市政道路施工海相深厚軟土組合型地基處理技術(shù)

劉小高，黃立夫，譚　博，王述紅

(1.中建五局 土木工程有限公司，湖南 長沙 410004；2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

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市政道路施工海相深厚軟土組合型地基處理技術(shù)

劉小高1，黃立夫2，譚博1，王述紅2

(1.中建五局 土木工程有限公司，湖南 長沙 410004；2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

摘要：海相深厚軟土地基的處理，施工手段或相關(guān)參數(shù)選擇比較單一，導(dǎo)致地基處理不夠科學(xué)、合理，并造成了資源上與經(jīng)濟(jì)上的一定浪費(fèi)。為了優(yōu)化成本，通過分析幾種常見的傳統(tǒng)單一處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)與適用性，介紹多元復(fù)合地基的概念、分類與特點(diǎn)。依托福建平潭市政道路項(xiàng)目，推廣采用多元復(fù)合地基，即水泥攪拌樁-CFG樁耦合處理技術(shù)，對海相深厚軟土地基進(jìn)行處理。通過方案比選，在滿足沉降要求的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了地基布置，節(jié)約了近9%的造價(jià)。

關(guān)鍵詞：海相深厚軟土；地基處理；多元復(fù)合地基；方案比選

近幾年我國沿海地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展迅速，但是經(jīng)驗(yàn)積累不足，驗(yàn)證不夠[1]，傳統(tǒng)復(fù)合地基還存在很多缺陷需要改進(jìn)[2]，導(dǎo)致海相軟土地基處理技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上工程需要。這是因?yàn)橐环矫婧Ｏ嘬浲梁蚀蟆⒄沉：肯鄬Ω遊3]，采用傳統(tǒng)的處理技術(shù)難以達(dá)到完全改善地基土的工程特性目的。海相軟土市政道路地基的處理過程如果不恰當(dāng)，將會造成地基沉降量過大的不良影響，繼而導(dǎo)致地基穩(wěn)定性不足、路面發(fā)生大面積皸裂、路面某段無規(guī)則起伏，甚至導(dǎo)致整個(gè)路堤徹底破壞[4]。

閆明禮[5]等指出采用組合型復(fù)合地基有很好的經(jīng)濟(jì)效益。王士杰[6]等驗(yàn)證了組合型復(fù)合地基能夠大幅度提高地基承載力，控制地基變形、沉降。

結(jié)合福建省平潭縣萬北路市政工程建設(shè)情況，首先分析了解海相軟土特性及其常見處理方法，比較不同地基處理技術(shù)的適用條件和優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種組合型地基處理新技術(shù)，并進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和論證，較好處理了該區(qū)域軟土深厚、地基處理造價(jià)高的難題，結(jié)果表明該組合型技術(shù)可以在其他類似區(qū)域推廣使用。

1　海相軟土特性及常見的地基處理方法

1.1海相軟土地基特性

眾所周知，海相軟土由于原始地貌不同，沉積環(huán)境各異，不同區(qū)域分布的特性不盡相同，有一定的地域性[7]。外觀上看，海相軟土一般呈灰色或黑灰色，有一定的微觀結(jié)構(gòu)(如絮狀結(jié)構(gòu)、海綿結(jié)構(gòu)、層理結(jié)構(gòu)、粒狀鏈接結(jié)構(gòu)等)。就其力學(xué)特性，海相軟土具有“三高”和“三低”特性，即高含水率(天然)、高孔隙比(天然)、高壓縮性、低滲透性、低承載力、低抗剪強(qiáng)度等特性，如果遇到土體中伴有腐殖質(zhì)和有機(jī)物質(zhì)，其力學(xué)特性更為復(fù)雜，工程上必須引起足夠重視，必須采取相應(yīng)措施，提高工程地基穩(wěn)定性[7-10]。平潭海相軟土現(xiàn)場，見圖1。

圖1平譚海相軟土現(xiàn)場

1.2海相軟土地基常見的處理方法

1.2.1換填法

換填法，即換填墊層的方法。通過將地基一定深度范圍內(nèi)(淺部)的軟弱土或不良土，用工程特性較好的土、砂、石或石屑等材料換填，經(jīng)分層碾壓、壓實(shí)，得到低壓縮性、高承載力的墊層。

該法主要適用于處理淺層非飽和軟弱土層、淺層膨脹土、季節(jié)性凍土、素填土和雜填土等。一般處理深度為2 m～3 m。優(yōu)點(diǎn)是可因地制宜，就地取材，而且施工簡單方便，只需常規(guī)機(jī)械便可以展開施工，工期短，造價(jià)低[11]。

1.2.2堆載預(yù)壓法

堆載預(yù)壓法是在施工之前，在路基表面分級堆土或施加其他大于或等于設(shè)計(jì)荷載的荷載進(jìn)行預(yù)壓，通過工程措施促使地基土提前充分固結(jié)沉降，提高地基土強(qiáng)度的有效方法。

該方法從施工操作、材料、機(jī)具等易于實(shí)現(xiàn)，適用于各種類型軟弱地基。但需要注意的是，堆載預(yù)壓處理時(shí)間依賴性較高，通常需要一定量的預(yù)壓時(shí)間。另外對于深厚飽和軟土，該方法對于時(shí)間的依賴性更強(qiáng)，排水固結(jié)需要消耗大量時(shí)間，同時(shí)堆載材料的量需求也十分龐大，在實(shí)際操作上很不方便。

1.2.3強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯是將重錘(不小于10 t)從高處(10 m以上)自由落下，多次反復(fù)夯擊下方土體，通過密實(shí)土體顆粒提高地基土的承載力。

該方法更為適用于處理雜(素)填土、碎石(砂)土、低飽和度粉土與黏土等地基。需要注意的是，對于飽和度較高的粘性土(淤泥和淤泥質(zhì)土)，效果有限[12]。處理深度一般小于6 m。

1.2.4水泥攪拌樁

該法引入水泥材料作為固化劑，將軟土和水泥強(qiáng)制攪拌，利用固化劑和軟土之間產(chǎn)生的“樁體”(具有一定強(qiáng)度的物-化反應(yīng)物)，以復(fù)合地基的形式改善軟土地基的強(qiáng)度、變形模量、土體防滲等性能。

該法比較適合處理淤泥、淤泥質(zhì)土和高含水率而承載力不大于140 kPa的粉砂土、粘性或粉質(zhì)粘土等軟土地基。一般處理深度為不大于15 m。由于攪拌樁施工時(shí)無震動(dòng)、無噪音、無污染、一般不引起土體起伏或側(cè)面擠出，可在密集建筑群中進(jìn)行作業(yè)，對周邊建筑物以及地下管線影響小[13]。

1.2.5CFG樁

CFG樁法，即粉煤灰碎石樁法，是利用碎石、石屑、粉煤灰、固化劑(水泥)組成混合料，摻入適量水進(jìn)行攪拌，形成強(qiáng)度較好的膠凝體樁體。和易性、流動(dòng)性及容易灌注等特點(diǎn)明顯。工程中可節(jié)省大量的固化劑及砂的用量[4]?？商幚砩疃容^大，大于15 m。

適用于改善軟土地基，且可處治軟土深度大，處治效果比較理想，但造價(jià)略高。

1.2.6加筋法

在軟土地基上沿水平方向鋪設(shè)一層或多層的加筋材料，并與填料組成一定厚度的加筋墊層，可以提高地基的承載力，均化地基應(yīng)力，減少地基的不均勻沉降。施工速度快、便捷、高耐久性、環(huán)保優(yōu)勢明顯。用加筋法因控制地基不均勻沉降存在短板，不善于處理深厚軟土地基。道路軟土施工經(jīng)常采用[14]。

2　多元復(fù)合地基處理技術(shù)

上述這些方法，都是采用單一的方法或單一的參數(shù)處理地基，往往適用范圍有限，處置不夠靈活，而且劣勢比較明顯。因此，在實(shí)際工程運(yùn)用中，有必要引入多元復(fù)合地基處理技術(shù)，充分發(fā)揮各個(gè)方法或各個(gè)參數(shù)的優(yōu)勢，不僅能大幅度提升地基的承載力，減小地基的沉降，還能在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益方面取得令人滿意的效果[15]。

多元復(fù)合地基，又名二次復(fù)合地基、組合型復(fù)合地基、混合復(fù)合地基等，是指運(yùn)用多種(兩種及兩種以上)處理方法或參數(shù)，在加固區(qū)中，均勻設(shè)置增強(qiáng)體[17-18]。

多元復(fù)合地基具有如下特點(diǎn)：應(yīng)力分布在縱向內(nèi)力分布均勻；沉降方面加固區(qū)內(nèi)樁土沉降差別不大，主要依靠復(fù)合地基的整體下沉，下臥層的土體壓縮變形所占比重相對較大；設(shè)計(jì)布置靈活，利于發(fā)揮增強(qiáng)體優(yōu)勢，取長補(bǔ)短[17]。

多元復(fù)合地基的分類有以下幾種[18]，見圖2。

圖2多元復(fù)合地基的分類

多元復(fù)合地基在工程中應(yīng)用比較廣泛的是樁體組合型復(fù)合地基[15]。樁體組合復(fù)合地基分類，見圖3、圖4。上覆褥墊層，褥墊層厚度根據(jù)文獻(xiàn)[16]中的理論確定。

圖3多樁組合型復(fù)合地基

圖4長短樁組合型復(fù)合地基

3　工程概況及施工環(huán)境

3.1工程概況

本項(xiàng)目為福建省平潭縣萬北路市政工程，地處福建省平潭綜合試驗(yàn)區(qū)，位于福建省東部，福州市東南部，臺灣海峽中北部海域。福建省平潭綜合試驗(yàn)區(qū)，下轄7鎮(zhèn)8鄉(xiāng)，屬于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。本項(xiàng)目范圍，西起環(huán)島西路，東至萬順路，路線全長約6.92 km。平潭是大陸距臺灣最近的島，對臺貿(mào)易往來，吸引臺商，開展旅游業(yè)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，因而基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，特別是市政道路的建設(shè)尤為重要。但平潭分布了大量的海相軟土，地質(zhì)條件差，地基需要處理。本工程路段地質(zhì)平面圖、剖面圖，如圖5、圖6所示。

圖5地質(zhì)平面示意圖

圖6地質(zhì)剖面圖(單位：m)

3.2施工環(huán)境

擬建的市政道路線路經(jīng)過的場地原始地貌為殘坡積臺地及海積平原，地勢較為平緩。根據(jù)現(xiàn)場鉆探揭露結(jié)果，施工場地地層結(jié)構(gòu)及巖性特征主要表現(xiàn)為：上部含有較厚的淤泥層，主要分布淤泥土、淤泥質(zhì)土以及淤泥混砂，深灰色，大多處于飽和或強(qiáng)飽和狀態(tài)，流塑，含腐殖質(zhì)，伴有臭味，捻面較光滑，有光澤，干強(qiáng)度及韌性中等；中部為細(xì)砂，灰黃色，稍密、中密為主，局部松散，飽和，主要為細(xì)、中粒石英砂，含有泥質(zhì)(不均勻)，部分混雜少量貝殼，級配不良，局部夾有少量淤泥；下部主要為粉質(zhì)粘土層，褐黃或青灰色，可塑狀態(tài)，局部硬塑，粘性較強(qiáng)。該區(qū)域軟土層具有代表性，具體的土體參數(shù)見表1。

表1　土體參數(shù)

場地地下水類型主要為：場地上部少量的孔隙潛水，中下部部分孔隙承壓水，以及基底風(fēng)化程度不盡相同的巖層中的孔隙(裂隙)水，水量不大。

4　水泥攪拌樁-CFG樁耦合處理技術(shù)

針對上述土層分布和工程技術(shù)條件，項(xiàng)目組經(jīng)過論證，提出采用水泥攪拌樁-CFG樁組合處理技術(shù)。即采用水泥攪拌樁和CFG樁作為增強(qiáng)體，在加固區(qū)形成復(fù)合地基，一方面加固地基，提高地基承載力；同時(shí)減小地基沉降。本項(xiàng)目，擬采用這一技術(shù)處理地基，布置方式和橫斷面示意圖，如圖7所示。

圖7多元復(fù)合地基橫斷面圖

4.1樁體參數(shù)及單樁Q-S曲線

CFG樁，樁身混凝土強(qiáng)度取C20，樁徑取500 mm，樁長取15 m；水泥攪拌樁，樁身混凝土強(qiáng)度取C20，樁徑取500 mm，樁長取12 m。其余樁體參數(shù)參見表2。

表2　樁體參數(shù)

在具體實(shí)施過程中，項(xiàng)目組首先選擇一塊實(shí)驗(yàn)段，根據(jù)圖5進(jìn)行施工，并測試兩種樁型單樁承載力特征值，檢測完全按照《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[19](JGJ 106-2003)的規(guī)定來實(shí)施，有關(guān)測試結(jié)果如圖8中CFG樁、混凝土攪拌樁Q-S曲線所示。從圖8中的曲線可以看出，兩種樁型單樁承載力特征值分別為：CFG樁Ra1=460 kN；水泥攪拌樁Ra2=380 kN。完全滿足工程要求。

圖8單樁Q-S曲線

4.2復(fù)合地基樁體布置方案設(shè)計(jì)與比選

多元復(fù)合地基的樁體布置形式，如圖9～圖11所示，其中，復(fù)合地基樁間距L取2 m。設(shè)計(jì)要求，處理后復(fù)合地基承載力特征值至少達(dá)到fspk=210 kPa，最大變形不超過30 mm。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，得出以上幾個(gè)方案，復(fù)合地基承載力均滿足要求，且有一定富余。各個(gè)方案復(fù)合地基沉降量，如圖12所示。

由圖12可知，方案三沉降量已經(jīng)超過設(shè)計(jì)要求的30 mm，故此方案不可行。綜合考慮復(fù)合地基沉降量、造價(jià)等因素，選取方案二為最終方案。

圖9方案一樁體布置圖

圖10方案二樁體布置圖

圖11方案三樁體布置圖

圖12各方案沉降觀測值

工程最初方案擬定為只采用CFG樁進(jìn)行處理，方案二與最初方案進(jìn)行造價(jià)對比，節(jié)省了近9%。

5　結(jié)論與建議

本文通過引入多元復(fù)合地基方法，采用水泥攪拌樁-CFG組合處理技術(shù)處理市政道路海相深厚軟土地基，得出以下初步結(jié)論與建議：

(1)多元(組合)復(fù)合地基，因?yàn)椴捎枚喾N增強(qiáng)體或同種增強(qiáng)體運(yùn)用多種參數(shù)規(guī)格，與傳統(tǒng)單一處理方法比較，充分發(fā)揮泥攪拌樁-CFG兩種增強(qiáng)體優(yōu)勢，大幅度提升該區(qū)域地基的承載力，減小沉降同時(shí)，技術(shù)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益明顯。

(2)多元復(fù)合地基，加固區(qū)內(nèi)，內(nèi)力分布均勻。增強(qiáng)體布置比較靈活，樁與樁間土沉降差小，能夠有效地控制地基不均勻沉降。

(3)多元復(fù)合地基，結(jié)構(gòu)簡單，施工相對容易，在海相深厚軟土處理類似工程具有推廣應(yīng)用前景。

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DeepMarineSoftSoilFoundationTreatmentTechnologyforMunicipalRoads

LIU Xiao-gao1,HUANG Li-fu2,TAN Bo1,WANG Shu-hong2

(1.CCFEBCivilEngineeringCo.,Ltd.,Changsha,Hunan410004,China;2.CollegeofResourcesandCivilEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang,Liaoning110819,China)

Abstract：The methods and parameters of the solutions of deep marine soft soil are often relatively simple,which always results in unsuitable foundation treatments,and waste of expenses and resources.In order to save the cost,the concept,classification and characteristics of multiple composite foundation were introduced by analyzing the advantages,disadvantages and applicability of several conventional simple processing methods.The multiple composite foundation,i.e.cement mixing pile and cement fly-ash gravel pile coupled treatment technology,was proposed to treat deep marine soft soil foundation in the municipal road projects in Pingtan,Fujian Province.According to the requirements of allowable settlement,the scheme comparison was carried out to optimize the arrangement of foundation,which saved about 9 percent cost of this project.

Keywords：deep marine soft soil;foundation treatment;multiple composite foundation;scheme comparison

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.015

中圖分類號：TU990.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672—1144(2014)06—0078—05

作者簡介：劉小高(1973—)，男，湖南益陽人，工程師，主要從事市政工程施工管理和技術(shù)研究工作。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51179031，51074042)；遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(2014)；海相軟基處理及綜合管溝施工關(guān)鍵技術(shù)研究(2014-0-1-0-1148)

收稿日期：2014-08-14修稿日期：2014-09-21