深厚軟弱淤泥復雜地層地基加固方法分析

張航

（中鐵一局集團有限公司）

0 引言

在我國沿海區域開展鐵路、公路工程建設，區域內地理環境復雜，場地地層主要分布強度較低、含水量高、壓縮性強的淤泥質黏土，該土質蠕變性、觸變性等特征明顯，而且不均勻、連續分布差，厚度深而廣泛。以杭州至海寧城際鐵路的鹽官車輛基地大面積、深厚軟淤泥復雜地層加固為例，該地段地層為海相沉積、湖相沉積和河相沉積，土的類別為淤泥、淤泥質砂層和淤泥質粘土等軟弱土層，具有高含水量、高壓縮性、高液限、力學強度低、孔隙率大、靈敏度高、欠固結等的特點。鹽官車輛基地整個軟基處理面積達10萬m2（東西長約1689m，南北寬約20～385m），軟弱土質埋深多為1～40m，局部可達60～70m，層厚多為10～20m，最大可達30m，其地基加固處理面積大、施工難度大、沉降控制要求高。

通過分析研究該工程地層土質情況，擬采用深層水泥攪拌樁+土工格室網+碎石墊層的地基加固方法。

根據現場工程特點與地勘結果，還原工況實際，在實驗室模擬土工格室+水泥攪拌樁加固地基，對地基整體沉降、孔隙水壓力、地基樁土差異沉降、應力比、樁身軸力及土工格室張拉力等進行試驗分析，為實際施工提供理論依據及技術支持。

1 地基加固效果分析

1.1 加固地基整體沉降分析

1.1.1 地基加固整體沉降隨時間變化規律

在試驗中通過記錄加固地基上部的加載板邊緣和中部的沉降監測數據，繪制加固地基的中部與邊緣沉降隨時間的變化規律圖形，如圖1、圖2所示。

圖1 邊緣沉降

圖2 中部沉降

由圖中得出：加固地基的邊緣沉降量小于中部的沉降量；在地層中鋪設有土工格室加筋的加固地基，相比只有樁基加固沒有鋪設有加筋的地基，監測沉降量隨時間變化減小，說明加固地基效果好。

1.1.2 樁、土之間的差異沉降隨時間變化規律

在試驗中分別對加固地基的邊緣和中部樁的頂部、樁與樁之間設置的土沉降標志的頂部進行觀測，監測兩者沉降量隨時間的變化規律，并記錄沉降量數據，繪制沉降隨時間變化圖形，比較樁、土之間沉降量的差別。如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4中得出：邊緣樁土之間沉降量差別小于中部樁土之間沉降量差別；在地層中鋪設有土工格室加筋的加固地基的樁土差異沉降，相比只有樁基加固沒有鋪設有加筋的地基，差異沉降量隨時間變化減小，表明加固地基穩定、承載性能有明顯提高，效果好。

圖3 邊緣差異沉降

圖4 中部差異沉降

從以上地基加固整體沉降隨時間變化規律、樁、土之間的差異沉降隨時間變化規律可以得出：土工格室+水泥攪拌樁加固地基效果優于一般單純樁基加固地基效果，使得加固地基穩定、承載性能提高。

1.2 加固地基孔隙水壓力分析

在加固地基模型中布置孔隙水壓力計，監測加固地基孔隙水壓力，記錄數據分析加固地基不同深度土體孔隙水壓力隨時間變化量，對比分析孔隙水壓力的消散情況及路徑。如圖5～圖11所示。

圖5 1點底部邊緣孔隙水壓力變化量

圖6 3點中部邊緣孔隙水壓力

圖7 第一組孔隙水壓力變化量

圖8 第二組孔隙水壓力變化量

圖9 第三組孔隙水壓力變化量

圖10 第四組孔隙水壓力變化量

圖11 第五組孔隙水壓力變化量

由圖中數據分析得出：各組中在加載條件下孔隙水壓力均會急劇增大；隨加載時間的推移孔隙水壓力變化量逐漸減少；在地基中鋪設布置有加筋的各組相比只有樁加固的地基，孔壓消散速率明顯提高。表明在軟弱淤泥地基中鋪設有土工格室加筋有利于孔隙水排出，加固效果好。

1.3 加固地基土工格室應變分析

在加固地基模型中，對雙向土工格室加筋、三向土工格室加筋、三角形樁體布置下的三向土工格室加筋等粘貼應變片進行應變監測。見圖12～圖14。

圖12 第二組雙向土工格室應變

圖13 第三組三向土工格室應變

圖14 第五組三向土工格室應變

由圖中數據分析得出：雙向土工格室各個監測點應變在加載瞬間急劇增大，隨后隨著加載時間的增大而逐步減小。在上部荷載作用下三向土工格室應變急劇增大，隨后隨著加載時間的增加而逐步增大，且持續增大，三向土工格室在承載性能上優于雙向土工格室。在相同荷載作用下，三向土工格室的應變變化量小于雙向土工格柵，證明三向土工格室在抵抗張拉力性能上的作用優于雙向土工格室。相同荷載作用下三角形形式布置下的三向土工格室在抵抗張拉性能方面優于正方形形式布置下的三向土工格室。表明在地基加固布置土工格室時采用三角形形式布置下的三向土工格室，效果更好。

1.4 加固地基土壓力與樁土應力分析

在加固地基模型中，在樁頂、樁之間的土中埋設土壓力盒，觀測豎向土壓力分布，分析樁土應力比，見圖15。對四組樁頂、樁之間的樁間土進行了土壓力隨加載時間變化的監測數據記錄，然后計算相應樁土應力比，計算公式如下。

圖15 四組樁土應力比對比曲線

式中，

n——樁土應力比；

σp——加固地基中樁體上平均豎向應力；

σs——樁間土上平均豎向應力。

由圖中數據分析得出：不鋪設土工格室時，樁土應力比均隨時間而增大，導致地基承載力的下降。這是因為土工格室能將上部荷載傳遞至樁樁頂，致使樁土應力比上升，從而提升地基的承載性能。三向土工格室提升樁土應力比的效果略微大于雙向土工格室的提升效果；三向土工格室+模型樁三角形布置的形式對樁土應力比的提升效果最為顯著。因此地基加固宜采用三向土工格室+水泥攪拌樁三角形布置的形式。

1.5 加固地基不同位置樁身軸力隨時間變化分析

在加固地基模型第二、三、四、五組中，在中部與邊緣模型樁粘貼應變片，觀測樁身在載荷條件下應變隨時間變化，將應變轉換為樁身軸力，分析土工格室+樁基布置形式下樁身軸力的變化規律，并得到各組軸力隨時間變化曲線圖。見圖16～圖22。

圖16 第二組邊緣樁樁身軸力

圖17 第二組中部樁樁身軸力

圖18 第三組邊緣樁樁身軸力

圖19 第三組中部樁樁身軸力

圖20 第四組中部樁樁身軸力

圖21 第五組邊緣樁樁身軸力

圖22 第五組中部樁樁身軸力

由圖中數據分析得出：第二組、第三組、第四組、第三五組數據圖形中，樁身軸力變化為樁的軸力沿樁身呈非線性分布，樁頂、底端分布小，中間段分布大；樁身軸力隨著加載時間的增加，呈逐步上升趨勢，在前期增大趨勢尤為明顯，后趨于穩定；三向土工格室布置下的樁軸力相比雙向土工格室布置下的樁軸力，軸力上升趨勢更快速；三角形布置+三向土工格室布置下的樁相較于正方形布置+三向土工格柵布置的模型樁，軸力隨時間變化趨勢相近，說明布置形式對軸力的傳遞影響不大。建議在地基加固工程中采用三向土工格室+水泥攪拌樁三角形布置的形式，能夠達到快速卸荷的作用。

2 深厚軟弱淤泥復雜地層地基加固施工方法

采用三向土工格室+水泥攪拌樁三角形布置的施工方法，工藝流程如下：

水泥攪拌樁施工→鋪設墊層→鋪設土工格室→回填組料→路基修筑。

2.1 水泥攪拌樁施工

采用正方形形式施工布置，樁徑0.5m，樁長4.5～14.5m。選用強度等級42.5以上的普通硅酸鹽水泥為固化劑；水灰比宜采用0.45～0.55；平整地坪高于樁頭樁頭30～50cm；確保成樁后樁頭質量；樁位放樣，確保樁機準確就位；攪拌提升嚴格控制提升速度，噴漿至地面30㎝；每次水泥漿制備泥漿比重必須進行檢測。

2.2 鋪設墊層

在雙向水泥攪拌樁處理后的軟弱淤泥地基上層分別鋪設0.3m厚的中粗砂墊層和0.3m厚的碎石墊層。鋪設碎石墊層能有效解決實際施工中墊層翻漿及噴水現象，孔隙水更易排出，減少排水固結沉降時間。

2.3 鋪設土工格室

選擇鋪設新型路基處理材料——雙曲邊微樁土工格室。在中粗砂墊層鋪設土工格室增強填料側向約束，在豎向荷載作用下形成環箍效應，抵消部分豎向荷載，以達到減小沉降的目的。同時雙曲邊微樁土工格室具有平面加筋作用，增加土體的抗剪強度，使土體粘聚力的提高。

2.4 回填組料

基床底層及基床以下路堤回填ABC組料，基床表層回填AB組料，其中ABC組料與AB組料為不同級配的土體顆粒。AB料攤鋪松鋪厚度一般為30～35cm，松鋪系數一般為1.3。

2.5 路基修筑

完成路堤地基加固處理后進行沉降觀測，沉降滿足要求后進行路堤路面層修筑。路基中樁、邊樁由兩邊向中部填筑，路基橫斷面寬度每側超50cm。路基碾壓順序應按先兩側后中間、先靜壓后弱振、再強振再靜壓收光的操作程序進行碾壓。

3 結語

通過對土工格室+水泥攪拌樁法在加固地基整體沉降、孔隙水壓力、土工格室應變、土壓力與樁土應力比、不同位置樁身軸力等方面的試驗分析，建議在實際工程中采用三向土工格室+水泥攪拌樁三角形布置的方法，并且選擇鋪設新型路基處理材料——雙曲邊微樁土工格室，能更好地實現深厚軟弱淤泥復雜地層加固穩定、提高承載性能的目的，同時確保施工質量、進度和安全，降低了成本，做到了綠色環保施工，也為同類型地層加固提供了借鑒經驗。