砂樁在沿海灘涂公路軟土地基中的應(yīng)用與分析

■余清華

(寧德市交通工程勘察設(shè)計(jì)院，寧德 352100）

0 前言

近年來(lái)，隨著閩東高等級(jí)公路建設(shè)規(guī)模的飛速發(fā)展，路線往往不可避免的穿越沿海灘涂軟土地區(qū)，閩東沿海灘涂軟土分布主要為濱海相淤積成因，為近代海退或人工圍墾后形成的淺海堆積，分布范圍廣、面積大，主要類(lèi)型為淤泥、淤泥質(zhì)粘土等，在荷載作用下，地基承載力低，地基沉降變形大，不均勻沉降也大，且沉降穩(wěn)定歷時(shí)長(zhǎng)?；谶@些特性以及項(xiàng)目要求工期緊、用地用海限制大等因素，本文結(jié)合縱一線（國(guó)道228）福鼎市象洋至前岐段A3標(biāo)主線工程實(shí)例，從動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，闡述了砂樁在灘涂軟基中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，以期為相似工程提供一些經(jīng)驗(yàn)參考。

1 項(xiàng)目概況

縱一線（國(guó)道228）福鼎市象洋至前岐段A3標(biāo)主線（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“A3標(biāo)主線”）是G228的重要組成部分，一級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度60km/h，路基寬度整體式23m。K15+705～K15+776段71m為灘涂軟土路段，軟土厚度3～11.1m，路基最終設(shè)計(jì)填筑高度3.4～6.5m，采用砂樁復(fù)合地基法加固軟土。本項(xiàng)目自2016年2月試樁開(kāi)始，2016年底路基填筑完成，預(yù)壓至今，路基運(yùn)行穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)坍塌滑移現(xiàn)象，沉降及穩(wěn)定觀測(cè)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，K15+705～K15+776段軟土地基屬于沖海積平原地貌，軟土土層厚度和埋深沿路段逐漸加大加深，工程地質(zhì)性質(zhì)差，壓縮性大，滲透系數(shù)小，抗剪強(qiáng)度低。該段地基地層自上而下分布：素填土 （0.5～1.5m）、淤泥（3～11.1m）、坡殘積砂質(zhì)粘性土、全風(fēng)化凝灰?guī)r層。土層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

2 砂樁在灘涂軟土中的加固原理及設(shè)計(jì)

2.1 加固原理

（1）置換作用：砂樁成樁后，由較密實(shí)的砂樁樁體取代了與樁體體積相同的軟土，二者共同承擔(dān)上部傳來(lái)的荷載。另外砂樁也有加筋的作用，可以增大地基抗剪強(qiáng)度。

（2）加速排水作用：砂樁是由反濾性很好的粗粒材料組成，與上覆砂（碎石）墊層共同作用，形成良好的豎向和橫向的排水通道，可以快速有效的消散成樁時(shí)形成的超孔隙水壓力，加速軟土的排水固結(jié)，加快路基軟土的沉降穩(wěn)定。

2.2 砂樁設(shè)計(jì)

（1）砂樁直徑與布置形式

砂樁直徑應(yīng)根據(jù)地基土質(zhì)情況和成樁設(shè)備等因素確定。根據(jù)多數(shù)相似工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)確定砂樁直徑采用50cm。

該段軟土地基加固縱向長(zhǎng)度71m，橫向?qū)挾?8～118m，加固面積范圍較大，且為滿(mǎn)堂處理，故砂樁采用等邊三角形布置。

（2）砂樁間距

砂樁間距按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，為砂樁的截面積（m2），m為面積置換率。

綜合路基穩(wěn)定驗(yàn)算，并結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)中，K15+705～K15+751 段砂樁間距為 1.4m；K15+751～K15+776段（靠近A4標(biāo)橋臺(tái)）樁間距為1.2m。

（3）砂樁加固寬度

設(shè)計(jì)中在填方坡腳外側(cè)放寬1排樁。

（4）砂樁樁長(zhǎng)

根據(jù)地質(zhì)資料，本工程地基土中淤泥土層逐漸加大加深，厚度最大為11.1m，設(shè)計(jì)中，砂樁完全穿過(guò)淤泥土層，進(jìn)入坡殘積砂質(zhì)粘性土層。如圖1所示，砂樁穿過(guò)淤泥層，樁尖置于坡殘積砂質(zhì)粘性土層內(nèi)至少50cm，砂樁長(zhǎng)度由5.7m逐漸增長(zhǎng)到13.5m。

圖1 K15+705～K15+776段砂樁布置立面圖

（5）墊層設(shè)置

設(shè)計(jì)中，K15+705～K15+751段采用50cm砂墊層+兩層聚丙烯單向土工格柵 （180kN/m）；K15+751～K15+776段（靠近A4標(biāo)橋臺(tái)）采用50cm級(jí)配碎石墊層+兩層直徑為8mm的鋼筋網(wǎng)。

（6）砂樁填料

設(shè)計(jì)要求采用級(jí)配較好且干凈的中粗砂，也可用砂礫。填料中含泥量不得大于5%。

2.3 砂樁復(fù)合地基穩(wěn)定驗(yàn)算和沉降計(jì)算

（1）穩(wěn)定驗(yàn)算

（2）沉降計(jì)算

1.2.2 生活護(hù)理 腦血栓患者的年紀(jì)比較大,行動(dòng)不方便,身體素質(zhì)不佳,護(hù)理人員要為患者進(jìn)行生活護(hù)理,加強(qiáng)巡視,調(diào)整體位,避免患者壓瘡。并且做好家庭教育,讓患者家屬能夠參與護(hù)理,為患者按摩,定期的開(kāi)展口腔護(hù)理,清潔口腔,預(yù)防口腔感染[2]。

地基總沉降計(jì)算方法采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，即S=msSC，式中，SC為主固結(jié)沉降；ms為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與地基條件、荷載強(qiáng)度、加荷速率等因素有關(guān)。

主固結(jié)沉降通常采用分層總和法，根據(jù)地質(zhì)資料本工程采用壓縮模量法進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于復(fù)合地基設(shè)置的墊層，一般認(rèn)為其壓縮量很小，在施工過(guò)程中已基本完成，故墊層沉降量一般忽略不計(jì)。

（3）以 K15+770處計(jì)算為例

采用理正軟土地基路堤設(shè)計(jì)軟件計(jì)算，如圖2～4所示。

路基填筑至設(shè)計(jì)標(biāo)高6.5m+路面換算土柱高1m的超填預(yù)壓土，即7.5m。砂樁間距1.2m。

圖2 K15+770處加載穩(wěn)定計(jì)算圖

①穩(wěn)定驗(yàn)算

②沉降計(jì)算

路面竣工時(shí)，地基沉降=0.796（m）；

路面竣工后，基準(zhǔn)期內(nèi)的殘余沉降=0.061（m）；

基準(zhǔn)期結(jié)束時(shí)，地基沉降=0.856（m）；

最終地基總沉降采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，計(jì)算得 0.955（m）。

本段軟土?xí)r間、填土、沉降、固結(jié)度之間的關(guān)系詳見(jiàn)圖3、圖4所示。

綜上，本項(xiàng)目穩(wěn)定及沉降計(jì)算結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3 設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)注意的問(wèn)題

（1）料源

圖3 時(shí)間-填土-沉降曲線圖

圖4 時(shí)間-填土-固結(jié)度曲線圖

由于項(xiàng)目區(qū)中粗砂料源短缺，而外購(gòu)價(jià)格高昂。經(jīng)多方論證，決定利用項(xiàng)目周邊豐富的優(yōu)質(zhì)海砂資源作為砂樁填料來(lái)源。在成樁28d后，施工單位對(duì)砂樁進(jìn)行重Ⅱ型動(dòng)力觸探檢測(cè)，標(biāo)貫試驗(yàn)檢測(cè)以每貫入30cm為陣擊錘擊數(shù)，檢測(cè)依據(jù)以合同圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求和《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》為依據(jù)，并以貫入30cm的N63.5錘擊數(shù)不小于8擊為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判定砂樁密實(shí)度是否合格，對(duì)砂樁擠密效果以不少于總樁數(shù)的2%抽查頻率進(jìn)行，共對(duì)70根樁進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果：N63.5錘擊數(shù)貫入30cm平均錘擊數(shù)在12～16之間，指標(biāo)離散值小，處中密狀態(tài)，基本達(dá)到了預(yù)期的要求。

（2）砂樁充盈系數(shù)

設(shè)計(jì)中，砂樁充盈系數(shù)取1.3。但在砂樁試樁過(guò)程中，砂樁每米灌砂量均有不同程度的大于0.26m3（設(shè)計(jì)值），會(huì)達(dá)到每延米0.28～0.29m3。經(jīng)分析認(rèn)為，主要是由于樁周軟土力學(xué)性能差所致。該段路基軟土的不排水剪強(qiáng)度小于20KPa，軟土對(duì)砂樁的徑向支持力較小，砂樁樁體容易產(chǎn)生鼓脹，故每延米灌砂量會(huì)有所增加。因此，通過(guò)本工程施工結(jié)論，建議灘涂軟土砂樁充盈系數(shù)適當(dāng)取大值，取1.45～1.5較為合適。從本工程砂樁的檢驗(yàn)結(jié)果表明，沿海灘涂軟土地基可以采用砂樁加固法，但必須嚴(yán)格控制各項(xiàng)施工指標(biāo)。

（3）軟土地區(qū)路堤填土高度控制

在初步設(shè)計(jì)階段，該段路堤填土高度為4.3～9.5m，但根據(jù)詳勘階段地質(zhì)報(bào)告給出的軟土力學(xué)指標(biāo)，該段軟土穩(wěn)定驗(yàn)算和沉降計(jì)算均不滿(mǎn)足規(guī)范要求。建議路線組調(diào)低該段路基填土高度。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及專(zhuān)家指導(dǎo)，在不影響路線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及線形要求的情況下，對(duì)局部路線進(jìn)行縱坡調(diào)整，考慮砂樁預(yù)壓需超填1m，將該段路線路基設(shè)計(jì)填土高度調(diào)整為3.4～6.5m。路基設(shè)計(jì)高度調(diào)整后，穩(wěn)定驗(yàn)算和沉降計(jì)算能滿(mǎn)足規(guī)范要求。路基施工后根據(jù)連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，路基中心沉降及路基坡腳側(cè)向位移均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）由于灘涂軟土性質(zhì)差，強(qiáng)度低，軟基加固處理最好采用動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)，在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，確保項(xiàng)目質(zhì)量及安全。

（2）在沿海缺乏中粗砂料源，而海砂資源豐富的地區(qū)，可適當(dāng)考慮優(yōu)質(zhì)海砂作為砂樁料源，但對(duì)砂料指標(biāo)方面要嚴(yán)格控制，不符合要求的料源禁止采用，以在降低工程造價(jià)的同時(shí)，確保砂樁質(zhì)量。

（3）在軟土不排水剪強(qiáng)度低于20kPa的沿海灘涂軟土上采用砂樁復(fù)合地基法加固軟土?xí)r，必須試樁成功后才可選用，同時(shí)砂樁設(shè)計(jì)充盈系數(shù)宜取較大值，就本項(xiàng)目而言，取1.45～1.5較為合適。另外，在受用地、用海限制不能增加反壓護(hù)道等措施的軟土段，為保證路基坡腳填土穩(wěn)定，建議砂樁處理范圍宜放寬至坡腳外緣2～3排樁。

（4）根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)施情況，建議沿海灘涂軟土路基填筑高度不宜過(guò)高，一般路段路堤填土高度一般控制在6.5m以下。