剛性樁復合地基在深層軟土治理中的應用

譚化川 許源華 黨 政

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

在我國西南地區，軟土廣泛存在于內地河湖、山間谷地，在該區域山區進行道路工程建設時，難免穿越軟土區域，須針對不同面積、不同厚度，以及不同性質的軟土，結合工程的特點選擇橋、路基等形式穿過軟土。目前軟土的治理技術相對成熟，治理方法及施工工藝也相對多樣[1]。本文主要研究填方路基基底為軟土的情形，結合項目特點，研究剛性樁復合地基在軟土基底處治中的應用。

1 工程概況

云南省某高速公路K10+658-K10+870段路基左側為填方路基，填筑于一山洼中，路基全長約220 m，填方設計坡比為1∶1.5～1∶1.75，左側最大填方高度22 m，原設計從造價及土石方調配情況來考慮，將該段道路設計為填方路基，以消耗棄方，減少投資。路基左側坡腳現存1條輸油管線與設計線位近平行布設，線路填方坡腳與輸油管線最小與距離約8 m，管徑300 mm，埋深約2 m，處于正常工作狀態。原設計填方坡腳設置6～10 m高路堤墻收坡保持與輸油管線的距離。

施工單位進場對該區域進行開挖后，現場揭示下挖5 m深度仍為軟土，場區積水。經補勘，該段路基上覆淤泥質黏土、含碎石粉質黏土，物理力學參數低，路基填筑存在整體失穩的風險，為確保路堤及輸油管線的安全，須對該路基基底的軟土進行加固處置。

2 軟土區形成背景及分布特點

2.1 軟土形成背景

場區位于滇中高原。地貌類型為侵蝕低中山地貌,水系屬長江流域金沙江水系。屬低緯度高原山地季風氣候,年平均降水量約為1 000.5 mm，全年干、濕季分明，年溫差不大而日溫差明顯。

場區位于揚子準地臺西部，微地貌地形起伏相對較大，且屬不均勻地基，故場區劃分為對建筑抗震不利地段。根據相關資料、規范，場區場地類別為II類，地震動反應譜特征周期為0.45 s，地震動峰值加速度為0.20g，場區地震基本烈度為VIII度。

2.2 工程地質條件

場區覆蓋層有沖洪積層(Qal+pl)淤泥質黏土：灰、灰黑色，軟塑狀，飽水，含少量水草腐植物根莖，具腥臭味，分部在場區洼地，鉆孔揭露厚度0.0～17.0 m。該淤泥質黏土重度γ=17 kN/m3，飽水狀態下黏聚力c=12 kPa， 內摩擦角φ=5°，地基容許承載力[fa0]=60 kPa，壓縮模量E=3.5 MPa，工程地質條件較差，在工程狀態下極易產生塑性變形或構造物的不均勻沉降，填方路堤存在沿該層失穩的風險。

場區周邊坡面覆蓋層為殘坡積層(Qel+dl)碎石土：褐黃色、黃色，稍濕、稍密，碎石成份主要為砂巖、泥巖，粒徑0.5～15 cm，含量65%，場區附近均有分布，厚度0.0～10.0 m。正常工況下，碎石土層重度γ=19 kN/m3，黏聚力c=14 kPa， 內摩擦角φ=18°，地基容許承載力[fa0]=300 kPa。

場區下伏基巖為泥盆系上統宰格組(D3z)白云巖、泥盆系中統海口組(D2h)砂巖。根據巖體的節理、裂隙發育特征、巖體完整程度、軟硬程度、風化程度，將基巖劃分為強、中風化2層，巖土力學特征較好。

3 填方路堤穩定性評價

根據現場調查及勘察資料，參照國內相關工程技術規范[2]，對該段路基選取典型剖面采用簡化Bishop法進行填方路基和地基的穩定性計算，計算斷面見圖1，路堤沿軟弱層滑動的穩定性計算采用安全系數為正常工況1.3、暴雨工況1.2，地震工況1.15。

根據填方邊坡坡形特征及工程地質條件，結合計算分析及工程類比，該邊坡可能為填方體沿基底軟弱層整體剪出破壞，采用圓弧滑動法對各種破壞形式潛在滑動面進行自動搜索，得到最危險潛在滑動面。本文使用“理正巖土”軟件對路堤進行穩定性計算。

圖1 典型計算斷面圖(尺寸單位：m)

在正常工況、暴雨工況、地震工況下通過理正軟件自動搜索計算斷面的最不利滑動面，斷面穩定性計算結果見表1。

表1 填方路堤剖面剩余下滑力(治理前)

由表1可見，邊坡在防護前，填方路堤在正常工況、暴雨工況和地震工況下最不利滑動面系數均小于1，填方路堤填筑后均處于不穩定狀態，采用規范規定的路堤穩定性系數計算路堤在不同工況下剩余下滑力均大于5 000 kN,采用常規的軟土換填、坡腳支擋等方案難以達到治理效果，由于坡腳外側附近還存在輸油管線，因此，軟土基底治理的方案既要保證填方路基填筑后的整體穩定，還要保證施工過程中不能對土體形成大的擾動，確保輸油管線不受影響。

4 軟土加固治理方案研究

4.1 治理方案選取

軟土地基的治理，可根據厚度劃分為淺層軟土(≤于3 m)和深層軟土(>3 m)[3]，由于淺層軟土固結沉降量小，滑動破壞的危險性一般也較小，主要以砂墊層法、穩定劑處治法、換填法、強夯法、反壓護道法、拋石擠淤法等為主；而對于深層軟土層，一般使用垂直排水、擠實砂樁、樁基復合地基等方法配合淺層處理方法來進行[4-5]。

本文所研究的填方路堤基底軟土厚度為6～18 m，屬深層軟土，換填、強夯等方法難以達到治理的效果；又受輸油管線的影響，無法對填方路基采取反壓護道、拋石擠淤等方法進行治理；為避免施工過程中施工振動對輸油管線結構的破壞，須選用對周邊土體影響較小的旋挖灌注樁或長螺旋灌注樁的施工工藝。在CFG樁與剛性樁2種類型的選擇上，由于工地附近難以購買到粉煤灰，現場施工工期緊，綜合各方面因素，經計算，本段軟土基底選擇C25素混凝土灌注樁復合地基處治方案，采用長螺旋鉆進施工對該段軟土基底進行施工。

4.2 方案研究及計算

研究的填方路基在坡腳處設置了擋墻收坡，避免路基放坡壓覆輸油管線，因此軟土基底治理劃分為2部分：①填方體治理區域；②路堤墻基礎治理區域。具體區域劃分見圖2。調整后擋墻高度5～7 m，擋墻地基承載力須大于230 kPa，擋墻區域設置0.5 m孔徑C25素混凝土樁基，樁間距1.5 m，正三角形布置，樁基置換率為0.1，擋墻區域有效樁長≥4 m，樁基嵌入基巖不小于1.0 m；填方區域設置0.5 m孔徑C25素混凝土樁基，樁間距2.0 m，正方形布置，樁基置換率為0.049，路基區域有效樁長≥6 m，樁基嵌入基巖不小于1.0 m。

圖2 軟土治理區域劃分平面圖

樁基參數中剛性樁的綜合抗剪強度τ1可取28 d無側限抗壓強度的1/2， C25素混凝土樁的設計抗壓強度為11.9 MPa，其綜合抗剪強度τ1為5 950 kPa。經計算，擋墻區域復合地基的綜合抗剪強度τ2為：5 950 kPa×0.10=595 kPa，填方體區域復合地基綜合抗剪強度τ3為5 950 kPa×0.049=291 kPa。考慮到樁周土地質條件差，受剪時樁與樁周土存在相對位移，同時成樁過程中存在縮徑、斷樁的可能，根據西南山區復合地基成樁經驗，綜合抗剪強度按照0.7進行折減，復合地基整體抗剪強度分別為τ2=416，τ3=203 kPa。

采用簡化Bishop法對治理后的填方路基和地基進行穩定性計算，計算斷面見圖1，根據上文的研究，治理方案中軟土基底治理區域劃分為擋墻治理區(擋墻基礎下伏軟土基底)及填方路基治理區(除擋墻治理范圍以外的填方區)，計算時將橫斷面中設置C25素混凝土樁區域的計算抗剪指標參數由黏聚力c、 內摩擦角φ替換為十字板不排水抗剪強度τ進行穩定性驗算，擋墻治理區及路基治理區的復合地基抗剪強度τ2、τ3分別為416，203 kPa，采用理正巖土軟件計算不同工況下剩余下滑力值。

軟土地基經過治理后，根據GB/T 50783-2012要求計算得出：C25素混凝土樁單樁承載力標準值≥640 kN，設計復合地基填方區承載力標準值≥0.20 MPa，擋墻區承載力標準值≥0.25 MPa，處治后的地基承載力均能滿足擋墻及填方路堤的要求；典型斷面整體穩定性計算結果見表2。

表2 填方路堤剖面剩余下滑力(治理前后對比)

由表2可見，橫斷面在各種工況下剩余下滑力均小于0，治理后路基和地基處于整體穩定狀態，達到了路基的治理效果，且采用長螺旋灌注樁進行施工對周邊土體擾動小，可確保輸油管線的正常運營；因此，該段軟土路基采用設置C25素混凝土樁復合地基的治理方案是可行的。

4.3 方案實施注意事項

樁施工前必須先進行成樁試驗，樁孔內灌入的混凝土量按每根樁填料量的1.2倍計。樁施工應由路中線向填方邊緣兩側進行，先施工填方區域樁基，后施工擋墻區域樁基，施工過程中要對輸油管線附近場地進行監測，防止施工擾動對輸油管線造成影響。樁施工前應對場地回填0.5 m挖方石渣預壓，施工完成后在樁基頂部鋪墊一層0.3 m厚的碎石褥墊層，壓實度不小于93%。在填方區軟墊層頂面鋪設一層土工格柵，在陡斜坡面超挖4 m反向平臺。填方體填料采用巖土力學性質較好的挖方石渣填筑，分層鋪填，采用大噸位壓路機碾壓壓實，填筑至路床時，在路床范圍設置2層土工格柵，以降低路基不均勻沉降。

5 結語

1) 軟土基底處治在工程建設中常見，須在勘察設計階段做好勘察設計工作，對治理方案進行合理的比選；在施工階段保證施工質量，避免給后期運營遺留病害。

2) 本文中軟土層厚度大，同時受輸油管線的影響，既要保證路基的穩定，又要保證輸油管線的安全，軟土治理的條件限制大；經比選確定采用C25素混凝土樁復合地基方案加固土體，并采用長螺旋灌注樁工藝，滿足現場施工條件的需求。

3) 復合地基施工完成以后，在樁基頂部鋪墊一層0.3 m厚的碎石褥墊層，并在墊層頂面鋪設一層土工格柵，在陡斜坡面超挖4 m平臺臺階，且在路床范圍設置2層土工格柵，增強路堤的整體穩定性，減小不均勻沉降，達到深層治理+淺層處理的目的。

4) 本文軟土路基的治理，不僅豐富了軟土路基治理的案例，也可為后期其他工程遇類似的情況提供參考。