輕質填料聯合水泥攪拌樁處理深厚軟土研究

強 華，湯友文

(1.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210019；2.南京市公共工程建設中心，江蘇 南京 210000)

0 引 言

我國東部沿海地區分布有深厚軟土，這些路段淤泥、淤泥質土分布段落廣，厚度大，具備高含水率、高壓縮性、高孔隙比、力學性質差等特點，隨著經濟的不斷發展，在這些路段上修建道路工程將不可避免。對于軟土地基的處理一般有以下辦法，一是采用輕質填料降低地基內的附加應力，二是采用豎向增強體復合地基對天然地基部分土體進行加固，或兩者兼有之。泡沫輕質土與傳統路基填料相比具有不可壓縮及高強特性，能有效降低地基應力，達到控制工后沉降的目地。采用豎向增強體復合地基處理軟土常規的思路是要打穿軟土，保證樁端持力層位于承載力較高、低壓縮土層上。而對于深厚軟土的處理通常優先采用剛性樁處理，但剛性樁需要大型運輸、機械設備進行運輸施工，造價遠高于柔性樁，同時還會產生土拱效應和擠土效應。本文結合實際工程項目，在滿足沉降和穩定計算的情況下，驗證采用泡沫輕質土聯合加固部分深度軟土的水泥攪拌樁對深厚軟土進行處理的效果。

1 工程概況

357省道丹陽至常州機場段建設工程全線采用雙向六車道一級公路標準，設計速度100 km/h。起點城區段為解決S357與南二環路及齊梁路的快速交通轉換設置了南二環樞紐互通和齊梁路互通(互通間距600 m)，其中現狀南二環路及齊梁路由于連續跨越京滬高鐵和京杭大運河，在互通節點處均為高架橋梁，因此匝道橋頭填土高度較高。根據本項目詳勘報告揭露，互通匝道橋頭路基區域分布有深厚軟土，軟土層厚15～25 m，不同橋位處軟土埋深變化較大，軟土層頂埋深1.0～5.0 m。橋頭路基填土高度4.5～6 m，為保證行車安全及舒適性，需加強對橋頭路基下軟土地基的處理。

表1 物理力學性質指標表

續表1右

圖1 南二環、齊梁路互通橋頭路基處理位置

2 項目特點

互通區主線均下穿被交路，路基填土高度普遍不高約1.0～2.0 m，基本不需要處理，填土較高的路段主要位于匝道橋頭，匝道斷面寬度9.0 m，因此本項目軟基處理總規模不大。

地基處理位于橋頭路段，路基工后沉降要求嚴格，根據規范要求，一級公路橋頭路基工后沉降不大于10 cm，縱向差異沉降引起的縱坡變化應控制在0.4%以內。

項目區域軟土埋深較淺，厚度較厚，埋深及層厚變化也較大，場地條件復雜。

基于以上特點，本項目設計時應合理選擇地基處理方案，同時應兼顧考慮后期施工、檢測的方便快捷，合理歸并方案種類。

3 軟基處理方案的選擇

根據項目詳勘成果，本項目互通區橋頭路基范圍內軟土層上部均分布有一層厚度不均的粉土層，屬于典型的硬殼層地基。根據國內外工程界的研究，硬殼層地基承載一般分為3個承載階段。

(1)路堤填高小于一定高度時處于彈性承載階段，此時上部荷載主要由硬殼層承擔并將應力擴散至路堤外，地基總沉降量很小；

(2)路堤填高大于一定高度時，進入塑性變形階段，此時硬殼層應力擴散作用減小，軟土較①承受較大的附加應力，地基總沉降大幅增加；

(3)路堤填高超過極限高度時進入極限承載狀態，此時軟土變形較②更加大，但由于硬殼層和軟土存在的強度值和剛度值差異較大，應力主要集中于硬殼層和上部軟土中，因此該階段相較無硬殼層地基，地基總沉降量還是較小。

由上述3個階段的特點可以看出，只有利用硬殼層地基的彈性工作狀態才能充分發揮其承載和應力擴散作用。硬殼層地基的彈性工作狀態的路堤填土高度約為地基厚度的1.25倍，但準確的定量分析還需要進一步的研究。考慮現實中工程的重要性，實際運用時應對該值適當降低，以保障工程主體的安全和穩定。

本項目為充分利用硬殼層，同時綜合考慮硬殼層地基分布段落、軟土分布情況、地基處理總體規模、施工組織和檢驗檢測的便捷等因素，經技術經濟比較后推薦采用不超過兩種方式進行地基處理，即泡沫土和水泥攪拌樁。

表2 不同處理方案技術經濟比較表

接表2右

表2中齊梁路互通J匝道橋頭路基段由于硬殼層厚度較薄，單純采用泡沫輕質土經計算無法滿足沉降和穩定的要求，且軟土層底埋深超過15 m，因此設計方案采用泡沫土填筑路基以降低地基內附加應力，同時采用水泥攪拌樁加固部分軟土，經計算沉降和穩定均滿足規范要求，與傳統采用管樁處理的方式相比，造價也有節約。

4 泡沫輕質土及水泥攪拌樁設計

4.1 泡沫輕質土技術指標

泡沫輕質土濕密度級別取D600，強度等級取F0.8，泡沫標準密度取50 kg/m3，流值取170 mm，發泡倍率不低于1 200，消泡試驗泡沫輕質土濕密度增加率不超過10%，泡沫輕質土標準沉降率低于3%。

4.2 單樁承載力計算

水泥攪拌樁單樁豎向承載力特征值通過現場載荷試驗確定，設計時根據規范要求按(1)進行計算，同時按(2)對單樁承載力進行復核。

(1)

Rα=ηfcuAp

(2)

從經濟性方面考慮，設計計算時通過(2)得出水泥攪拌樁單樁承載力，再將該值通過(1)反算即可得出有效樁長。當設計樁長大于有效樁長時，水泥攪拌樁單樁承載力可按(2)確定。

4.3 復合地基承載力計算

復合地基的承載力特征值應通過現場復合地基載荷試驗確定，設計時根據規范要求按(3)進行計算。

(3)

4.4 軟弱下臥層承載力計算

由于本次設計水泥攪拌樁僅加固部分軟土，根據《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)第5.2.7條規定，還應對軟弱下臥層承載力按(4)進行驗算。

pz+pcz≤faz

(4)

4.5 復合地基壓縮區沉降計算

根據復合地基理論，通過水泥攪拌樁加固后地基沉降計算應包括兩部分。

(1)復合地基加固區沉降S1計算

s1=(pz+pzl)l/(2Esp)

(5)

Esp=mEp+(1-m)Es

(6)

(2)加固區下臥層沉降S2計算

(7)

4.6 工程實例

以齊梁路互通J匝道橋頭為例，路基填土采用泡沫輕質土填筑，軟土采用水泥攪拌樁處理，計算結果如表3。

表3 設計計算過程表

經計算，復合地基承載力、單樁承載力、下臥層承載力、工后沉降和穩定安全系數經驗算，均能滿足規范要求，因此推薦方案是合理可行的。現場施工完畢后經第三方檢測單位檢測，單樁承載力大于135 KPa，復合地基承載力大于115 KPa，滿足設計要求。

5 通車運營情況

通車一年后道路運營運行良好，路面無病害，橋頭路基無跳車現象，工后沉降小于2.2 cm。

6 結 語

(1)對于橋頭高填方路段，采用泡沫輕質土等效替代路基填土高度以降低地基內的附加應力，同時采用水泥攪拌樁部分加固軟土在技術上是可行的，與剛性樁相比也可以節約造價，后期在丹陽地區類似工程建設中可以推廣應用。

(2)對軟弱下臥層承載力的驗算是類似工程設計計算的重點，設計時在計算出樁長、樁間距、工后沉降和穩定安全系數切莫忽視下臥層承載力的驗算，這是必不可少的環節。