)，如表2所示.表2中：Smax，Δmax分別為最大沉降值和最大側(cè)移值；Δh5m為5m深度單位深度壓縮.由表2可以看出，聯(lián)合處理法的路中沉降和單位深度壓縮量都比單獨(dú)粉噴樁法的大得多；坡腳處均采用粉噴樁處理，故二者的沉降、側(cè)向位移和單位深度壓縮量相差不大.

表2 軟基處理方法的比較Tab.2 Comparison among soft ground treatment methods

4 結(jié)論

為滿足城市主干道路基工后沉降的特殊要求，減少工程造價(jià)，采用中間為袋裝砂井，兩邊為粉噴樁的聯(lián)合處理方式.通過對沉降、側(cè)向位移、孔壓和樁土應(yīng)力監(jiān)測值的分析，可得到如下6點(diǎn)結(jié)論.

（1）聯(lián)合處理的路基，路基段面測點(diǎn)沉降的大小順序：路中＞交砂＞路肩＞坡腳.其中，交砂處的沉降約為路中沉降的2/3，路肩沉降約為路中沉降的1/48～1/30.

（2）填土達(dá)到設(shè)計(jì)高度后，路中的沉降持續(xù)約5個(gè)月才趨于穩(wěn)定，而路肩的沉降在填土結(jié)束后，很快就達(dá)到穩(wěn)定.

（3）地基土層的性質(zhì)是影響壓縮層深度的重要因素.

（4）坡腳處的側(cè)移比交砂處的側(cè)移小，前者約是為后者的1/5.由此可見，粉噴樁減少軟弱路基側(cè)向位移的效果明顯.坡腳和交砂處的最大側(cè)移分別在地表附近和5.5m深度處.

（5）粉噴樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比最大值約為1.8，在填土完成后，其應(yīng)力比逐步減小，最后穩(wěn)定在1.1左右.

（6）從經(jīng)濟(jì)上考慮，袋裝砂井每米造價(jià)約3.5元，比粉噴樁每米造價(jià)32元低得多，整個(gè)試驗(yàn)段可節(jié)省造價(jià)約為50％.采用聯(lián)合處理的方法，利用粉噴樁地基沉降小沉降快的特點(diǎn)，滿足管道路基工后沉降要求高的同時(shí)，又可以提早進(jìn)行反開槽和鋪設(shè)管道的施工，而在此施工期間，路中袋裝砂井地基的沉降也基本完成.

因此，聯(lián)合處理方法，既達(dá)到縮短工期，減少全斷面粉噴樁處理費(fèi)用，又能滿足工后沉降的特殊要求，是一種可行的方法.該路段通車5a，路面狀況良好.

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［2］盧懷，馬時(shí)冬.城市主干道軟基處理的特點(diǎn)［J］.巖土工程界，2004，7（11）：38-40.

［3］林彤.粉噴樁加固軟基的試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2000，21（2）：134-137.

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［8］王福勝.高等級公路路基袋裝砂井可行性分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1991，13（6）：70-76.

In-Situ Measurement Data Analysis of Soft Ground Treatment for Urban Trunk Road

CHAN G Fang-qiang，TU Fan
（College of Civil Engineering，Huaqiao University，Quanzhou 362021，China）

The joint-treatment method，that is，middle section with bagged sand well（BSW）and both sides with dry jetting mixing（DJM）is adopted to treat a road section.Some measuring instruments are buried in the road section，including Inclinometer tube，settlement plate，pore water pressure meter，and pressure cell.Various parameters are monitored，including settlement，lateral displacement，pore pressure and pile-soil stress ratio.The results show：settlement in both sides treated by DJM is approximately 1/40 of that in middle section treated by BSW；roadbed settlement of middle section would last at least 5 months after filling finished，while the settlement at road-shoulder could be stable soon after filling finished due to DJM；lateral displacement treated by BSW is larger than that at the foot treated by DJM，the depth of maximum lateral displacement by BSW is 5.5 mm，while the maximum lateral displacement by DJM occurs on the ground surface；pile-soil stress ratio reaches the maximum value of about 1.8 and decreases gradually after filling finished，and then remains at stable value near 1.1.

soft ground treatment；urban trunk road；settlement；monitoring；dry jetting mixing pile；bagged sand well

TU 433；U 412.3

A

1000-5013（2010）04-0468-05

（責(zé)任編輯：錢筠 英文審校：方德平）

2009-05-25

常方強(qiáng)（1980-），男，講師，主要從事環(huán)境巖土工程的研究.E-mail：changfq@hqu.edu.cn.

福建省自然科學(xué)基金計(jì)劃資助項(xiàng)目（E0710019）；華僑大學(xué)高層次人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目（09BS621）