深軟基處理方案的論證
——以赤道幾內亞某項目為例

楊冬冬，劉玉龍

(中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089)

1 項目概況

某項目位于赤道幾內亞西北部，瀕臨大西洋，起點接Utonde大橋，向北延伸，終點位于Veadibe村附近，本次勘察主要采用現場地質調繪、鉆探、挖探等綜合手段方法，對擬建公路沿線進行工程地質勘察。勘察結果顯示軟基段K2+666.96～K3+521.04。

軟土地基處理的方案設計應在滿足穩定性和沉降的要求前提下，按因地制宜、就地取材、經濟實用、施工方便可行的原則進行。

2 本項目軟基路段工程特點

本項目設計橋梁段為K2+666.96～K3+521.04，橋梁區域內軟土主要類型為腐殖覆蓋物、泥炭、泥炭質土、淤泥、淤泥質粉細砂，根據地質勘察及其有關物理力學指標等綜合分析，本項目軟基路段具有以下工程特點。

1)表層分布松軟的腐殖物、泥炭土。表層分布為厚度5.0～9.0 m的泥炭土，黑褐色，極軟塑～軟塑，夾雜大量紅褐色腐爛植物根系及落葉，味極臭，該層主要為雨林落葉、喜水植物等在缺氧條件下經緩慢分解形成的泥沼層，該層非常松軟，具有含水率高(100%～300%)、孔隙比大(達3.0～8.0)、壓縮性極大(壓縮系數達5～10 MPa-1)、承載力低(容許承載力僅為30～40 kPa)、有機質含量高(達30%～60%)等特點。

2)中層分布低強度的泥炭質土。中層分布為厚度3.0～12.0 m的泥炭土，黑灰色、青灰色，極軟塑～軟塑，有機質纖維含量相對較少，味臭，承載力在50～70 kPa。其中，除K2+950～K2+990約40 m段落的泥炭質土分布較少外，其余段落泥炭質土分布均較厚。

3)下層分布粉質黏土。下層分布厚度0.5～1.0 m粉質黏土，灰色～灰黃色，極軟塑～軟塑，無臭味，為泥巖全風化土形成，偶見泥巖風化顆粒。承載力在80 kPa左右。

4)下臥層分布泥巖、砂巖。下臥層分布泥巖、砂巖，主要為全風化泥巖、中風化泥巖、中風化砂巖、強風化砂巖、全風化砂巖，承載力高。全風化泥巖呈深灰色，硬塑，巖芯呈土柱狀，質較軟，手可掰碎搓成粉末，干強度較高；中風化泥巖呈灰色，巖芯多呈柱狀，巖芯表面見泥質砂質互呈條帶狀，間距不等，局部受機械擾動呈片狀；強風化砂巖呈灰色，原巖結構可辨，巖芯呈碎塊狀混砂土狀。

3 軟土處理方案適應性分析

根據本區域軟土工程特點、筑路材料分布特點、施工條件等，本工程可用于比選的軟基處理方案有水泥攪拌樁、鋼筋混凝土方樁、換填+堆載預壓。

3.1 水泥攪拌樁

本項目表層分布松軟的腐殖物、泥炭土有機質含量高，最高達50%以上，通過前期方案設計階段的水泥土室內試驗及赤道幾內亞地區類似項目應用效果來看，水泥攪拌樁極易不成樁，因此，水泥攪拌樁不適用。

3.2 鋼筋混凝土預制方樁

鋼筋混凝土方樁在軟基性質較差時比較適用。但結合本項目地層主要分為兩級，一級為軟基性質極差的泥炭、泥炭質土；一級為承載力較高的泥巖、砂巖。因此，在本項目中鋼筋混凝土方樁應為嵌巖樁支撐。同時，從K2+666.96～K3+521.04段地質縱斷面圖及K2+670地質剖面圖來看，地層極不均勻，地層在縱向最大縱坡達60多度，800 m范圍內地層起伏頻繁且較大；在橫向分布上，縱坡也達到10度左右。

若采用鋼筋混凝土方樁，在樁尖進入泥巖層之前，根據《預制鋼筋混凝土方樁》(JC 934—2004)[1]、《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)[2]提到的：“對于無基巖風化層或風化層基巖較薄的硬質基巖，當巖面傾斜較大時不宜選用預制鋼筋混凝土方樁”。因此，在本項目采用鋼筋混凝土方樁時，方樁進入持力層時極易發生偏移，施工工藝要求較高。且結合地層不均勻的情況，在方樁預制時無法精確各方樁的樁長，在施工過程中須結合沉樁情況不斷接樁、截樁。所以，本項目不推薦采用鋼筋混凝土方樁。

3.3 換填+堆載預壓

該方案是造價最節省的軟土路基處理方案。但結合本項目來看，表層及中層泥炭土、泥炭質土層較厚，腐殖物、有機質含量較高，在換填時無法換填完全，所以工后沉降會較大。另外，從K2+666.96～K3+521.04段地質縱斷面圖及K2+670地質剖面圖來看，如前所述，地層在縱向及橫向分布上極不均勻，在預壓期內極易發生滑移等破壞，而且預壓期比較長，預計不少于3年，在軟基加載及預壓期內還需要不間斷觀測、加載、觀測、加載等動態監測。為充分論證軟基處理方案的合理性和適用性，同時為施工提供基礎數據，本計算書選取K2+670工點進行計算(采用理正巖土進行計算)。計算過程如下。

3.3.1 沉降計算

地基總沉降采用公式法計算。地基最終沉降由瞬時沉降Sd、主固結沉降Sc及次固結沉降Ss三者之和計算，即：

最終沉降=Sd+Sc+Ss

(1)

主固結沉降Sc采用分層總和法計算：

(2)

式中，n為壓縮土層內土層分層的數目；i為第i分層土；e0i為地基中各分層在自重應力作用下的穩定孔隙比；e1i為地基中各分層在自重力和附加應力共同作用下的穩定孔隙比；Δhi為地基中各分層的初始厚度。

瞬時沉降Sd按式(3)計算：

(3)

(4)

式中，F為路堤中線沉降系數；p為路堤底面中點的最大垂直應力，kPa；B為荷載分布寬度；E為由無側限抗壓強度試驗得到的彈性模量的平均值；b為路堤頂寬度；a為路堤底部寬度。

次固結沉降Ss按式(5)計算：

(5)

式中，Iai為次固結系數；eci為主固結完成時土的孔隙比；tA為計算次固結變形所需要的總時間；tci為主固結完成所需要的時間；hi為各土層厚度。

計算路面竣工時及以后的沉降，基準期開始時刻具體為最后一級加載(路面施工)結束時刻，不考慮沉降的影響，路堤的實際計算高度為5.000 m。經計算，路面竣工時地基沉降為0.634 m，路面竣工后基準期內的殘余沉降為0.464 m，基準期結束時地基沉降為1.098 m，最終地基總沉降為0.037+1.212+0.088=1.347 m。

3.3.2 穩定性計算

穩定性計算采用有效固結應力法(簡化Bishop法)，如圖1所示。穩定安全系數F計算公式：

(6)

式中，B為弧AB終點；A為弧AB起點；cqi、φqi為地基土或路堤填料的粘聚力(kPa)和內摩擦角；Li為土條地面弧長；WIi為土條基地部分重力；WIIi為土條路堤部分重力；Ui為地基平均固結度；αi為土條底面與水平面交角；φcqi為地基土的內摩擦角；C為弧BC終點。

圖1 簡化Bishop法計算圖

圖1中，O為滑弧圓心；R為滑動半徑。

穩定性計算結果如下：最不利滑動面：滑動圓心為(4.00，5.00)m，滑動半徑為15.903 902 m，滑動安全系數為0.919，總的下滑力為639.171 kN，總的抗滑力為587.444 kN，土體部分下滑力為639.171 kN，土體部分抗滑力為587.444 kN，筋帶的抗滑力為0.000 kN，地震作用下滑力為0.000 kN。

通過堆載預壓處理，工后沉降為0.634 m，不滿足要求。經計算，穩定性系數為0.919<1.2，穩定性不滿足要求。因此，本項目不推薦換填+堆載預壓方案。

3.4 橋梁方案

在經過軟基處理方案對比后，根據現場實際情況提出了橋梁方案，并對橋梁結構做了詳細對比，最終確定16 m空心板橋為最優跨徑。對比如下。

3.4.1 主要構造尺寸

空心板橋采用部頒標準圖尺寸，同時參照廣東省標準圖結構尺寸，30 m T梁采用赤道幾內亞地區一直使用的2.2 m梁高圖紙結構尺寸，上下部結構尺寸見表1。

表1 上下部結構尺寸

3.4.2 橋梁工程量

五種跨徑橋梁主材工程數量見表2。

表2 主材工程量

3.4.3 空心板橋比較

8、10、13、16 m跨徑空心板梁高從小變大，從表2可以看出，綜合上下部結構總工程量，空心板橋中采用16 m跨徑工程量最小，同時注意下部結構單價高于上部，因此可以得出本項目空心板橋中最經濟跨徑為16 m。

3.4.4 16 m空心板與30 m T梁比較

1)經濟性：從表2可以看出，16 m空心板橋與30 m T梁橋相比，主材工程量相當，空心板橋小一些。另外，跨徑較大的30 m T梁橋施工措施費要高于16 m空心板橋，參照赤道幾內亞辦事處已完成橋梁項目，30 m T梁橋實際分包單價也高于16 m空心板橋，因此從經濟性考慮，16 m空心板橋占優。

2)美觀適用性：16 m空心板較30 m T梁上部建筑高度低，16 m空心板橋臺后路基填土高度可控制在3.2 m左右，T梁橋需在5.1 m左右，見表3，對于軟基區域，顯然路基填土高度控制在較低水平對路基有利，16 m空心板橋更具有優勢。

表3 臺后填土高度控制統計表

另外，由于橋位處縱坡不會很大(目前1.5%)，從起點到橋梁中心400 m的高差為6 m，當橋臺處梁體正好緊貼地面時，橋梁中心處墩高僅為5 m左右，因此對于建筑高度較高的T梁橋，視覺上整體緊貼地面，美觀性不如空心板好。從美觀性角度空心板橋占優。

4 結 論

水泥攪拌樁、鋼筋混凝土方樁、換填+堆載預壓均不適用于本項目。所以在K2+666.96～K3+521.04段采用橋梁方案。在綜合考慮適用性、經濟性、美觀性以及施工難易程度，16 m空心板橋為最優跨徑。

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