雙向加筋復(fù)合地基處理技術(shù)在路基施工中的應(yīng)用

黨 東

中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司

1 引言

地基處理是工程項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中的基礎(chǔ)性工作，需要打牢穩(wěn)固的基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)高層建筑的可靠承載。工程建設(shè)過(guò)程中，涌現(xiàn)出了多種地基處理技術(shù)，其水平的高低直接影響著建筑物的建設(shè)質(zhì)量和壽命長(zhǎng)短。地基處理方法的選擇要根據(jù)其上建筑物或道路的建設(shè)要求對(duì)地基的要求來(lái)選擇，常用的方法有孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法、換填墊層法、水泥土攪拌法、灰土擠密樁法等，這些方法的共同特點(diǎn)是對(duì)地基進(jìn)行必要的加固或改良，提高地基的承載力和穩(wěn)固性，消除不同程度的濕陷性。這些地基處理方法在應(yīng)用的時(shí)候，僅在水平方向上加筋或者僅在垂直方向上加筋，能夠最大限度降低施工成本，也能夠滿(mǎn)足一般的使用需求。

“土工格室+石柱樁（geocell+stone column）”的雙向加筋復(fù)合地基處理技術(shù)是在單向加筋地基處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，近年來(lái)在道路工程建設(shè)過(guò)程中獲得了廣泛的應(yīng)用。這種地基處理技術(shù)是在石柱復(fù)合地基頂部鋪設(shè)土工格室并附加加筋碎石墊層，既具有水平加筋的優(yōu)點(diǎn)，又能發(fā)揮垂直加筋的作用，在高速公路路基修筑、惡劣黃土沉降地基處理的方面，都取得了比較好的應(yīng)用效果。

這種雙向加筋復(fù)合地基處理技術(shù)需要的沉降觀測(cè)理論和承載力計(jì)算理論更加復(fù)雜，目前還沒(méi)有精確的框架體系，需要結(jié)合地基受力分析結(jié)果不斷進(jìn)行完善。本文結(jié)合傳統(tǒng)的地基處理單向加筋理論，在詳細(xì)論述“土工格室+石柱樁”雙向加筋復(fù)合地基處理技術(shù)的工作原理與施工方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體工程案例，研究了這種技術(shù)在道路工程建設(shè)過(guò)程中的應(yīng)用。

2 工作原理與施工方法

2.1 工作原理

“土工格室+石柱樁”雙向加筋復(fù)合地基處理技術(shù)中，由單層土工合成材料（如土工織物、土工格柵、土工格室等）或多層土工合成材料組成的土工合成材料加筋層鋪設(shè)在礫石墊層上，發(fā)揮著水平加筋層的作用，并具有其他一些特殊的性能，比如對(duì)側(cè)向土壤產(chǎn)生約束、分散上部應(yīng)力，同時(shí)還起著凈吊索和隔離的作用；石柱作為豎向加筋層，進(jìn)一步提高了地基的承載力，并有效減少了路堤的位移；同時(shí)，兩者相互作用，還能夠發(fā)揮限制水土流動(dòng)的作用，進(jìn)一步提升地基的支承能力。

有學(xué)者指出，這種雙向加筋地基處理技術(shù)在水平方向上有效利用了土工合成材料的張拉膜效應(yīng)、在垂直方向上有效利用了石柱對(duì)土工材料的支撐作用，因此，可以最大限度提高地基的承載和支撐能力。有工程項(xiàng)目利用這種處理技術(shù)上對(duì)地基進(jìn)行處理后設(shè)計(jì)了雙向排水系統(tǒng)，這種排水系統(tǒng)由石柱和土工合成材料加筋礫石墊層組成，達(dá)到了穩(wěn)固地同時(shí)向兩個(gè)方向進(jìn)行排水的設(shè)計(jì)目的。因此，采用“土工格室+石柱樁”雙向加筋技術(shù)處理地基，可以獲得以下明顯的優(yōu)勢(shì)：（1）同時(shí)發(fā)揮樁（如石柱）和墊層（如土工格室+碎石墊層）的綜合作用，有利于降低預(yù)算開(kāi)支；（2）有效降低側(cè)向土壓力，減少側(cè)向土移動(dòng)的可能性，獲得良好的地基固定效果；（3）具有更大的樁距，與常規(guī)樁復(fù)合地基相比更具競(jìng)爭(zhēng)力。

2.2 施工方法

在“土工格室+石柱樁”雙向加筋復(fù)合地基處理技術(shù)中，土工格室和石柱樁共同發(fā)揮著提高地基承載力和支承力的作用。

2.2.1 土工格室的設(shè)計(jì)和制作

一般根據(jù)地基承載力的設(shè)計(jì)值和路堤位移偏差的控制值來(lái)選擇土工格室的規(guī)格，一般控制在10cm~15cm高度之內(nèi)。有時(shí)，為了進(jìn)一步提升土工格室的水平承載力，可以對(duì)土工格室進(jìn)行分層填充，比如填充最大粒度＜3cm的粗粒骨料，并且分別在上下格室鋪設(shè)厚度為10cm~20cm 的沙礫墊層，以此來(lái)提高承力強(qiáng)度。

2.2.2 石柱樁的設(shè)計(jì)和制作

（1）做好石柱樁的幾何尺寸的設(shè)計(jì)。一般需要根據(jù)施工設(shè)備工作能力和軟土地基強(qiáng)度等數(shù)據(jù)來(lái)選擇石柱樁徑，一般控制在Φ280~Φ510范圍內(nèi)；根據(jù)需要加固的軟土土層厚度選擇石柱樁長(zhǎng)，有時(shí)標(biāo)準(zhǔn)樁長(zhǎng)滿(mǎn)足不了使用需求，可以采用分段控制的方法來(lái)進(jìn)行處理。進(jìn)行分段控制時(shí)，首先對(duì)軟土層的厚度進(jìn)行測(cè)量，一般以8m 厚度作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)軟土層厚度小于8m 時(shí)，樁體應(yīng)垂直穿過(guò)軟土，否則應(yīng)該取長(zhǎng)度為8m的多根樁進(jìn)行分段穿插。（2）做好石柱樁的平面布置設(shè)計(jì)。石柱樁在施工過(guò)程中一般布設(shè)成等邊三角形或者正方形的形式，三角形或正方形的邊長(zhǎng)（也就是樁間距）需要對(duì)承載力進(jìn)行計(jì)算后確定，同時(shí)還應(yīng)該適當(dāng)考慮到樁的變形尺寸。一般來(lái)說(shuō)，樁間距通常控制在1.1~1.5m 的范圍內(nèi)。另外，石柱樁的布設(shè)應(yīng)沿路線(xiàn)向前方向超出設(shè)計(jì)鋼筋長(zhǎng)度2~3行，并沿道路橫截面方向超出基礎(chǔ)寬度2行。（3）做好石柱樁的材料選擇。通常根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇Φ＜50mm的沙子（如中等粗砂和礫石砂，其泥漿含量一般小于5%）、石頭（如礫石、卵石、碎石）等材料混合后澆注石柱樁，這樣澆注出的石柱樁具有良好的自穩(wěn)定性，并且通過(guò)控制澆注過(guò)程中的水量還可以控制石柱樁的硬度。

2.2.3 施工操作要點(diǎn)

完成了土工格室和石柱樁的設(shè)計(jì)和制作之后，這種雙向加筋復(fù)合地基處理技術(shù)一般按照?qǐng)D1中所示的流程進(jìn)行施工。

圖1 施工流程

按照以上流程進(jìn)行施工的過(guò)程中，為防止樁身破碎和頸縮，應(yīng)設(shè)置合理的插補(bǔ)量，合理地分組管理樁料，并保證樁體的圓滿(mǎn)。同時(shí)，不宜采用提速快的管道，以免影響樁身的壓實(shí)和成樁質(zhì)量，應(yīng)在振動(dòng)較大的情況下將其緩慢拉起，拉管速度應(yīng)控制在1m/min以?xún)?nèi)，振動(dòng)時(shí)間應(yīng)控制在1min以上。為確保土工格室填筑物完全壓實(shí)，應(yīng)從土工格室側(cè)向中間輸入填土物，并避免在行駛時(shí)設(shè)備破壞土工取消網(wǎng)格。石柱樁連接的接頭形式需要考慮到操作的靈活性和承力特性，一般可以采用現(xiàn)場(chǎng)焊接接頭、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)鉚接接頭、穿孔倒縫接頭、專(zhuān)用插入式接頭等的形式。在施工過(guò)程中，應(yīng)控制滲透性，使用黏土含量和有機(jī)物含量經(jīng)檢測(cè)均合格的墊層材料，且墊層表面應(yīng)光滑無(wú)坑。另外，砂礫石墊層的底部需要設(shè)置向外的橫降，確保橫向斜率≥3%。

2.2.4 施工質(zhì)量控制措施

（1）按照規(guī)范進(jìn)行成樁試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，并獲得大面積正式施工前的進(jìn)料厚度、振動(dòng)時(shí)間、上水速度等施工工藝控制參數(shù)。（2）在進(jìn)行土工格施工時(shí)，確保土工格以最佳壓實(shí)度填充土工格，并確保土工格的張力達(dá)到所需的尺寸。（3）為保證路堤穩(wěn)定性和承載力要求，應(yīng)采取有效減少地下水的排水措施，在地下水位較高的情況下，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以保證排水不會(huì)淹沒(méi)或沖擊路基，也不會(huì)反向灌溉。

3 工程應(yīng)用案例

3.1 項(xiàng)目概況

某高速公路項(xiàng)目地處山西省北部，圍繞汾河流域建設(shè)，全長(zhǎng)52km，其中很大一部分路線(xiàn)修建在河水沖積地帶上，屬于典型的軟土性質(zhì)地基，在建設(shè)過(guò)程中需要對(duì)地基采用可靠的加固方式進(jìn)行處理，才能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2 軟土地基基本情況

該段施工區(qū)域經(jīng)過(guò)地質(zhì)勘測(cè)后，發(fā)現(xiàn)地基軟土分布范圍廣、深度差異大，同時(shí)經(jīng)過(guò)測(cè)算發(fā)現(xiàn)承載力較小、在設(shè)計(jì)載荷作用下軟土形變較大，不能滿(mǎn)足使用要求。另外，沿線(xiàn)軟土大都位于黃土高原或山間河谷中，沖洪積或地下水浸泡成因較多，軟土地層的物理力學(xué)指標(biāo)變化較大，其含水量較低，內(nèi)摩擦角偏高，具有分布不均、含有機(jī)質(zhì)及含砂夾層等特點(diǎn)。

選取某一段路基進(jìn)行采樣開(kāi)挖，可以發(fā)現(xiàn)這種地基土層分布由上而下依次是：地表下0.3m~0.6m屬于厚耕植土，含有較深色軟土，越往下深度持續(xù)增加，有機(jī)質(zhì)變多，大約在1m處開(kāi)始出現(xiàn)含水量較大的砂卵石層。

采用儀器對(duì)該段軟土土質(zhì)進(jìn)行測(cè)量并計(jì)算，可以得到軟土質(zhì)量如表1所示。

表1 軟土土質(zhì)抽樣

根據(jù)以上軟土土質(zhì)抽樣數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析，最終確定采用“土工格室+石柱樁”雙向加筋復(fù)合技術(shù)對(duì)軟土地基進(jìn)行處理。

3.3 軟土處理方案

結(jié)合“土工格室+石柱樁”雙向加筋復(fù)合技術(shù)的特點(diǎn)，該項(xiàng)目確定的施工方案如下。

（1）對(duì)于軟土深度沿路基橫剖面方向分布均勻的軟土層：①當(dāng)縱向深度小于5m 時(shí)，采用土工格室墊層或碎石樁處理；②當(dāng)縱向深度大于5m時(shí)，根據(jù)具體工程地質(zhì)勘測(cè)情況采用不同長(zhǎng)度碎石樁配以土工格室墊層的方法進(jìn)行處理。

（2）對(duì)于軟土深度沿路基橫剖面方向分布不均勻的軟土層：①當(dāng)縱向深度小于3m 時(shí)，采用挖土換填的方式進(jìn)行處理；②當(dāng)縱向深度在3m到4m之間時(shí)，采用上部不換填、下部利用碎石樁或者土工格室墊層的方式進(jìn)行處理；③當(dāng)縱向深度大于4m 時(shí)，采用上部不換填、下部集中采用碎石樁并輔以土工格室墊層的方式進(jìn)行處理。

振動(dòng)沉管碎石樁的布置范圍：沿路線(xiàn)方向應(yīng)超出設(shè)計(jì)加固長(zhǎng)度2~3排，沿道路橫斷面應(yīng)超出基底寬度2排。樁的平面布置形式采用正三角形，梅花形布置。樁長(zhǎng)采用分段控制的方法。如果地基軟土深度≤8m，碎石樁應(yīng)穿過(guò)軟土層，達(dá)到持力層，建議進(jìn)入持力層20cm~40cm，如果地基軟土深度>8m,碎石樁樁長(zhǎng)為8m。采用直徑325樁管施工，配385的大頭型活瓣式樁尖。樁間距為1.5m。振動(dòng)沉管碎石樁樁體材料采用未風(fēng)化干凈礫石。礫石粒徑為20mm~40mm，自然級(jí)配，含泥量<5%。

3.4 軟土處理效果

采用以上軟土地基處理方法后，結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的各種數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，處理之后的地基無(wú)論是碎石樁的平均應(yīng)力還是地基承受載荷的能力都得到了很大提升，能夠滿(mǎn)足公路建設(shè)的指標(biāo)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

“土工格室+石柱樁”雙向加筋復(fù)合地基處理技術(shù)在實(shí)際中獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，尤其能夠最大限度發(fā)揮水平方向上土工合成材料的張拉膜效應(yīng)、垂直方向上石柱對(duì)土工材料的支撐作用有關(guān)。本文在對(duì)“土工格室+石柱樁”雙向加筋復(fù)合地基處理技術(shù)的工作原理和施工方法進(jìn)行論述的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體項(xiàng)目，分析了這種技術(shù)的應(yīng)用步驟和效果，為類(lèi)似工程項(xiàng)目的實(shí)施提供了理論上的借鑒。