四川某河道軟土地基治理設計

劉玉國（中國石油工程設計有限責任公司西南分公司，四川　成都　610041）

四川某河道軟土地基治理設計

劉玉國
（中國石油工程設計有限責任公司西南分公司，四川成都610041）

本文介紹了某河道軟土地基治理設計的方法。簡述了一些地基處理方法，并對兩種選用的方法強夯置換和碎石樁進行了對比，給出了設計和驗算過程。與碎石樁比較強夯具有技術可靠、施工簡便、經(jīng)濟合理等特點。

強夯置換；軟基處理；碎石樁；承載力

1　前言

人們常將不能滿足建（構）筑物對地基要求的天然地基稱為軟弱地基或不良地基。在土木工程建設中經(jīng)常遇到的軟弱土和不良土主要包括：軟粘土、雜填土、沖填土、飽和粉細砂、濕陷性黃土等等。地基問題主要包括三個方面：（1）地基承載力和穩(wěn)定性問題；（2）沉降、水平位移及不均勻沉降等變形問題；（3）滲流問題。地基處理方法有八大類四五十種之多，每種方法均利用不同的原理，適合于不同的地基土。四川某河道下伏厚達20m～35m的淤泥或淤泥質(zhì)粘土，因此地基處理是本工程的關鍵，而提高地基承載力以及盡可能減少工后沉降就是該地基處理的重點。本工程要求的相關設計參數(shù)：

地基承載力：fk≥100kPa（按照上部構筑物基底的最大壓應力）。

地基處理后的差異沉降：△s≤5cm（參照建筑物地基變形允許值）。

2　工程概況及治理方案簡述

2.1 工程概況。四川某河為某城市工業(yè)園區(qū)中的唯一的河道，每年汛期，洪水均漫過現(xiàn)狀河岸并淹沒兩岸農(nóng)田，致使農(nóng)戶莊稼歉收、經(jīng)濟受損。加之現(xiàn)狀河道彎道較多、彎曲半徑較小，淤積日益嚴重。為配合工業(yè)區(qū)建設，擬對現(xiàn)狀進行整治，并為城區(qū)造景、美化環(huán)境，達到山、水、人、城自然融洽的目的。規(guī)劃區(qū)內(nèi)整治河道總長6569.15m，其中主河道2+578.79～3+869.33共1290.54m為一期整治工程范圍。該廠區(qū)內(nèi)谷底為典型的丘間緩慢流動水條件下淤積而成，地表以下為15～36m深的淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、細砂土、粉土等典型的軟土層，物理力學參數(shù)低。以淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為例，容許承載力為50kPa，壓縮模量為2.13MPa，其中細砂土，粉土屬液化土，所以天然地基不能作為擋土結構的地基，須進行地基處理，處理后地基承載力達100kPa以上。河道地質(zhì)橫斷面剖面圖如圖1 所示。

2.2 可行的地基處治方案概述。（1）藍派方案：由南非傳入國內(nèi)的一種地基處理方法，是在基底開挖后，在基底鋪砂卵石，利用藍派設備的強大沖擊能，把砂卵石沖擊壓入淤泥質(zhì)粘土中，壓入厚度2m。藍派地基處理技術主要適用于淺埋基礎，其沖擊壓實的作用范圍一般在2m左右，對于較厚的軟基礎的處治效果不是很好。（2）換填方案：將基底超挖2m，再分層碾壓換填砂卵石。但挖填的方量較大，施工期長，投資大。（3）粉噴樁方案：該方案很好的解決了護岸邊坡及河床下淺埋粉砂液化層的穩(wěn)定，但施工難度大，周期長，投資很高。（4）強夯置換：先在河床底拋石擠淤，再鋪設砂卵石墊層后強夯，強夯過程中在夯坑中填卵石置換軟土，夯實深度3m～6m。此方案施工快捷，投資較省，能明顯提高地基承載力及減小地基沉降變形。（5）砂石樁：砂石樁法是指利用振動或沖擊方式，在軟弱地基中成孔后，填入砂、礫石、卵石、碎石等材料并將其擠壓入土中，形成較大直徑的密實砂石樁的地基處理方法。主要包括砂樁（置換）法、擠密砂樁法和沉管碎石樁法等。

3　地基處理方案

由河床下臥土層按照分類應屬于軟粘土，它是第四紀后期形成的河流沖積物，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1.0。當天然孔隙比大于1.5時，稱為淤泥；當天然孔隙比界于1.0與1.5之間時，稱為淤泥質(zhì)土。這類土的特點是天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪強度低、壓縮系數(shù)高、滲透系數(shù)小。在荷載作用下，軟粘土地基承載力低，地基沉降變形大，容易產(chǎn)生較大的不均勻沉降。針對本工程特定的地質(zhì)條件，選定兩種地基處理方案作為比較對象，加以詳述。

表1　地基主要處理土層物理力學指標建議值表

表2　強夯置換法加固地基實例

圖1　河道地質(zhì)橫斷面剖面圖

3.1 強夯置換法。普通強夯法的工程實踐證明，該方法加密軟土地基效果不明顯，且施工很困難，夯擊2～3錘夯坑就達1m～2m，夯錘往往拔不出來。強夯置換法不是利用強夯來加密軟土，而是利用強夯作為置換軟土的手段，即利用強夯排開軟土，夯入塊石、碎石、砂或其它粗顆粒材料，最終形成塊（碎）石墩（樁），塊（碎）石墩（樁）與周圍混有砂石的夯間土形成復合地基。經(jīng)強夯置換法處理的地基，既提高了地基強度，又改善了排水條件，有利于軟土的固結。強夯置換的加固原理相當于下列三者之和：強夯（加密）+碎石墩+特大直徑排水井。因強夯置換在兩遍夯擊之間不必留出孔隙水壓消散的時間，從而施工速度快，目前已成為處理軟土地基（河道、沼澤等）的一種好方法。強夯及強夯置換法加固地基的相關實例及其加固后的效果見表2：

3.1.1強夯置換法設計施工要點。（1）強夯夯擊能量：從效率及經(jīng)濟角度考慮，對于本工程可采用2000kN·m～3000kN·m的單位夯擊能，夯錘可選用直徑為2.5m的錘。（2）夯點間距：建議4.5m～6m，第二遍可適當加密。（3）夯點的布置：正方形布置，隔行跳打。（4）夯擊次數(shù)及遍數(shù)：每個夯擊點夯擊次數(shù)7～12次，夯完一次后在夯坑中填入卵礫石，再夯下一次，同時滿足最后兩擊的夯沉量不大于50mm；夯擊2遍，最后一遍以800kN·m能量滿夯。（5）處理深度及寬度：通過邊坡形式與地基的整體穩(wěn)定性驗算，得出其合適的處理深度為4m，寬度為24m。

3.1.2 強夯置換法加固地基后的參數(shù)變化。下面給出ZK18詳細計算過程（計算簡圖如圖2）。如圖2 所示0.5m厚的淤泥粉質(zhì)粘土，γ=15.8kN/ m3，Es1=3.87MPa；下面是2.5m的粉砂，γ=17.5kN/m3，Es2=3.2MPa；第三層為淤泥粉質(zhì)粘土，γ=15.8kN/m3，Es3=3.87MPa。基地的壓力=70kPa，基地附加應力=70-γ×0.5=62.1kPa。基礎寬度b=3.4m，暫取基礎寬度L=10.88m。基礎埋深為0.5m。

（1）地基受壓層計算深度Zn

Zn=b（2.5-0.4lnb）Zn=3.4（2.5-0.4ln3.4）=6.8m

通常對于多分類任務解決的基本思路是將多分類問題拆解為多個二分類任務進行求解。具體來說，是先對多分類問題進行拆分，然后為拆出的每個二分類任務訓練一個分類器；在測試時，對這些分類器的預測結果進行集成以獲得最終的多分類結果。通常采用兩種經(jīng)典且容易實現(xiàn)的拆分策略，即一對一(OVO)和一對多(OVA)。

L/b　z/b a 3.2　z0/b=0/3.4=0　1.000 3.2　z1/b=3/3.4=0.882　0.834 3.2　z2/b=5.5/3.4=1.618　0.654 3.2　Z3/b=6.8/3.4=2　0.584

（2）a取值（3）求ψS由

A1＝（1＋0.834）×3/2=2.751

A2＝（0.834+0.654）×2.5/2=1.86 A2＝（0.654+0.584）×1.3/2=0.805 ψS=1.40-0.1×1.111/1.5=1.326 （4）沉降量S

=1.326×62.1×[0.834×3/3.87+ （0.654×5.5-0.834×3）/3.2+ （0.584×6.8-0.654×5.5）/3.87]=8.9cm。

（5）當?shù)鼗?jīng)過處理后，Es1＝7.11MPa，計算的沉降量為5.1cm，即工后沉降得到了有效的的控制。

3.2 碎石樁法。該方法全稱振動沉管擠密碎石樁，是指采用沉管或其它方法在地基中設置碎石樁，在成樁過程中對周圍土層產(chǎn)生擠密，被擠密的樁間土和碎石樁形成復合地基，達到提高地基承載力和減小沉降的目的。對于飽和土，在碎石樁施工結束以后，在上覆土壓力作用下，通過碎石樁良好的排水作用，樁間粘性土發(fā)生排水固結，同時由于粘性、水分子、離子之間重新形成新的穩(wěn)定平衡體系，使土的結構強度得以恢復。因此，從碎石樁和土組成復合地基角度來看，碎石樁處理飽和軟弱粘土地基，主要有兩個作用。一是置換作用，碎石樁與樁間土共同形成復合地基，其主要起墊層的應力擴散和均布作用，從而提高地基承載力，減小沉降量。地基承載力增大率與沉降量的減小率均和置換率成正比關系。二是排水作用，不是影響粘性土性質(zhì)的主要因素之一，粘性土地基性質(zhì)的改善很大程度上取決于其含水量的減小。由于碎石樁縮短了排水距離，從而可以加快地基的固結沉降速率。

3.2.1 碎石樁設計施工的要點。（1）樁徑：對于淤泥質(zhì)等飽和土應采用較大的直徑，如500mm～800mm，這里取d=800mm。（2）樁長：規(guī)范要求不應小于最危險滑面以下2m的深度，一般不小于4m，按照前面強 夯地基的處理深度及搜索的滑面，本工程樁長可定為5m。（3）樁距：均取1.5m，按正方形布置。（4）墊層：樁頂1m范圍內(nèi)應碾壓夯實，再鋪設300 mm～1000mm厚的墊層，并夯實，作為構筑物的基礎。

3.2.2 碎石樁地基加固后參數(shù)變化。對淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土面層：容許承載力50kPa，壓縮模量2.13MPa，內(nèi)聚力1.4kPa，內(nèi)摩擦角4.5度。碎石樁置換率，de為一根樁分擔的地基處理面積的等效圓直徑，對正方形布樁de=1.13s，s為樁距。d=0.8m，de=1.13s=1.13 X1.5=1.695m，按常規(guī)的樁體承載力fak=300-600kPa，安全起見這里取300kPa。參照振沖樁復合地基承載力計算，樁土應力比n=300/50=6，fspk=[1+m（n-1）]fsk≥[1+0.22（6-1）]× 50=105kPa。再按復合地基公式計算壓縮模量，Esp=[1+m（n-1）]Es≥[1+0.22 （6-1）]×2.13=4.473MPa，雖然處理效果不及強夯明顯，但亦能滿足設計要求。

3.3 地基處理方案比選。碎石樁與強夯置換相比，有兩個弱點，一是在浸水地區(qū)，其排水固結作用受到抑制；二是對樁間土的擠密作用不及強夯明顯。因此，從可靠性角度上說，推薦采用強夯置換法進行地基處理。

結語

單就地基承載力而言，砂卵石層經(jīng)夯實后遠大于100kPa的最低要求，因此對于軟弱淤泥質(zhì)土，強夯置換地基處理技術是可行的。至于沿河道縱橫向的不均勻沉降問題，強夯能夠?qū)⒔^大部分沉降量先期處理掉，使得工后沉降盡可能小，而擠淤后形成的砂卵石墩能約束地基的不均勻沉降以及水平的位移。從技術分析上看，強夯置換能滿足工程技術需要，另外強夯法施工機具簡單、節(jié)省材料、工程造價低、施工快捷，所以推薦方案是地基采用強夯置換法處治。

圖2　計算簡圖

[1] JGJ79-2012，建筑地基處理技術規(guī)范[S].

[2] GB50021-2001（2009版），巖土工程勘察規(guī)范[S].

[3]《建筑施工手冊》（第四版）編寫組.建筑施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[4]《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，1994.

[5] GB50007-2011，建筑地基基礎設計規(guī)范[S].

TU471

A

劉玉國，1975.02.08 ，漢，籍貫為四川隆昌，中國石油工程設計有限責任公司西南分公司，工程師，碩士，巖土工程勘察與設計。1999年7月畢業(yè)于成都理工大學建筑工程專業(yè)本科，2007年7月獲得成都理工大學巖土工程專業(yè)碩士學位。