沿海地區(qū)深厚軟土地基處理方案研究＊

周凱，王偉軍

［1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，廣東珠海 519075；2.珠海市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東珠海 519015］

0 引言

軟土一般是指濱海、湖沼、谷地、河灘沉積的天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高的細(xì)粒土，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土。軟土地基成為路基持力層之前一般需要進(jìn)行處理，以提高地基承載力，增強(qiáng)地基穩(wěn)定性，減小工后沉降。國(guó)內(nèi)外較成熟的深層軟土地基處理方式主要有排水固結(jié)法、水泥攪拌樁、水泥粉煤灰碎石樁（Cement Fly-ash Gravel，CFG）樁、預(yù)應(yīng)力管樁等［1-2］。珠海橫琴新區(qū)作為濱海圍墾區(qū)，陸地多為海相沉積軟土層，軟土較深厚，地基處理難度較大。對(duì)于陸海相沉積的厚層軟土層的地基處理方法，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究。其中，龔曉南等［3］采用真空預(yù)壓法處理軟土地基，提出了真空滲流場(chǎng)的理論；章定文等［4］研究連云港沿海軟土的固結(jié)、抗剪及流變等特性，并針對(duì)工程進(jìn)行了有效的地基處理；唐育同［5］、邰勇［6］分別對(duì)公路軟土路基的治理開(kāi)展研究，提出超載預(yù)壓等多項(xiàng)處理措施。CFG 樁應(yīng)用于地基處理具有高效、便捷的特性，但容易出現(xiàn)斷樁等病害［7-8］。現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)軟土地基的處理大多針對(duì)淺薄層的土體，提出了較多的地基處理方法。然而，針對(duì)沿海相沉積的深厚軟土地基處理的研究不多，而傳統(tǒng)的淺薄層軟土處理方法難以應(yīng)用于深厚軟土地基。

本文結(jié)合珠海橫琴新區(qū)某新建場(chǎng)地厚層軟土地基處理工程，綜合適用性、可行性及經(jīng)濟(jì)性等方面的考量，經(jīng)過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)主流的4 種軟土處理方案，選擇三軸水泥攪拌樁法作為新建場(chǎng)地的特殊路基處理方法，并且調(diào)整和優(yōu)化既有處理方案，采用成樁現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)反饋方法，評(píng)價(jià)地基處理的成效，探索沿海地區(qū)深厚軟土地基土體處理方法及其評(píng)價(jià)機(jī)制。

1 工程概況與地基處理方案比選

1.1 工程概況

該新建查驗(yàn)場(chǎng)地位于橫琴海關(guān)，當(dāng)前的地面高程約4 m，場(chǎng)地平整標(biāo)高為2.5 m，淤泥頂部高程為-0.5～-8.23 m，底部高程為-21.89～-25.46 m，層厚11.2～23.10 m。既有查驗(yàn)場(chǎng)地已進(jìn)行軟基處理，其中入島貨檢查場(chǎng)地和出島貨檢查驗(yàn)場(chǎng)地采用的是真空聯(lián)合堆載預(yù)壓，其余區(qū)域采用CFG 樁進(jìn)行軟基處理，處理深度均為28 m。改造時(shí)不再對(duì)既有場(chǎng)地進(jìn)行軟基加固，僅對(duì)新建場(chǎng)地進(jìn)行軟基處理。

新建查驗(yàn)場(chǎng)地現(xiàn)狀為休閑公園，場(chǎng)地處理邊界距查驗(yàn)場(chǎng)候車(chē)廳（待改建）約15 m；往南依次存在DN800污水管、3.2 m×1 m的雨水箱涵及9.4 m寬的綜合管廊；北側(cè)處理邊界存在中壓燃?xì)夤堋?/p>

1.2 工程地質(zhì)情況

珠海橫琴新區(qū)某新建場(chǎng)地項(xiàng)目工程主要是對(duì)現(xiàn)狀海關(guān)監(jiān)管作業(yè)場(chǎng)所的設(shè)施和設(shè)備進(jìn)行地基處理，本工程為新建海關(guān)汽車(chē)查驗(yàn)場(chǎng)，根據(jù)勘察結(jié)果，該查驗(yàn)場(chǎng)下存在厚層的軟土，測(cè)算劃定該地特殊路基處理范圍約7 144 m2。由于該查驗(yàn)場(chǎng)主要用作進(jìn)出口汽車(chē)的查驗(yàn)場(chǎng)地，根據(jù)檢測(cè)設(shè)備的精度、行車(chē)坡度及場(chǎng)地排水等要求，設(shè)計(jì)使用了與場(chǎng)區(qū)外主干路道路等級(jí)相同的沉降要求，即工后允許沉降≤30 cm。根據(jù)工程勘察結(jié)果，各巖層的巖土物理力學(xué)參數(shù)建議值見(jiàn)表1。場(chǎng)地的地層劃分為4 個(gè)大層、9 個(gè)亞層，詳細(xì)地層信息如下。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)建議值

（1）①1素填土：褐黃色、灰黃色，主要由花崗巖風(fēng)化土、中風(fēng)化花崗巖碎塊石等堆填而成，土質(zhì)不均勻，堆填年限為5～10年，基本完成自重固結(jié)，稍壓實(shí)，土質(zhì)稍濕；層底標(biāo)高為-4.43～1.10 m。

（2）①2沖填土：灰黑色為主，巖性主要為細(xì)砂，人工吹填形成，分選性好，級(jí)配較差，土質(zhì)飽和、松散；層底標(biāo)高為-9.91～-5.99 m。

（3）②1淤泥質(zhì)土：灰黑色，巖芯呈泥柱狀，上部填土自重固結(jié)以淤泥質(zhì)土形式產(chǎn)生，呈飽和流塑狀；層底標(biāo)高為-12.80～-3.70 m；淤泥質(zhì)土平均含水率為50.5%。

（4）②2淤泥：灰黑色，巖芯呈泥柱狀，難以直立，呈飽和流塑狀；層底標(biāo)高為-25.46～21.89 m。

（5）②3粉質(zhì)黏土：灰黃夾褐紅色，主要由粉黏粒組成，韌性及干強(qiáng)度中等，土質(zhì)濕、可塑；層底標(biāo)高為-26.19～-19.20 m。

（6）②4粗砂：灰白、黃褐色，巖性主要為粗砂，局部為細(xì)砂，分選性差，級(jí)配較好，砂質(zhì)飽和、稍密；層底標(biāo)高為-29.88～-24.30 m。

（7）②5淤泥質(zhì)土：灰黑色，巖芯呈泥柱狀，直立易倒；層底標(biāo)高為-31.64～-26.2 0 m。

（8）③礫質(zhì)黏性土：灰白、淺黃、磚紅等花斑雜色，由花崗巖風(fēng)化土殘積形成，土質(zhì)硬塑；層底標(biāo)高為-28.49～-30.43 m。

（9）④1全風(fēng)化花崗巖：灰白色為主，巖芯呈土柱狀，原巖結(jié)構(gòu)和層理尚可分辨，遇水易軟化，巖質(zhì)堅(jiān)硬狀；層底標(biāo)高為-35.23～-28.53 m。

1.3 地基處理設(shè)計(jì)方案比選

項(xiàng)目場(chǎng)地范圍內(nèi)淤泥、淤泥質(zhì)土較深厚，深厚軟土的處理方案一般可采取以下4種方式。

（1）真空堆載預(yù)壓。采用“D”形排水板，呈正方形布置，間距為1 m；排水板不穿透淤泥層，板長(zhǎng)約27.5 m。

（2）水泥攪拌樁。常規(guī)單軸、雙軸水泥攪拌樁處理深度多為20 m，處理深度不能穿透淤泥層，而采用三軸水泥攪拌樁實(shí)際處理深度可達(dá)30 m；樁徑選用650@450 mm，咬合20 cm，呈正方形布置，間距為2.4 m，穿透軟土層厚度不小于1 m，樁長(zhǎng)29 m。

（3）CFG 樁。采用C20混凝土樁身，樁徑為0.5 m，呈正方形布置，樁間距為1.8 m，穿透淤泥層不小于1 m，樁長(zhǎng)29 m。

（4）預(yù)應(yīng)力管樁。采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁，樁徑為0.4 m，呈正方形布置，樁間距為2.5 m，穿透淤泥層不小于1 m，樁長(zhǎng)29 m。

以上4 種軟基處理施工方案的特征匯總見(jiàn)表2?？紤]新建場(chǎng)地軟基處理邊界距既有候車(chē)廳、綜合管廊等構(gòu)筑物較近，如果采用真空堆載預(yù)壓處理方式，單價(jià)雖然較低，但是處理工期較長(zhǎng)，對(duì)周邊現(xiàn)狀構(gòu)筑物存在拉裂性破壞，因此不宜采用；如果采用CFG樁、預(yù)應(yīng)力管樁等處理方式，2種樁均為剛性樁，擠土效應(yīng)強(qiáng)，容易對(duì)周邊構(gòu)筑物產(chǎn)生擠壓破壞，而且造價(jià)較高。三軸水泥攪拌樁作為柔性樁，擠土效應(yīng)弱，在工期、造價(jià)方面均符合設(shè)計(jì)目標(biāo)（其特殊路基處理橫截面圖和平面示意圖如圖1和圖2所示）。

圖1 特殊路基處理橫斷面圖

圖2 特殊路基處理平面示意圖

表2 4種軟基處理施工方案的特征匯總

2 三軸水泥攪拌樁設(shè)計(jì)參數(shù)及施工工藝

橫琴大橋通道新建場(chǎng)地以DCZK5 孔位（地質(zhì)縱斷面見(jiàn)圖3）為最不利孔位，根據(jù)該孔位計(jì)算單樁承載力、復(fù)合地基承載力及工后沉降。本次采用樁徑為650@450 mm 的水泥攪拌樁，呈正方形布置，間距為2.4 m。樁頂標(biāo)高為2.0 m，樁底標(biāo)高為-26.96 m，有效樁長(zhǎng)約29 m。三軸咬合樁可換算為樁間距為2.4 m、直徑為1.05 m的水泥攪拌樁。

圖3 DCZK5地質(zhì)縱斷面

2.1 單樁豎向承載力特征值計(jì)算

單樁豎向承載力特征值的計(jì)算參照《公路軟土地基處治工程技術(shù)規(guī)范》（DB45_T 1972—2019）中的式7.1.5-3：

其中：up為樁的周長(zhǎng)，up=3.299 m；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa；lp為第i層土的厚度，m，按勘察報(bào)告取值；ap為樁端阻力發(fā)揮系數(shù)，α=0.40；qp為樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值，qp=700 kPa；Ap為樁的截面積，Ap=0.866 m2。將各項(xiàng)數(shù)值代入公式（1）可得：Ra1=3.299×（2.86×16+3.2×14+21.4×8+1.5×32）+0.40×700×0.866=1 264 kN

參照《公路軟土地基處治工程技術(shù)規(guī)范》中的式7.3.3：

其中：fcu為90 d 樁身水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，fcu=1.6 MPa；h為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，h=0.25。將數(shù)值代入公式（2），可得Ra2=0.25×1 600×0.866=346.4 kN。因此，單樁豎向承載力特征值取值為350 kN。

2.2 復(fù)合地基承載力計(jì)算

《公路軟土地基處治工程技術(shù)規(guī)范》中復(fù)合地基承載力的計(jì)算公式為

其中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值（kPa）；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，λ=1；m為面積置換率，m=15%；Ra為單樁豎向承載力特征值，Ra=350 kN；b為樁間土承載力折減系數(shù)，b=0.4；fsk為處理后樁間土承載力特征值（kPa），取天然地基承載力特征值，fsk=90 kPa。將各項(xiàng)數(shù)值代入公式（3），可得fspk=1×0.15×350÷0.866+0.4×（1-0.15）×90=91.22 kPa。復(fù)合地基承載力取值fspk=100 kPa，滿(mǎn)足地基承載力要求。根據(jù)理正巖土工程計(jì)算工后15年內(nèi)的沉降約為0.132 m，滿(mǎn)足一般路段道路沉降要求。

2.3 深厚軟土地基三軸水泥攪拌樁施工原理及工藝

由于沿海地區(qū)的軟土層深厚，承載力有限，重載荷作用下土體的累計(jì)總變形較大，嚴(yán)重超過(guò)設(shè)計(jì)及建筑的沉降要求。采用三軸水泥攪拌樁施工處理深厚軟土可以有效解決軟土硬化的問(wèn)題。深厚軟土地基采用三軸水泥攪拌樁的基本原理為將工程建筑范圍內(nèi)軟土體的上層進(jìn)行注漿硬化，由于該工程的土層深厚，普通作業(yè)方式難以進(jìn)行較大深度的注漿作業(yè)，因此根據(jù)該工程的特點(diǎn)，采用成樁孔位間距加密、深度加深的作業(yè)方案，該作業(yè)方式可形成一層壓縮性較小的偏剛性土層，提高混合土層的剛度，降低上層土體的變形程度。由于施工的樁體密度較大，可以等效為一個(gè)近似剛性的“筏板”覆蓋在深厚的軟土層上，在構(gòu)筑物載荷作用下，“筏板”增加了載荷的作用面積，能有效地降低土體受到的應(yīng)力，進(jìn)而滿(mǎn)足構(gòu)筑物對(duì)沉降的要求。針對(duì)本工程所處的工程地質(zhì)環(huán)境及構(gòu)筑物對(duì)沉降的要求，深厚軟土三軸攪拌樁施工工藝設(shè)計(jì)如下。

（1）三軸攪拌樁樁體水泥摻量為310 kg/m（水泥重量與被加固的軟土重量之比暫定為22%左右），水泥等級(jí)為42.5，水灰比為0.5～0.6。根據(jù)工程場(chǎng)區(qū)內(nèi)水泥與軟體的拌和試驗(yàn)及試樁等強(qiáng)度測(cè)試，以及考慮到該工程的軟土強(qiáng)度較低，應(yīng)適當(dāng)增加水泥的用量，因此該工程所采用的水灰比為0.5，其中水泥的使用量按照公式（4）進(jìn)行驗(yàn)算：

其中：M表示單排樁水泥用量（單排樁為咬合的三排樁），t；H為樁基長(zhǎng)度，m；S為單排樁截面積，取值1.6m2；P為本工程被攪拌土體密度；I為水泥添加量，取值20%。

（2）三軸水泥攪拌樁采用“二攪二噴”的施工工藝，具體工藝流程如下：攪拌機(jī)械就位、調(diào)平→頂攪下沉至設(shè)計(jì)加固深度→邊噴漿邊攪拌提升，直至預(yù)定的停漿面→重復(fù)攪拌下沉至設(shè)計(jì)加固深度→根據(jù)設(shè)計(jì)要求，噴漿或僅攪拌提升，直至預(yù)定的停漿面→關(guān)閉攪拌機(jī)械。

3 三軸水泥攪拌樁質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)

為了有效地評(píng)價(jià)三軸水泥攪拌樁的地基處理效果，本研究針對(duì)工程的特點(diǎn)對(duì)成樁質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，確保地基處理的效果滿(mǎn)足工程建筑的載荷要求。

（1）檢測(cè)內(nèi)容：樁長(zhǎng)、樁身完整性、28 d 樁身無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、地基承載力。

（2）檢測(cè)頻次：抽芯（樁總數(shù)量的0.5%，不少于3根）、靜載試驗(yàn)（樁總數(shù)量的0.1%，不少于3根）。

（3）檢測(cè)面積和數(shù)量：三軸攪拌樁場(chǎng)地處理面積約7 144 m2，三軸攪拌樁數(shù)量為952 根，選擇5 根抽芯，判定樁身完整性、樁長(zhǎng)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等；選擇3根抽芯檢測(cè)地基承載力。

（4）檢測(cè)成果：根據(jù)抽芯、靜載試驗(yàn)等檢測(cè)方式中90 d 水泥攪拌樁樁身無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿(mǎn)足不小于1.6 MPa的設(shè)計(jì)要求，可反算單樁承載力均大于350 kN；檢測(cè)點(diǎn)最大沉降及殘余沉降符合沉降要求，復(fù)合地基承載力不小于100 kPa，滿(mǎn)足承載力要求，抽芯芯樣及抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，地基承載力靜載試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。同時(shí)，進(jìn)行抽芯檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，芯樣完整，呈柱狀，水泥分布基本均勻，成樁質(zhì)量較好。

表3 抽芯芯樣及抗壓強(qiáng)度

由典型攪拌樁檢測(cè)成果可知，所有檢測(cè)的樁體成樁質(zhì)量良好，沒(méi)有出現(xiàn)斷樁及嚴(yán)重蜂窩麻面的病害，滿(mǎn)足樁體完整性的要求；地基承載力靜載試驗(yàn)的檢測(cè)樁體承載力同樣滿(mǎn)足要求。此外，樁體在極限載荷作用下，其沉降變形最大僅有4.04 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足查驗(yàn)場(chǎng)所限定的小于30 cm 的要求。綜上樁體檢測(cè)成果可以評(píng)估，本次查驗(yàn)場(chǎng)厚層軟土三軸水泥攪拌樁地基處理優(yōu)化方案具有的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)如下：滿(mǎn)足強(qiáng)度及沉降的基本要求，處理過(guò)程對(duì)周邊建筑及構(gòu)造物的影響較小，工程造價(jià)相對(duì)較低。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究以珠海橫琴新區(qū)某“二線(xiàn)”海關(guān)查驗(yàn)場(chǎng)項(xiàng)目為例，根據(jù)場(chǎng)地厚層軟土地基的工程概況，分析4種軟土地基處理的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，最終選用了三軸攪拌樁作為處理措施并進(jìn)行優(yōu)化。該方法在厚層軟基處理過(guò)程中具有擠土效應(yīng)弱、處理深度較大、沉降較小等優(yōu)勢(shì)。經(jīng)質(zhì)量檢測(cè)，處理深度≥25 m 時(shí)采用三軸攪拌樁?650@450 mm 水泥攪拌樁可保證樁身抗壓強(qiáng)度、地基承載力等滿(mǎn)足工程要求。在適用水泥攪拌樁處理的情況下，三軸水泥攪拌樁為深厚軟土層的處理提供了可行方案，本研究可為類(lèi)似工程提供設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和參考。