碎石樁加固松花江漫灘軟土地基沉降特性分析

蘇 濤，張亮亮，胡照廣

(1.福建省交通建設質量安全監督局，福州 350001；2.黑龍江工程學院 土木與建筑工程學院，哈爾濱150040；3.東北林業大學 工程咨詢設計研究院，哈爾濱 150040)

隨著我國基礎工程建設的高速發展，各項工程建設中經常會遇到軟弱土地基，軟土地基處理得好壞直接影響到上部路基結構的穩定，采取什么樣的辦法可以更快更好地加固軟土地基，成了當前該領域一直關注、研究的熱點和難點問題[1-2]。碎石樁處理濕軟地基技術在國外應用較早，加固效果主要表現為擠密、排水和支撐等方面，而其在我國的應用還不是很普及。目前對碎石樁復合地基的研究主要集中于承載力、沉降等的分析。2001年Han J和Ye S L提出了一種簡化的碎石樁固結計算方法，對碎石樁復合地基的固結進行了理論分析[3]。2007年張建立通過對樁間土進行標貫試驗和復合地基的承載力檢測試驗等，研究了碎石樁在沿海高速公路地基處理中的應用效果[4]。2011年蔣敏敏和肖昭然通過數值模擬分析了高速公路碎石樁復合地基在樁體施工、路堤填筑、運行期全過程問題和地震動荷載作用等問題[5]。

目前國內外對于碎石樁復合地基的應用和研究主要集中于由海相、湖相、溝谷相沉積形成軟土地基，對于河漫灘區河灘沉積形成的軟土地基處理應用較少[6-7]。本文以哈爾濱市松北區文化中心環路道路建設項目工程為依托，通過對試驗路段沉降監測數據的分析，研究碎石樁復合地基在河漫灘區軟土地基處理中應用效果，以為該類型地區軟土地基處理的設計和施工提供技術參考。

1 現場工程地質條件

哈爾濱市松北區屬河漫灘區，大量的軟土地層使得該區域不良地質災害現象顯著。哈爾濱市松北區文化中心道路工程地基土中，有一定厚度的淤泥質土和含粘性土的粉砂土。試驗路段位于松花江河漫灘區域，原始地貌為濕地，后采取“吹砂筑島”施工工藝，利用絞吸式挖泥船獲取的江沙從堤岸在道路工程位置筑起一條用于建設的“大島嶼”，在道路地基土中，有一定厚度的淤泥質粘土和含粘性土的粉砂土。在K1+020～K1+220路段，淤泥質粘土的厚度達2.0～3.0 m，含粘性土的粉砂土厚度達3.0～5.0 m，工程地質條件比較差。

為了確切掌握研究區工程地質情況，了解研究區地基地層分布及各個地層的巖土物理力學性質，在典型斷面K1+100進行重點鉆探勘察，并取現場土樣進行室內試驗研究，表1所示為研究路段軟土物理力學指標統計值。

表1 研究路段軟土物理力學指標統計值

由該路段軟土物理力學指標可以看出，淤泥質粘土與粉砂土含水率高、空隙比大，天然含水率已接近或超過其液限含水率，說明土體處于軟弱或流動狀態；而兩種土體的壓縮模量、抗剪強度指標均較低，說明軟土地基的承載力較低，如不采用有效措施對其進行處理，必然會影響路基的穩定。

2 碎石樁法及其原理

振沖碎石樁法是指用振動、沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔后，再將碎石或砂擠壓入土孔中，形成大直徑的碎石或砂所構成的密實樁體[8]。碎石樁主要用于處理軟土地基，屬于散體材料類樁范疇。砂石樁的單樁承載力主要取決于樁周土的側限壓力，即樁間土的約束，與樁側摩擦力和樁端阻力沒有太大關系，這是碎石樁法與其它樁基增強體受力特點明顯不同之處。如圖1所示為研究路段碎石樁施工的圖片。

為了研究碎石樁的承受荷載的性能，找出它的影響因素，南京水科院孟廣訊等人及Hugers和Withers等都在室內進行了相應的碎石樁模型試驗，發現隨著樁的深度加深，樁體表面的荷載迅速衰減，當深度達到3d時，樁體垂直應力平均值只有樁體表面荷載的27.4%。Hugers和Withers也得出類似的結論，如圖2所示。由上分析本文也可以得出影響碎石樁承受荷載的性能的因素主要有：一為碎石樁自身強度；另一方面由于樁間土的荷載在碎石樁樁體周圍產生的圍壓和碎石樁狀體本身的結構強度產生的約束力，對碎石樁的承載力性能的提高有巨大的作用[9-11]。

圖1 碎石樁施工照片

為了得出對實際情況下樁體的荷載傳遞原理和變形特性比較吻合的具有實用意義的模型，研究砂石樁體和土體共同作用下的樁體的應力—應變關系尤為關鍵。特別是在研究高層建筑時，要考慮到在高層建筑結構與地基的協同作用下，基礎和結構的內力受地基非線性的影響進行了重分布，研究起來更為復雜。從各種研究碎石樁樁土應力應變的關系試驗中我們發現圍壓的大小對成樁后的碎石樁有著非常重要的作用。相關試驗研究表明在圍壓σ3低于200kPa時，即低圍壓下，樁體應力應變關系與鄧肯—張雙曲線模型比較吻合，而當σ3大于200kPa時，樁體應力應變關系接近于理想彈塑性模型，如圖3所示。在實際工程中的碎石樁，樁周土的側向約束力大多處于低圍壓范圍，即一般不大于200kPa，因此采用鄧肯—張模型求取的相關參數計算得到的結果與實際情況比較接近。

圖2 樁側徑向位移與深度的關系(d為樁的直徑)

圖3 碎石樁應力應變曲線

3 路段地基沉降特性分析

為了掌握碎石樁法處理前后地基的沉降特性，在研究區選定了具有代表性的斷面K1+100，并在該斷面路基的橫斷面布置三個測點，分別為道路的左路肩、中央和右路肩。監測方法為：以道路以外50 m位置的水準點為基準，該水準點埋深達3.0 m，不受季節性凍融的影響，可靠度可以，定期對K1+100斷面的各個測點進行觀測。

如圖4所示為K1+100斷面沉降曲線，沉降監測開始于2011年7月15日，測至2012年6月27日，共358 d，K1+100斷面左路肩、道路中央和右路肩位置的總沉降量分別為35.1、38.8、35.5 cm。有曲線可知，從2011年7月15日至2011年10月6日，K1+100斷面左路肩、道路中央和右路肩位置的總沉降量分別為12.1、13.8、11.5 cm；在2011年10月初，試驗路段開始碎石樁作業，直至2011年10中旬結束，從2011年10月6日至2011年10月15日得時間內，K1+100斷面左路肩、道路中央和右路肩位置的這9 d內的沉降量分別為13.3、14.8、15.5 cm，截至2011年10月15日，K1+100斷面左路肩、道路中央和右路肩位置的總沉降量分別為25.3、28.8、27.5 cm；從2011年11月末至2012年4月初，由于冬季停止施工，道路的沉降量很小；從2012年4月末至2012年7月初，道路沉降量為3 cm。

由K1+100斷面的沉降規律可知：碎石樁施工過程中，道路沉降速率非常大，在短短的9 d內，道路的沉降量可達12～18 cm，由此可鑒碎石樁不僅加強道路的地基承載力，同時也加速了道路的沉降固結，使得軟土地基在較短時間內快速加固、固結沉降；碎石樁施工以后，道路的沉降速率大大減小。但是，從2012年4月末至2012年7月初，道路沉降量達3 cm，工后沉降量偏大，在碎石樁加固軟基以后應對路基采取超載預壓，加速路基土固結，以使后期路基更加穩定。

4 結論與建議

本文通過對黑龍江省哈爾濱市松北區文化中心環路道路地基的沉降監測，研究振沖碎石樁法加固松花江漫灘區軟土地基的應用效果，從觀測的沉降數值曲線可以得知，振沖碎石樁施工過程中，道路沉降速率較大，在9 d內道路的沉降量達12～18 cm，碎石樁加速了道路軟基的固結；碎石樁施工以后，道路的沉降速率顯著減小。碎石樁法加固軟土地基以后，應對路基采取超載預壓，加速路基土固結，以使后期路基更加穩定。研究結果可以作為該類型地區軟土地基處理的設計和施工技術參考。

圖4 試驗路段K1+100斷面沉降曲線

【參 考 文 獻】

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[5]蔣敏敏，肖昭然，蔡正銀.高速公路碎石樁復合地基加固數值模擬[J].巖土工程學報，2011，33(S2)：475-479

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[7]高大釗，袁聚云.土質學與土力學[M].北京：人民交通出版社，2001.

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