淺議加固土樁在重力式擋墻深層軟基中的應(yīng)用

梁楓華

（中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

1.1 研究目的與意義

泉州盛產(chǎn)花崗巖，在擋土和圍護(hù)工程中，當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)單位多采用花崗巖重力式擋墻作為主要方式。由于泉州大部分地區(qū)受廣泛分布的海相沉積軟土的影響，位于軟土地基特別是深層軟土地基上的重力式擋墻常因軟基處理不善發(fā)生傾覆、側(cè)移、不均勻沉降等病害，嚴(yán)重影響工程建設(shè)的質(zhì)量和人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。如何有效地處理軟土地基，提高其地基承載力、控制其工后沉降是軟土地基工程建設(shè)過程中一個長期的課題，同時，也具有廣泛的經(jīng)濟(jì)和社會價值。

1.2 研究內(nèi)容

本文根據(jù)泉州市豐澤區(qū)潯美工業(yè)區(qū)45號路在施工中的試驗、檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合工程實際的需要，提出以下幾點分析：

（1）加固土樁復(fù)合地基的受力機(jī)理。

（2）加固土樁復(fù)合地基處理重力式擋墻下深層軟基的布置形式及其處理方案分析。

2 軟土的工程特征

軟土包含淤泥和淤泥質(zhì)粘土。淤泥的天然含水量ω>液限ωL，孔隙比e>1.5呈流動狀態(tài)；淤泥質(zhì)粘土的天然含水量ω>液限ωL，孔隙比1.5>e>1.0。軟土分海相沉積和湖相沉積，主要的特性是強(qiáng)度低、變形大、透水性小和變形穩(wěn)定歷時長。軟土地基處理的目的主要有：（1）提高地基的承載力和穩(wěn)定性。（2）減少沉降和差異沉降。（3）改善透水特性，加速變形固結(jié)。

3 加固土樁復(fù)合地基的受力機(jī)理

加固土樁是用特制的深層攪拌機(jī)械在一定深度土層中就地將水泥漿或粉和軟土強(qiáng)制攪拌，形成具有一定強(qiáng)度和較低滲透性的水泥固結(jié)體，即加固土樁。水泥土的強(qiáng)度隨著水泥摻量和齡期而增長，它比軟粘土強(qiáng)度有著數(shù)十倍甚至成百倍的提高，單樁靜載試驗表明，加固土樁屬于摩擦樁性質(zhì)，樁頂承受的軸向荷載由樁側(cè)摩阻力和樁底反力共同平衡。加荷初期，樁頂荷載主要由樁側(cè)摩阻力承受，此時樁頂?shù)某两禐闃渡韷嚎s，樁側(cè)與土面產(chǎn)生剪切變形，樁底下土層的壓縮較少。當(dāng)樁頂荷載超過樁側(cè)極限摩阻力時，樁側(cè)與土發(fā)生滑動，沉降急速增長，此后樁頂增加的荷載主要由樁底反力承受，樁底下土層強(qiáng)度決定著樁的極限荷載。單樁靜載試驗破壞時樁頂沉降一般在6 cm以內(nèi)，在容許荷載下樁頂沉降只有數(shù)毫米。加固土樁的單樁受力完全可由摩擦樁來描述。

相較于排水固結(jié)法，加固土樁的固結(jié)速度快、總沉降量小，地基承載力大、地基側(cè)向位移小，可允許較大的加載速率，從而縮短施工期。采用加固土樁處理后的軟土地基，它由樁和樁間土體共同承擔(dān)外荷載，屬于復(fù)合地基。但是加固土樁的復(fù)合地基中樁體的剛度和強(qiáng)度要比土體大得多，樁頂一般都鋪以土工布或格柵加筋砂墊層。加載開始，土體和樁同時承受其上重量下沉，但土體的下沉要比樁體多，對樁體產(chǎn)生了負(fù)摩擦力，從而導(dǎo)致了樁下沉，墊層協(xié)調(diào)了樁體和土體變形，其間產(chǎn)生了樁帶動土沉降，土帶動樁沉降的相互作用過程，待樁體的總沉降和土體的總沉降基本相等時，沉降漸趨穩(wěn)定，樁-土應(yīng)力比也達(dá)到穩(wěn)定值。這類復(fù)合地基受荷過程是較復(fù)雜的，比單樁要復(fù)雜得多，存在著由于負(fù)摩擦力產(chǎn)生的附加沉降，但到最后受力還是確定的。外荷由樁體和土體以一定應(yīng)力比分配而共同承擔(dān)，屬于復(fù)合地基性質(zhì)，但由于樁體和土體是在總變形基本一致下趨于穩(wěn)定，因此，樁體和土體的應(yīng)力比與壓縮模量比不符，樁體和土體的應(yīng)力比是幾倍，而樁體和土體的壓縮模量比是幾十倍，這是不同于標(biāo)稱復(fù)合材料的一個重要特性，稱為非標(biāo)稱復(fù)合地基。此時表征復(fù)合地基受力特性的壓縮模量應(yīng)采用有效壓縮模量，根據(jù)試驗觀測資料的計算分析，建議以Ec=mEp/n+(1-m)Es式計算非標(biāo)稱復(fù)合地基的有效壓縮模量，其中n為樁土應(yīng)力比。

綜上分析，采用群樁布置的加固土樁處理的軟基，其受力特性既不同于排水固結(jié)法，也不是單樁的簡單總和，而是由樁體和土體共同承擔(dān)外荷載，具有復(fù)合地基受力的特性，但是由于這種復(fù)合地基在受荷過程中的復(fù)雜性，存在著負(fù)摩擦力引起的附加沉降，其樁土應(yīng)力與壓縮模量比不符，在應(yīng)用復(fù)合地基分析時，必須考慮它的特殊性。

4 工程案例分析

泉州市潯美工業(yè)小區(qū)45號道路，由于其人行道側(cè)毗鄰中干渠，因此將該排洪渠渠壁設(shè)計為重力式擋土墻，道路橫斷面布置如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位：m)

4.1 擋土墻設(shè)計

擋墻剖面見圖2所示。

擋墻墻身及壓頂石均采用水泥砂漿砌筑，材料特性如下：

墻身：迎水面采用240 mm×240 mm×(700～1000)mm條石,外露面粗打；背水面用漿砌塊石，塊石最小尺寸大于150 mm。

基礎(chǔ)：擋土墻擴(kuò)展基礎(chǔ)為漿砌條石，墊層為中粗砂。

條石及塊石強(qiáng)度：MU30；

水泥砂漿標(biāo)號：M7.5；

排洪渠擋墻高度為4.0m～5.8m，墻頂寬90 cm，擴(kuò)展基礎(chǔ)寬度約3m。

4.2 擋土墻設(shè)計計算

擋土墻結(jié)構(gòu)安全計算采用巖土分析軟件理正5.5計算。在土壓力及楔形土體頂面汽車荷載作用下，驗算了以下內(nèi)容：

圖2 擋墻剖面圖(單位：mm)

基底承載力：在擋土墻自重，墻后土壓力及墻后活荷載共同作用下的最大承載力。

傾覆穩(wěn)定性：以0.5 m×0.5 m網(wǎng)格為滑動圓心布設(shè)點，試算了在墻后土壓力及墻后活荷載等不同荷載組合作用下的最危險滑動面。

滑移穩(wěn)定性：試算了最大推力及最小抗力組合作用下的滑移安全系數(shù)。

經(jīng)計算，擴(kuò)大基礎(chǔ)底面需求的承載力如表1所列。

表1 擋墻基底承載力一覽表

4.3 地質(zhì)情況分析

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，擋土墻基礎(chǔ)大部分樁號范圍內(nèi)坐落于淤泥層，淤泥較深，最小淤泥層厚大于3 m，各地層揭露情況如下：

①素填土：灰黃色，松散，稍濕，主要成分為殘積土，砂質(zhì)粘性土，含少量礫石，硬質(zhì)物占10%左右，分布厚度0.5～0.9 m。

①1耕植土:灰色，可塑，飽和，韌性較好，干強(qiáng)度中等，無搖振反應(yīng)，含植物根莖。分布厚度0.3～0.8 m。

②淤泥：深黑，黑灰色，流塑，飽和。局部變相為淤泥質(zhì)土。分布厚度3.0～13.1 m。

③亞粘土：灰黃色，可塑，飽和，韌性較好，干強(qiáng)度中等，無搖振反應(yīng)。分布厚度0.4～6.2 m。

④礫（粗）砂：灰黃色，飽和，松散－稍密，礫砂含量占20%，粗砂含量占60%，中細(xì)砂含量占20%，棱角狀，分選性差。分布厚度0.75～5.5m。

⑤殘積砂質(zhì)粘性土：灰黃色，可塑～硬塑，飽和，粒徑不小于2 mm約占10%～15%，原巖較清晰，為花崗巖，場地均有分布，揭入2.7～2.8 m。

由于擋土墻基底標(biāo)高處于淤泥層內(nèi)，揭露的淤泥層承載力多為35 kPa～45 kPa，遠(yuǎn)小于擋墻基底計算所需的數(shù)值，結(jié)合前文論述，對其采用加固土樁工藝處理以提高承載力。

4.4 加固土樁的設(shè)計

根據(jù)擋土墻的結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，為滿足擋墻的承載力寄沉降控制要求，擋土墻基底設(shè)計采用樁徑加固土樁。

4.4.1 加固土樁的設(shè)計參數(shù)

今年以來凈值跌幅最大的基金為國泰中小盤成長，跌幅達(dá)44.60%，國泰成長優(yōu)選緊隨其后，年初至今亦跌了43.94%。

（1）打設(shè)深度：根據(jù)地質(zhì)情況不同打設(shè)深度為11 m～13 m。

（2）樁體直徑：0.5 m。

（3）加固土樁平面布置：

考慮到擋土墻自重較大及所處部位的特點，該工程中擋墻基地加固土樁采用網(wǎng)格狀（見圖3所示）。

圖3 擋墻底漿噴樁平面布置圖（單位:mm）

（4）樁體所用材料：

a.水泥摻量擬定為15%(質(zhì)量比)，漿噴樁；

b.水灰比擬定為0.45。

4.4.2 施工工序

(2)放樣，機(jī)具就位。

(3)鉆孔成樁：鉆孔采用隔樁跳打的方式進(jìn)行，避免后面打設(shè)的樁對前面的樁體造成影響。成樁采用“四噴四攪”，待鉆桿達(dá)到設(shè)計要求的深度后將配制好的水泥漿液輸入經(jīng)充分?jǐn)嚢韬蟪蓸丁?/p>

(4)檢測：成樁28 d后采用輕型動力觸探檢測加固土樁的成樁情況，90 d后做抗壓強(qiáng)度檢測。

(5)復(fù)合地基：成樁28 d后清除樁頭地層20 cm，鋪設(shè)40 cm的碎石墊層，使其形成復(fù)合地基；在成樁90 d后，逐層施工擋土墻墻身，并分層填筑碾壓墻后填土至路基設(shè)計標(biāo)高。

4.5 加固土樁基礎(chǔ)的計算

基底所用材料性質(zhì)及相關(guān)參數(shù)如下。

4.5.1 砂墊層

砂墊層厚度:0.500(m)；

砂墊層的重度:20.000(kN/m3)；

砂墊層的C:30.000(kPa)。

4.5.2 加固土樁

加固土樁布置形式:網(wǎng)格形；

加固土樁排間距:1.500(m)；

加固土樁的長度：11.000(m)～13.000(m)；

加固土樁樁土應(yīng)力比:3.500；

加固土樁直徑:0.500(m)；

加固土樁的抗剪強(qiáng)度:300.000(kPa)。

4.5.3 沉降計算參數(shù)

地基總沉降計算方法:經(jīng)驗系數(shù)法；

主固結(jié)沉降計算方法:壓縮模量法；

沉降計算考慮超載；

超載產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力采用：直接法；

沉降修正系數(shù):1.400；

沉降計算的分層厚度:0.500(m)；

分層沉降輸出點距中線距離:0.000(m)；

壓縮層厚度判斷應(yīng)力比 =15.000%；

基底壓力計算方法:按多層土實際容重計算；

加固區(qū)主固結(jié)沉降計算方法：公路軟基規(guī)范法。

計算時考慮彌補(bǔ)地基沉降引起的路堤增高量。

按照上述參數(shù)及計算方法（計算過程略），計算所得各個特征點位的相關(guān)設(shè)計參數(shù)（沉降、承載力等）均取得了令人滿意的結(jié)果，以下為具有代表性的3號點位的計算結(jié)果：

路堤的實際計算高度為5.473(m)；

路面竣工時,地基沉降為0.074(m)；

工后沉降基準(zhǔn)期結(jié)束時,地基沉降為0.128(m)；

路面竣工后,基準(zhǔn)期內(nèi)的殘余沉降為0.054(m)；

最終地基總沉降為：1.400×0.148=0.207(m)。

4.6 工后效果分析

4.6.1 參數(shù)的選用

由檢測結(jié)果得知，在上述參數(shù)下，加固土樁取得了較為滿意的結(jié)果，值得商榷的是水泥的摻灰量可在大面積施工前進(jìn)行充分的試樁予以確定；樁長應(yīng)盡可能穿透軟土層使樁頭位于軟基下的較硬土層上，以充分發(fā)揮加固土樁的樁端承載力。

4.6.2 粉噴與漿噴的選擇

加固土樁在工藝上分為粉噴(干法)和漿噴(濕法)攪拌樁。通常根據(jù)含水量的高低確定采用粉噴或濕噴。粉噴樁在成樁過程中可以較為有效的吸收軟土中的水，但成樁效果受軟土情況和攪拌因素等影響，成樁效果較濕噴樁差，尤其是當(dāng)樁長加大時，受測向壓力影響，噴粉困難影響下部樁體的水泥用量。該工程加固土樁采用濕噴樁。從檢測效果來看，因水泥漿液是提前按設(shè)計要求進(jìn)行拌和，保證了水泥用量的同時樁體經(jīng)過充分?jǐn)嚢璩蓸缎Ч草^為理想。因此，對含水量在50%以上的軟土地基也可以采用漿噴樁來成樁。

4.6.3 成樁結(jié)果分析

經(jīng)動力觸探和鉆芯取樣分析，在“四噴四攪”的充分?jǐn)嚢枋┕ず螅谝?guī)定齡期內(nèi)加固土樁的成樁性較好，強(qiáng)度也滿足設(shè)計要求。但從不同部位的檢測結(jié)果分析，樁體上部的強(qiáng)度明顯強(qiáng)于下部，局部個別樁長較大的樁體在底部成樁效果不好。從施工過程來看攪拌機(jī)械在深部受到較大的測向壓力使攪拌效果不好從而不利于樁體的成形，同時也影響了樁體的強(qiáng)度增長。

5 結(jié)語

該工程按上述方案處理后，現(xiàn)已經(jīng)竣工近5 a，經(jīng)檢測，承載力滿足設(shè)計要求；實際沉降發(fā)生量觀測值小于5 cm，滿足工后沉降控制要求。以上處理取得了較為滿意的結(jié)果。

[1]《地基處理手冊》編寫委員會.地基處理手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1988.

[2]沈珠江.軟土工程特性和軟土地基設(shè)計 [J].巖土工程學(xué)報，1998，(20).

[3]沈珠江.海灘軟基的固結(jié)變形分析[J].巖土工程學(xué)報，1989，(9).

[4]王正宏,朱思哲.軟基堤壩[M].北京：水利出版社，1980.

[5]葉書麟.地基處理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1988.

[6]黃文熙.土的工程性質(zhì)[M].北京：水利水電出版社，1983.