高速公路大型預制堆載場地地基處治方法比選運用

苗秋福

（山西路橋建設集團有限公司 陽泉分公司，山西 陽泉 045000）

隨著高速公路的飛速發展，高速公路建設施工技術和管理水平有了較大的提高，較好地完成了建設目標，但是施工過程中也暴露了施工期間控制能力不足，出現不少的質量問題，質量通病層出不窮。實踐證明，推行高速公路標準化施工，加強施工過程監控是確保高速公路建設質量的有效措施。標準化施工包括標準化管理、標準化施工工藝流程、標準化預制構件等等。其中標準化預制構件就需要大型的預制工廠，統一進行預制構件的生產。為了保證施工的不中斷及預制施工安全性等，預制場地本身的安全性尤為重要，其中堆載場地基穩定是不可忽視的主要因素之一。

1 堆載場地地基處治目的和作用

地基所面臨的問題主要有以下幾個方面：a）承載力及穩定性問題；b）壓縮及不均勻沉降問題；c）滲漏問題；d）液化問題；e）特殊土的特殊問題。當天然地基存在上述五類問題之一或其中幾個同時出現時，需采用地基處理措施以保證上部結構的安全與正常使用。

2 堆載場地地基處治原理

地基剪切破壞的具體表現形式有建筑物的地基承載力不夠，由于偏心荷載或側向土壓力的作用使結構失穩；由于填土或建筑物荷載，使鄰近地基產生隆起；土方開挖時邊坡失穩基坑開挖時坑底隆起。地基土的剪切破壞主要因為地基土的抗剪強度不足，因此，為防止剪切破壞，就需要采取一定的措施提高地基土的抗剪強度，提高地基土的壓縮模量，以減少地基的沉降和不均勻沉降。對于濕陷性黃土和膨脹土，就是消除或減少黃土的濕陷性或膨脹土的脹縮性。

3 工程概況

某高速公路大型預制堆載場地，跨度L=24.0 m，柱基礎底面寬度b=4.0 m，基礎埋深d=2.0 m，地基土0～30.0 m為粉質黏土、黏土，平均壓縮模量Es=7.0 MPa，30.0 m以下為砂卵石及砂巖層，未見地下水。堆載縱向長度a=48.0 m，地面堆載荷載q=65.0 kPa，周圍無其他建構筑物。

圖1 地面堆載圖（單位：cm）

在地面堆載荷載作用下，柱基內側邊緣處地基必然產生附加沉降，從而影響柱基產生不均勻沉降變形。當沉降變形超過一定的限值時，柱基沉降變形易造成上部結構破壞，給施工人員帶來安全隱患，中斷作業，從而影響高速公路建設工期等。

4 沉降變形計算

為避免柱基在地面堆載作用下出現較大的沉降變形，對堆載作用下柱基內側邊緣進行沉降變形計算分析。本文柱基內側邊緣中點處地基附加沉降變形按應力面積法進行計算，計算深度取30 m，公式[1]如式（1）：

式中：S為沉降變形量；n為沉降變形深度內的土層層數；p0為基底下的附加應力，kPa；Esi為基底下第i層土的壓縮模量，MPa；zi、zi-1為基底下至第i層土、第i-1層土底面的距離，為基底下計算點至第i層土、第i-1層土底面范圍內平均附加應力系數[1]。

根據建筑地基基礎設計規范附錄N，荷載范圍橫向寬度24 m，超過柱基寬度4 m的5倍，按5倍荷載柱基礎寬度進行計算分析。荷載柱基礎兩側地面荷載計算時以每段0.5倍基礎寬度為原則劃分為10個區間，并計算等效均布地面堆載。等效均布地面堆載荷載按公式（2）進行計算：

式中：qep為等效均布地面荷載，kPa；βi為第 i區間的荷載換算系數，按建筑地基基礎設計規范查取；qi為荷載柱基內側第i區間的荷載值，kPa；pi為荷載柱基外側第i區間的荷載值，kPa。

根據a/5b=48/(5×4)=2.5＞1，查建筑地基基礎設計規范附錄N得各個區間的換算系數βi。

等效均布地面荷載計算為：

計算荷載柱基內側邊緣中點的沉降變形量時，將荷載面積48 m×20 m分為兩個24 m×20 m，總的附加應力系數為小矩形附加應力系數的2倍。附加應力系數見表1。

表1 附加應力系數表

根據沉降變形計算公式得荷載柱基內側邊緣中點的沉降變形量為：

查建筑地基基礎設計規范7.5.5表，a=48.0 m，b=4.0 m，地基附加沉降允許值[S'g]=79.0 mm，S'=91.55 mm＞[S'g]=79.0 mm，不滿足規范要求。

5 沉降處治方案比選

根據計算，在地面堆載荷載作用下，柱基內側邊緣中點的附加沉降量大于地基附加沉降允許值，不滿足規范要求，需對地基進行處理。為了消除地基的附加沉降變形量，擬定3個設計方案進行比選論證，最終確定處理方案。

5.1 堆載預壓方案

5.2 強夯法方案

強夯法[4-5]又稱動力固結法，可以適用加固各類粉土、砂性土、一般黏性土、黃土等，尤其適應加固大塊碎石類土及建筑生活垃圾或工業廢料組成的雜填土。考慮預制場地的適宜性，本文強夯法方案采用1 000 kN·m的夯擊能以梅花型布置對預制場地基土進行夯擊，第一遍夯擊點間距可取夯錘直徑的2.5～3.5倍，第二遍夯擊點應位于與第一遍夯擊點之間，夯擊能為600 kN·m。兩遍夯擊之間應有一定的時間間隔，間隔時間由土中超孔隙水壓力的消散時間決定，本文無地下水，土質含水量較低，可根據現場試驗進行確定。強夯處理范圍每邊超出柱基外緣寬度3 m。當最后兩次夯擊的平均夯擊沉降量小于等于5 cm時可以停止夯擊，強夯結束時間初步估計為15 d。

5.3 灰土擠密樁方案

灰土擠密樁[6]是由樁間擠密土和灰土樁樁體一起承擔上部荷載的復合地基，其能夠較大地提高地基土的承載力特征值和增強地基水穩定性。考慮提高地基承載力，減小地基沉降，對預制場地地基采用灰土擠密樁進行處理。灰土擠密樁樁徑500 mm，樁長12 m，樁孔呈等邊三角型布置，處理范圍為預制場地兩側各加6 m。經過灰土擠密樁擠密及置換作用后，樁間土地基承載力特征值得到提高，土的壓縮模量增大，預制場地基沉降有效減少。考慮樁施工完畢后14～28 d才能進行承載力檢測，故復合地基方案結束時間初步估計1個月以上。

6 堆載場地處理方法優缺點對比

堆載預壓方案優點是工程造價相對較低、施工方便、技術要求較低等，缺點是工期長、處治效果不佳；灰土擠密樁方案優點是能夠有效提高地基承載力和壓縮模量，減少地基沉降，處理效果好，缺點是工程造價高、施工復雜、工期相對較長等；強夯方案優點工程造價相對較低、施工方便、工期較短，缺點是易對周圍建筑物產生振動影響。

根據上述地基沉降計算可知，未處理前地基沉降超高允許沉降約12 mm，要求處理的沉降量較小。預制場地經3種方案處理后均能滿足規范要求，但灰土擠密樁方案及堆載預壓方案工程造價相對較高、工期較長，綜合考慮采用強夯方案。

7 處治效果

8 結語

根據強夯后沉降變形量計算結果可知，采用強夯法處理堆載場地后其沉降變形能夠滿足相關規范要求，有效地節約了工期，降低了工程成本，保證了工程質量，取得了較好的工程效果。強夯法由于其施工方便、工程成本較低，能夠有效減少地基沉降、提高地基的承載力及地基壓縮模量等，現已廣泛用于各類土建工程中，處治效果較好。