土工加筋碎石樁在公路軟基處理中的應用

謝忠勇 李愛國

天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低、固結系數小、固結時間長等是軟土[1]的主要工程特點，軟土地基處理一直是公路工程建設過程中常遇到的技術性問題，地基處理效果的好壞直接影響公路結構的自身安全和運營安全。目前，國內外在軟土地基處理方面的措施按照結構物形式可以分為豎向加強型和水平加強型[2-5]。豎向加強型以各種樁式地基為代表，加固機理主要為擠密作用、置換效應、加速排水效應等，其缺點主要是由于其自身的水平約束力不足，容易造成鼓脹破壞。水平加強型以土工聚合物格柵為主，加固機理為依靠，土工織物使土體具有較高的剪切強度和變形模量，增強土體的水平約束力，其缺點主要是土工織物本身不能承受壓應力，容易造成土工織物的撕裂破壞。

針對上述加固措施的主要缺點，本文采用土工材料配合豎向加固措施的方法——土工加筋碎石樁進行公路軟基處理，增強地基的強度和改善其變形。

1 加固機理

1.1 碎石樁加固效果分析

碎石樁法是指在地基中設置由碎石組成的豎向樁體，設置碎石樁后樁體與樁間土形成復合地基，提高地基承載力、減少沉降量、提高土體抗剪強度、加大土體的抗滑穩定性。由于土體粒料間的粘結力較強、滲透力較差，在振動力和擠壓力的作用下，土體中的水不易排走，所以碎石樁不是擠密，而是置換。它是通過成樁機械將不良地基強制排開并置換成性能良好的碎石，從而達到地基處理的目的。

碎石樁加固地基也出現了不少失敗的工程實例，歸納起來可以分為以下兩種:1)樁間土首先破壞進而引起復合地基全面破壞;2)樁體首先破壞進而引起復合地基全面破壞。在這兩種破壞形式中，后者占絕大多數。試驗表明:樁體在荷載作用下發生的破壞主要是鼓脹破壞，且最易產生鼓脹破壞的部位位于樁的上端。因此，限制樁體上端的橫向變形是有效提高軟基處理成功率和處理效果的直接途徑。

1.2 土工加筋碎石樁加固機理

土工加筋碎石樁加固機理就是針對上述樁體橫向變形破壞問題而設計的，其加固方法為在樁外壁包裹一層土工格柵或織物，土工格柵或織物的包裹作用會對樁體施加一圍壓來限制樁體的側向變形。與傳統的碎石樁相比，土工加筋碎石樁除了具有傳統碎石樁置換作用和排水作用等優良特性外，還具有加筋及限制橫向變形等優點。

2 格柵筒力學參數要求

2.1 格柵筒受力分析

當格柵筒碎石樁應用于軟土地基加固時，格柵的受力主要來源于以下兩個方面:1)碎石樁的鼓脹作用使得包裹其外的格柵承受環向的拉力 Tr。2)當地基土較軟時，地基土與碎石樁的剛度相差較大，在承受上部荷載后地基土將對碎石樁壁產生負摩擦作用，由此而導致格柵筒受到豎向的拉應力Tz。由上述分析可知，土工格柵筒的主要受力為環向的拉力 Tr和豎向的拉應力 Tz，兩者是土工材料的主要性能參數和土工格柵筒設計時必須考慮的限制因素。

2.2 格柵筒力學參數計算

1)環向拉力Tr。

取格柵筒橫斷面進行受力分析，見圖 1。為了求出格柵筒受的環向應力，取隔離體進行受力分析，見圖1b)。

根據結構的對稱性和力的平衡原理在豎直方向上有力的平衡方程:

2)碎石樁壁負摩擦作用產生的豎向拉應力 Tz。

在實際情況中，一般使用以下四種方法計算:

a.有效應力法。

《建筑樁基技術規范》[6]中推薦此方法，計算公式如下:

其中，β為土的負摩擦系數，一般為 0.2～0.5，具體參考《建筑樁基技術規范》;σn為樁周圍土的豎向有效應力。

b.按照室內外測定的土的力學參數確定。

對于軟黏土層，太沙基建議計算公式如下:

其中，qu為土的無側限抗壓強度，kPa;cu為土的不排水抗剪強度，kPa。

對于砂類土:

其中，N63.5為標準灌入擊數，kPa。

c.按灌入試驗錘擊數確定。

黏性土:

砂類土:

d.負摩擦力的經驗值見表 1。

表1 負摩擦力經驗值

在上述四種方法中，后面三種屬于經驗公式，精度較差。有效應力法考慮因素較多，較符合實際情況，是目前工程中常用的方法。本文采用此方法進行設計。

其中，βp為土與格柵的摩擦系數;σ0為格柵筒受到的徑向應力;D為碎石樁直徑，m。

3 工程應用

3.1 工程概況

湘南高速公路 K132+326～K132+450段地質條件較復雜，地基土層分布自上而下分別為:雜填土、黏土、高壓縮性淤泥土、強風化泥質砂巖，雖然經過塑料排水板堆載預壓，高壓縮性淤泥層含水量最大值仍達到 67%，現場十字板剪切強度局部小于20 kPa，地基承載力極低。

3.2 軟基加固方案設計

根據現場測試及室內試驗數據，本處地基處理方案采用土工格柵鋼筋籠碎石樁的處理方法，根據場地土質特性，通過樁身承載力設計計算，碎石樁設計直徑35 cm，按梅花形布置，間距1.2m，平均樁長 3.7m，加固總面積約 5 000m2。樁體設計分為樁頭設計和樁體鋼筋籠制作兩部分:1)樁頭設計:樁體預埋鋼筋籠用 6根長27.1 cm、直徑10mm的圓鋼筋作為主筋，呈直徑35 cm的6等份均勻布置，下端7.21 cm呈135°角內彎，并用直徑8 mm，長82 cm的鋼筋連接，3根長25 cm、直徑8mm的鋼筋對角焊接。2)碎石樁鋼筋籠:鋼筋籠由 6根直徑10mm的主筋呈圓六角均勻布置，每30 cm鋪設一道直徑8mm的箍筋，連接點全部采用雙面點焊。將粗細土工格柵按照120 cm×100 cm剪裁成矩形格料，搭接長度為10 cm，用細鋼絲拉成直徑35 cm的粗細格柵籠，放進已做好的鋼筋籠內，用鐵絲綁在鋼筋籠的主筋上。

3.3 施工工序簡介

土工格柵鋼筋籠碎石樁設計直徑 35 cm，打入淤泥以下的硬土層不小于50 cm，按梅花形布樁。相應施工工藝流程如下:

下套管→取土→拔套管成孔→下鋼筋籠→填碎石夯實成樁。

4 結語

傳統碎石樁的主要破壞形式是鼓脹破壞，且最易產生鼓脹破壞的部位位于樁的上端。土工加筋碎石樁通過在樁體頂部包裹一層土工格柵，限制了樁體的側向變形，從而提高樁體承載能力。土工加筋碎石樁加固軟土地基的理論分析和在湘南高速公路的實際應用都表明其加固效果好，施工簡便，是一種實用而有效的地基處理方法。

[1] 劉玉卓.公路工程軟基處理[M].北京:人民交通出版社，2002:12-13.

[2] 張愛軍，謝定義.復合地基三維數值分析[M].北京:科學出版社，2004:13-14.

[3] 周志剛，張起森.土工格柵碎石樁的承載力分析[J].巖土工程學報，1997(1):18-21.

[4] 天津大學.土力學與地基[M].北京:人民交通出版社，1990:120-125.

[5] 趙明華，劉建華.碎石樁復合地基承載力分析[J].公路，2003(1):17-21.

[6] JGJ 94-2008，建筑樁基技術規范[S].