“人造硬殼層”在灌東新材料產業園道路軟基處理中的應用研究

沈學芳，曾惠芬，王子龍

（蘇州市市政工程設計院有限責任公司，江蘇蘇州215125）

“人造硬殼層”在灌東新材料產業園道路軟基處理中的應用研究

沈學芳，曾惠芬，王子龍

（蘇州市市政工程設計院有限責任公司，江蘇蘇州215125）

我國東南沿海地區由于其獨特的區位優勢，成為發展各類產業園的首選地區，但其軟土層厚的地質條件給工程建設帶來了一定困難。現介紹“人造硬殼層”的原理及其在灌東新材料產業園區中的成功應用，為沿海地區軟土路基處理提供一項造價較低、工期較短、效果良好的技術，也可供相關專業人士參考。

人造硬殼層；軟基處理；市政道路；鹽城市

1　概述

《江蘇省沿海開發總體規劃》明確提出加快開發沿海產業帶，而沿海地區一般為海相或湖相沉積形成，適宜開發的優質土地資源是有限的。沿海地區淺層土質主要為淤泥、淤泥質粘土，其工程性能較差，無法滿足工程對地基的要求。因此，軟土地基處理一直是沿海地區工程建設的重點和難點，因地制宜地設計軟土地基處理方法，來滿足工程的質量、工期和造價要求是工程建設的重中之重。

本文介紹的“人造硬殼層”處理方法具有工期較短、造價較低的特點，并且能夠滿足設計規范的要求。該技術已經成功運用于鹽城灌東新材料產業園一期市政道路，得到高度認可?！叭嗽煊矚印保?］軟土地基處理法主要是：通過多層碾壓達到要求的石灰土夾土工格柵，形成“人造硬殼層”，并通過進行室內和室外實驗，以及通過彈性薄板理論的Winkler彈性地基板方法進行了理論分析與計算。

2　灌東新材料產業園一期市政道路工程介紹

鹽城市灌東新材料產業園位于鹽城市響水縣陳家港鎮，總面積約為26.5 km2。規劃發展目標：江蘇沿海開發的新材料產業先導區、科研中試集聚區、循環經濟實驗區、產城互動開發示范區。灌東新材料產業園啟動區位于產業園西南，先行啟動的一期工程為“一縱兩橫”的三條道路，分別為灌東大道、新城大道和新瑞路，道路等級為主干路，道路現狀為廢棄的鹽田，道路周邊規劃均為工業地塊。路基設計沉降控制要求按現行《城市道路路基設計規范》（CJJ194-2013）要求并兼顧雨污水管的要求，路基容許工后變形指標：橋臺與路堤相鄰處不大于0.10 m，涵洞、通道處不大于0.20 m，一般路段不大于0.30 m；路基強度要求路基回彈模量不小于35 MPa。

3　工程地質情況

陳家港鎮所處區域地質構造單元屬蘇北坳陷區，基巖地層以白堊系浦口組砂礫巖和下第三系阜寧群紫紅色砂泥巖、泥質砂巖為主。據區域資料，該區中新世至中更新世期間沉積一套淡水河湖泊相松散堆積物，這套堆積物的底部（上第三系）以細粒的粘土、粉質粘土為主，中部（下更新統及中更新統的下部）以粗粒砂層為主，上部（中更新統上部）以粉質粘土為主，形成“細-粗-細”沉積旋回。

地質鉆探資料表明，工程場地全線分布有厚約22 m左右的軟弱土層，主要為②層淤泥質粉質黏土和淤泥質粉質黏土夾粉土，承載力約60～80 kPa，淺黃色，軟～流塑，高壓縮性，平均含水量在35%～40%，孔隙比為1.04～1.16，壓縮系數為0.6～0.78 MPa-1，滲透系數在10-4～10-5cm/s，為工程建設不利土層。第③層粉土，稍～中密，中壓縮性，工程性能一般。工程場地內地下水位較高，潛水穩定水位平均埋深為0.88 m。

灌東新材料產業園緊鄰黃海，屬于濱海淤積平原地貌，為海濱鹽漬土地區。按含鹽化學成分，該場地鹽漬土整體為氯鹽漬土，局部為亞硫酸鹽漬土和亞氯鹽漬土。按含鹽量，該場地鹽漬土整體為中鹽漬土，局部為過鹽漬土、強鹽漬土和弱鹽漬土。對于道路工程來說，鹽漬土造成的主要危害包括：鹽脹使路基路面鼓脹開裂，路肩及邊坡松散剝蝕；受水浸時，路基強度與穩定性急劇降低，發生溶陷變形；加劇路基的凍脹與翻漿；對水泥、瀝青、鋼材等材料有侵蝕作用等。因此，鹽漬土的處理也是路基處理方案選擇的控制因素之一。

4　道路軟土地基處理方法的選擇

環境條件、道路條件、地下管線、經濟條件、施工機具、材料來源的差異性均為路基處理方案選擇的控制因素，因地制宜地根據工程需要選擇合適的軟基處理方法尤為重要。軟基處理從技術原理可分為：排水固結法、換填土層法、復合地基處理法等大類。灌東新材料產業園一期工程軟土特點：深厚層軟土，厚度達22 m，覆蓋層薄，淤泥質粉質黏土為主，相對軟土鑒指標含水量30%超出5%～10%，天然孔隙比0.9超出0.14～0.26，高壓縮性，透水性差。針對上述特點，前期方案階段選擇了沿海地區常用的高真空擊密法、釘形水泥土雙向攪拌樁、PTC管樁、人造硬殼層等進行分析比選。

4.1高真空擊密法

高真空擊密法軟地基處理工法是一種新型快速真空動力排水固結法，通過人為在土層中制造“壓差”，利用“壓差”來快速消散超孔隙水壓力，使軟土中的水快速排出，并結合數遍合適的變能量擊密，逐步達到降低土體的含水量，提高密實度、承載力。高真空排水，使擊密效果大大提高，從而使被處理土體形成一定厚度的超固結“硬殼層”。由于“硬殼層”的存在，使得表層荷載有效擴散，減少地基工后沉降和不均勻沉降。這種路基處理方法后，地表下7 m的地基固結明顯，可減少管道溝槽開挖支護，提高安全度。

高真空擊密法具有造價適中、工期相對較長、施工技術要求高、質量可控的特點，且不添加任何添加劑，無泥漿等廢棄物，對周圍環境影響較小，但施工工藝相對復雜。

4.2釘型水泥土攪拌樁

釘型水泥土攪拌樁是通過對現有的常規水泥土攪拌樁成樁機械進行適當改造，配上專用的動力設備與多功能鉆頭，采用同心雙軸鉆桿，在內轉桿上設置正向旋轉葉片并設置噴漿口，外轉桿上安裝反向旋轉葉，通過外桿上葉片反向旋轉過程中壓漿和內外桿正反向旋轉葉片同時雙向攪拌水泥土，既阻斷上冒水泥漿，又能保證水泥漿攪拌均勻，保證成樁質量。該工法在施工過程中，可以利用土體的主被動壓力，使鉆桿上葉片打開或收縮，樁徑隨之變大或變小，形成釘形樁。

釘型水泥土攪拌樁加固軟土路基具有工期相對較短，施工速度較快，但工程質量較難控制，對施工隊伍素質、能力要求較高，工程費用較高。且由于地基中摻入水泥，對地下水有輕微影響。

4.3PTC管樁

PTC管樁復合路基主要由天然土基、PTC管樁、褥墊層組成，PTC管樁樁頂澆筑樁帽。由于樁帽的存在，其受力模式與一般的復合地基不同，通過樁、樁帽及樁帽下的土體共同工作，變形協調。

PTC管樁復合路基具有施工快速，成品樁質量容易控制，對樁端持力層起伏變化大的地質條件適應性較強，樁身混凝土強度高，耐壓耐錘擊性好，貫穿能力強。

4.4“人造硬殼層”

“人造硬殼層”軟土地基處理法是在原有軟土地基中通過構造方法形成一層硬土層，從而改善軟土受力特性。當軟土上有一定厚度的硬殼層存在時，能使上部結構荷載傳遞到下臥軟土層的荷載在其承載力范圍內，滿足設計要求，沉降變形限制在允許范圍內。

道路路基施工工藝要求較高，對于格柵類材料及其施工要求較高，路基施工時沉降觀測及路基降水要求高，需配合管道施工對整個路基施工期間降水，保證施工期間路基施工質量。對于軟土層較深、指標接近臨界值的工程采用“人造硬殼層”路基處理更為經濟。與橋梁等構造物銜接處，遠期易產生不均勻沉降，易發生橋頭跳車現象，建設期可采用堆載預壓等措施減少工后沉降，運營期間需加強后期養護加罩。

4.5方案比較

該項目為灌東產業園啟動區，資金壓力與工期壓力較大，工程造價和工期是建設工程的關鍵因素。高真空擊密法處理費用適中、處理效果較好，但施工工期長，通過試驗路段驗證其適用性。釘形水泥土雙向攪拌樁或PTC管樁方案施工速度快，處理效果好，但其造價偏高，并不適合應用于該工程。硬殼層路基在總工期和造價方面比其他工法具有優勢，處理效果滿足工程要求，因此在該工程中得到應用（見表1）。

5　“人造硬殼層”設計方法

5.1“人造硬殼層”原理

“人造硬殼層”地基處理法：在軟土地基中，通過構造方法形成的硬土層本身具有相對較大的密實度，而且具有一定的剛度，它可以分擔荷載產生的一部分剪力。此時硬殼層具有了類似于梁的作用，可以承擔部分彎矩、剪力并抵抗變形。這種類似于梁的作用可稱為“硬殼層”的“殼體效應”?！皻んw效應”的存在能使傳到下臥軟土層的單位面積荷載低于按傳統擴散方法計算出來的單位荷載， 且分布更加均勻， 相當于提高整個地基的承載能力。

表1　路基處理方案比較表

根據試驗研究，石灰含量和壓實度均與無側限抗壓強度呈正相關。在石灰土的壓實度大于等于93% 的條件下，具有比較強的無側限抗壓強度， 可以達到板體效果。

“人造硬殼層”中夾設鋼塑土工格柵，利用土工格柵的高強度韌性，使之與土基組合成一個整體，可限制工基側向變形，防止骨料下陷，分散垂直荷載，也可以產生一種板體效應，減少不均勻沉降。

5.2“ 人造硬殼層”設計

在灌東新材料產業園一期工程中，“人造硬殼層”的設計如圖1所示，由40 cm 10%石灰土+ 40 cm 8%石灰土+ 40 cm 水泥石灰穩定土+ 30 cm碎石土組成“硬殼層”。其中再夾設兩層鋼塑土工格柵，提高“硬殼層”的整體剛度，使路基具有良好的無側限抗壓強度，并且也可以抵抗彎矩，從而將應力分散至整個路基底部，使下臥層的受力均勻，壓強減少，從而達到提升路基整體強度、減少沉降的目的。

底部碎石土在“人造硬殼層”中起到結構作用，同時起到隔斷作用。隔斷層設在路堤內一定深度處，以隔斷向上遷移的水分和鹽分，防止鹽份轉移并有利于路基穩定，是防止路基鹽脹、翻漿的十分有效的路基處理措施。

圖1　“人造硬殼層”橫斷面設計圖（單位：cm）

采用微分方程數值解法計算得到“人造硬殼層”處理過后的路基工后沉降值，一般路段，路基填土高度為1.5 m和2 m，總沉降量分別為0.189 m和0.268 m，工后沉降分別為0.065 m和0.085 m；在橋頭處，路基填土高度為2.8 m，總沉降量為0.385 m，工后沉降為0.116 m。根據《城市道路路基設計規范（CJJ 194-2013）》，主干路一般路段工后沉降應不大于0.3 m，橋臺處應不大于0.1 m。可見在一般路段，該工法可以滿足規范的沉降要求，而在橋頭路段，工程設計在橋頭兩側不小于50 m范圍內進行堆載預壓處理，進一步減少工后沉降，以滿足規范要求。

6　施工現場效果

施工中需及時合理地布置排水系統，疏通路基范圍地表積水，降低地下水位。在地下水位較高路段，除擋導表面水外，還加深了兩側邊溝或排水溝，以降低路基下的地下水位。

施工現場土基各層碾壓平整，路基頂面主要指標檢測結果如表2所列。

U416.1

B

1009-7716（2015）05-0032-03

2015-01-06

沈學芳（1969-），女，江蘇蘇州人，高級工程師，主任工程師，從事道路工程設計工作。