濱湖相軟基處理設(shè)計(jì)

賓江宏，王 俊

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，武漢市 430023）

1 工程概況

昌宏路是昆明市南北向重要的城市主干道，其中一段又是三環(huán)線道路的重要組成部分，從北向南依次連接了朱家村立交、廣福路、南繞城公路和環(huán)湖東路等數(shù)條重要的交通干道，將承擔(dān)極大的交通負(fù)荷。作為城市I級(jí)主干道，決定了其較高的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

昌宏路南段近5 km的范圍位于環(huán)滇池湖泊沉積區(qū)域，路基下部存在的深厚泥炭質(zhì)軟土是環(huán)滇池流域的典型地質(zhì)特征，滇池流域也因此成為我國濱湖相軟土地質(zhì)的典型區(qū)域。與我國其他地區(qū)的軟土地質(zhì)情況相比，滇池流域的軟土地質(zhì)有以下特點(diǎn)：

（1）孔隙比很大，一般在2～3左右，部分達(dá)到8以上。

（2）含水量高，一般在300%左右，部分可以達(dá)到600%。

（3）天然重度小，比重較一般粘土、有機(jī)質(zhì)土輕，多在10 kN/m3左右。

（4）有機(jī)質(zhì)含量高，一般在50%左右，甚至達(dá)到90%以上，限和塑限很大，壓縮性很高。

（5）承載力很低，一般承載力基本容許值在40～90 kPa。

（6）土體滲透性隨荷載變化明顯，低荷載時(shí)滲透性很大，隨著荷載加大滲透性降低。

由上述數(shù)據(jù)可以看出，滇池流域的地質(zhì)是具有明顯湖相軟土性質(zhì)的軟土地質(zhì)。為保證工程的使用性能，必須采取有效的地基處理方式。因此軟土地基的處理成為該工程的主要工作之一。

2 土層分布及處理方式分析

2.1 土層分布

該工程南段的軟土地質(zhì)情況大致可以分為以下兩種：

第一種情況土層分布如表1所示。其表層有粘土“硬殼層”，且下部軟土厚度在10～14 m左右。此種分布占工程范圍的大部分。

表1 土層分布及參數(shù)表

第二種情況分布于長度約800 m的濕地范圍內(nèi)，表層及其以下約16 m深度范圍均分布為淤泥或泥炭，加之長期受湖塘及地下水浸泡，軟土含水率及承載力等指標(biāo)較上述第一種情況差。

2.2 處理方式分析

該道路設(shè)計(jì)中，由于考慮環(huán)境影響、與周邊地塊的銜接、地下管線敷設(shè)和防洪水位等因素，排除了橋梁建設(shè)方式而采取了填高3～5 m的路堤結(jié)構(gòu)。這對(duì)于路堤下部存在深厚軟土的地質(zhì)條件來說具有較不利影響。對(duì)于深層軟弱土地基上的填方路堤處理，一般應(yīng)考慮兩方面設(shè)計(jì)內(nèi)容：強(qiáng)度設(shè)計(jì)和變形及穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。

針對(duì)于地基強(qiáng)度設(shè)計(jì)就是要提高地基承載力水平，不出現(xiàn)較大沉降，滿足使用要求。目前較常采用的地基處理方式如表2所示。

表2 主要軟土地基處理方法比較表

結(jié)合表2所述，對(duì)于本地區(qū)較為適宜的地基處理方式應(yīng)該是擠密法。其主要原理見表2，根據(jù)其填料的不同，主要有碎石、砂石等散體材料類樁和石灰、二灰、水泥土等粘結(jié)材料類樁。對(duì)于碎石樁、砂石樁等散體材料類樁，由于材料本身沒有粘結(jié)強(qiáng)度，其適用范圍僅限于深度較小、液化性能較好的砂土類軟土，所以可選取的地基處理方式基本確定為粘結(jié)材料類擠密樁，而此類樁體中常見的樁體材料強(qiáng)度較高、復(fù)合模量好的樁型為CFG樁（水泥、粉煤灰碎石樁）、素混凝土樁等。

CFG樁是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑等材料加水拌合而成，用相應(yīng)的成樁機(jī)械制成的可變強(qiáng)度樁。通過調(diào)整水泥摻量及配比，其強(qiáng)度等級(jí)可在C5～C25之間變化，是介于剛性樁與柔性樁之間的一種高粘結(jié)強(qiáng)度樁。CFG樁體和樁間土、褥墊層共同受力形成復(fù)合地基，CFG樁具有樁體強(qiáng)度較高、樁土效果明顯、施工簡單和造價(jià)低廉等明顯優(yōu)點(diǎn)。

素混凝土樁復(fù)合地基的原理與CFG樁基本一致，僅樁體材料采用了混凝土材料，它較CFG樁的主要優(yōu)點(diǎn)在于樁體材料可采用廠拌材料，施工質(zhì)量更易于保證，對(duì)于上述第二種地質(zhì)情況下的樁體應(yīng)優(yōu)先選用素混凝土樁。當(dāng)混凝土標(biāo)號(hào)不高于C20強(qiáng)度等級(jí)時(shí)可簡稱為LC（Low Strength Concrete即低強(qiáng)度素混凝土）樁。

由于以上所述CFG樁和素混凝土樁的優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合昆明地區(qū)的軟基處理習(xí)慣，本次設(shè)計(jì)第一種地質(zhì)情況采用CFG樁復(fù)合地基方法，第二種地質(zhì)情況采用低標(biāo)號(hào)素混凝土樁（LC樁）復(fù)合地基方法。

3 復(fù)合地基設(shè)計(jì)

3.1 CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

由表1土層分布可知，大部分區(qū)域上層分布有一定厚度的粘土層(俗稱為“硬殼層”)可以用作樁機(jī)平臺(tái)和支持樁體的上部穩(wěn)定。該土層下部存在有厚度6～10m的淤泥及泥炭質(zhì)土層，含水量高，承載力極低。該軟弱土層下部有厚度較大的粉土，該土層較為密實(shí)，且具有一定的承載力，可以作為樁底的持力層。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》設(shè)計(jì)樁體，其相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)參數(shù)

CFG樁的樁土應(yīng)力比可以在20以上，是一般散體材料樁的數(shù)十倍以上。樁頂鋪設(shè)的級(jí)配碎石褥墊層用以保證樁土的共同受力和協(xié)調(diào)地基不均勻沉降，相關(guān)的檢測數(shù)據(jù)顯示,進(jìn)行CFG樁復(fù)合地基處理后的復(fù)合地基承載力比天然地基承載力高出2～3倍，壓縮模量較天然地基提高2倍以上。

施工技藝采用振動(dòng)沉管灌注法（適用于一般開闊無建筑物區(qū)域）和長螺旋泵送混合料法（適用于距離結(jié)構(gòu)建筑物50 m范圍以內(nèi)對(duì)機(jī)械振動(dòng)敏感區(qū)域），推薦采用振動(dòng)沉管法施工技藝，其良好的擠土效應(yīng)對(duì)于樁土共同受力有著很好的作用，但是對(duì)于部分極易受擾動(dòng)影響的軟弱土應(yīng)進(jìn)行試樁觀測、評(píng)價(jià)后予以確定施工技藝。

3.2 低標(biāo)號(hào)素混凝土樁(LC樁)復(fù)合地基設(shè)計(jì)

第二種地質(zhì)條件極差的區(qū)域，從地面往下16 m左右均為淤泥及泥炭質(zhì)軟土，區(qū)域內(nèi)軟土的承載力水平極低，且具有明顯的觸變性能（靈敏度St可達(dá)到8），土體極易受到擾動(dòng)影響，不具備作為成樁施工平臺(tái)的條件，而且敏感性軟土條件對(duì)成樁效果影響明顯，為此考慮先期人為填筑一定厚度的“硬殼層”。同時(shí)宜選用水泥混凝土為成樁材料控制施工質(zhì)量，素混凝土樁（LC樁）復(fù)合地基的設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。

表4 素混凝土樁（LC樁）設(shè)計(jì)參數(shù)表

該樁體設(shè)計(jì)中將樁體強(qiáng)度提高到C20強(qiáng)度等級(jí)，樁體填料建議采用廠拌商品混凝土，以較好地保證樁身強(qiáng)度和成樁效果。布樁形式設(shè)計(jì)為正三角形布樁，樁體面積置換率提高到7%，可以更好地適應(yīng)本區(qū)域地質(zhì)條件，提高樁土效應(yīng)。

考慮該區(qū)域內(nèi)土體明顯的觸變性，軟弱土體一經(jīng)擾動(dòng)便會(huì)很快失去結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而破壞，土體強(qiáng)度的喪失會(huì)對(duì)新成樁體產(chǎn)生很大的附加壓力，極有可能導(dǎo)致新成樁受力破壞，因此振動(dòng)沉管施工技藝的施工方法對(duì)本段土質(zhì)條件不適用。該段樁體施工方法推薦為長螺旋鉆孔泵送混凝土料的方法，由于沒有明顯的擠土效應(yīng)，故樁體施工建議由四周向中央的圈式圍擋順序，樁體間進(jìn)行隔樁跳打法，以避免鉆孔和樁體擴(kuò)孔產(chǎn)生的擠土效應(yīng)對(duì)尚未達(dá)到強(qiáng)度的樁體產(chǎn)生破壞。

當(dāng)然，此種施工方法亦存在明顯弊端，采用長螺旋法沒有產(chǎn)生良好的擠土效應(yīng)，對(duì)樁土共同作用的復(fù)合地基承載力的提高失去了輔助作用，因此在樁體完整性和土體擠密效果產(chǎn)生較大沖突時(shí)應(yīng)視具體情況對(duì)施工方法予以選擇。

3.3 路基變形與邊坡穩(wěn)定性控制

對(duì)于LC樁復(fù)合地基處理區(qū)域，由于其下部存在深厚的含水率極大的泥炭質(zhì)土，雖進(jìn)行了復(fù)合地基處理，卻不能從根本上改變軟土性質(zhì)，進(jìn)行復(fù)合地基處理后仍可能存在以下問題：

（1）由于該區(qū)域范圍內(nèi)原地面無足夠?qū)挾鹊奶烊弧坝矚印狈稚⒙返毯奢d應(yīng)力，所以在路堤的豎向堆載作用下會(huì)產(chǎn)生豎向固結(jié)沉降及側(cè)向流動(dòng)現(xiàn)象。該現(xiàn)象還會(huì)隨著堆載作用的加大而變得明顯，雖然部分土體的豎向固結(jié)對(duì)樁土效應(yīng)的提高有一定幫助作用，也符合復(fù)合地基的設(shè)計(jì)思想。但是土體的豎向固結(jié)和側(cè)向滑移如不加以有效控制，會(huì)造成后期地基沉降量過大、樁體剪斷等問題。

（2）本區(qū)域內(nèi)由于受到防洪水位控制，路基基本采取3～5 m以上的填方路堤結(jié)構(gòu)，這對(duì)于下部存在深厚軟土的地質(zhì)情況較為不利。加之受到用地紅線約束，未能對(duì)紅線外一定區(qū)域施打樁體形成復(fù)合地基結(jié)構(gòu)。因此，路堤坡腳外的深厚軟土無法抵御較大的下滑力，路堤邊坡穩(wěn)定性成為主要的安全性問題之一，由此可能產(chǎn)生的破壞形式有以下兩種（如圖1、圖2所示）：一種是軟土擾動(dòng)后流動(dòng)引起的地基隆起破壞；另一種是由于邊坡坡腳無支擋結(jié)構(gòu)引起的邊坡失穩(wěn)破壞。

圖1 土體流動(dòng)破壞示意

圖2 邊坡失穩(wěn)破壞示意

對(duì)于以上可能存在的破壞形式有如表5解決辦法。

表5 常見邊坡穩(wěn)定處理方式

如上文所述，本區(qū)域受到用地等因素的影響，較難采用上述的前三種方法。為此設(shè)計(jì)中引入了埋地式抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)，該抗滑樁的設(shè)計(jì)參數(shù)見表6，設(shè)計(jì)圖參見圖3。

表6 鋼筋混凝土抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 素混凝土樁和抗滑樁聯(lián)合使用示意圖

該樁體設(shè)置在路堤坡腳位置處，樁底進(jìn)入土質(zhì)條件相對(duì)較好的粉土層或粘土層，樁頂設(shè)置冠梁、擋土墻及排水邊溝。該樁的主要作用可以闡述為以下幾點(diǎn)：

（1）多向受力體系，維持結(jié)構(gòu)均衡受力。該樁體主要承擔(dān)復(fù)合地基擠土效應(yīng)形成的主動(dòng)土壓力、路堤外土體的被動(dòng)土壓力、路堤下滑力（斜向剪切力）等多種力，可有效維持受力體系的平衡。

（2）有效抵御地基下部軟土的滑移變形?？够瑯稑稄皆O(shè)計(jì)為0.8 m，樁間距為1.5 m，所以樁體的凈間距僅為0.7 m，樁體相對(duì)密集，有類似于地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的作用，可以在一定程度上抵御軟土的側(cè)向水平滑移和斜向剪切滑移，為防止素混凝土樁的樁身剪斷破壞、維持路堤邊坡穩(wěn)定和減小最終沉降量提供一定保障作用。

（3）為地基的固結(jié)排水過程提供排水通道。下部深厚的泥炭質(zhì)軟土含水量極高，且呈現(xiàn)明顯的高壓縮性，土體的蠕變沉降占總沉降量的很大比例，而土體的蠕變性能與其滲透排水性能有很大關(guān)系。經(jīng)過路基堆載后，下部軟土的滲透性明顯降低，如不能提供良好的排水通道，軟基蠕變沉降速率將會(huì)明顯變慢，這對(duì)于路堤后期使用時(shí)的穩(wěn)定性能不利。為保證下部軟基的先期沉降速率，應(yīng)該為其排水固結(jié)過程提供良好的排水通道。憑借抗滑樁群形成的地下排樁體系，可以在其兩側(cè)形成一側(cè)土體受側(cè)限，一側(cè)土體部分側(cè)限的狀態(tài)，受側(cè)限土體的內(nèi)部孔隙水會(huì)自然排入壓力相對(duì)較小的部分側(cè)限土體內(nèi)部。抗滑樁間的凈間距為0.7 m，可以為固結(jié)排水提供良好的排水通道，且有助于加快地基的沉降穩(wěn)定。

（4）兼做擋墻基礎(chǔ)用以維持路基穩(wěn)定?？够瑯渡喜抗诹何恢迷O(shè)置擋土墻結(jié)構(gòu)，用以維持路基邊坡的穩(wěn)定，抗滑樁兼做擋墻的樁基礎(chǔ)可以有效提高擋墻的抗傾覆力。

抗滑樁的施工建議在復(fù)合地基施工前進(jìn)行，且應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)后再進(jìn)行路堤填筑工作，以更好地發(fā)揮自身的作用。

4 結(jié)語

CFG樁和素混凝土樁復(fù)合地基在處理深厚泥炭質(zhì)軟土中可以取得較好的效果，如設(shè)計(jì)過程中根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)加入其它同步處理形式（如本文介紹的抗滑樁設(shè)計(jì)）配合復(fù)合地基共同作用，并根據(jù)樁體受力特點(diǎn)和實(shí)際場地情況合理選擇適用的施工方法更可以起到事半功倍的效果，從而從設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測等多角度保證軟基處理的整體效果。

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