夯擴碎石樁處理深厚層軟土地基路堤邊坡效果分析

楊紹猛，王 毅，潘 昊

（1.上海市政工程設(shè)計研究總院集團 浙江市政設(shè)計院有限公司,浙江 杭州 310000；2.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司,上海市 290000）

夯擴碎石樁處理深厚層軟土地基路堤邊坡效果分析

楊紹猛1，王 毅1，潘 昊2

（1.上海市政工程設(shè)計研究總院集團 浙江市政設(shè)計院有限公司,浙江 杭州 310000；2.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司,上海市 290000）

結(jié)合工程實例系統(tǒng)論證了夯擴碎石樁在沿湖臨空面深厚層軟土地基上處理高填方城市主干路已滑坡段的方案布置。為了滿足邊坡穩(wěn)定及沉降要求,論證比選了抗滑樁、強夯置換墩和夯擴碎石樁三者之間在工程上的優(yōu)劣性,采用了夯擴碎石樁復(fù)合地基。通過荷載試驗及位移觀測等成果分析,復(fù)合地基滿足工程抗滑穩(wěn)定要求。

夯擴碎石樁；高路堤；滑坡；深厚軟土地基；邊坡位移監(jiān)測；荷載試驗。

0 引言

浙江沿海某縣濱湖西路工程位于圍海而成的團結(jié)湖的西側(cè),全長約2 km,是開發(fā)區(qū)內(nèi)最重要的一條城市主干路+臨水景觀綠帶+水利防洪堤壩的綜合性工程。通過該工程的建設(shè),既要解決開發(fā)區(qū)對內(nèi)對外交通,又要打造開發(fā)區(qū)內(nèi)濱水景觀帶,提升區(qū)內(nèi)整體品質(zhì),同時結(jié)合團結(jié)湖駁岸建設(shè)改造提升整個片區(qū)的防洪標準,工程地位非常重要。

該工程場地位于海陸交界處,現(xiàn)狀地形是山坡坡腳逐漸傾斜入水的臨空面,是大面積的濱海相沉積灘涂地,淤泥厚度約10 m,高靈敏度。道路設(shè)計路堤平均高度為5.0 m左右,放坡后入水處采用漿砌塊石駁坎收腳,駁坎與道路之間的臨水綠化帶最大寬度約12～40 m不等。道路路堤及駁坎范圍內(nèi)均采用高壓旋噴樁地基處理,但路堤與駁坎之間的12～40 m綠化范圍內(nèi)無任何地基處理措施。由于建設(shè)時序和相關(guān)條件的改變,在道路、地下管線及駁坎基本建成一年后,后期的綠化帶填土造坡過程中出現(xiàn)了局部邊坡滑移,后陸續(xù)延伸,滑坡長度總計約1.2 km,滑移的基本特點和周邊情況如下:

（1）滑移線沿道路路堤邊線外約5 m處縱向延伸,下陷深度20～100 cm不等,綠化帶填土塌陷導(dǎo)致駁坎基礎(chǔ)破壞并同步向湖面滑移,致使湖床淤泥隆起；

（2）道路路基和該側(cè)布置的雨水管道完好,但管道邊線距離滑移線較近,僅1.5 m左右,為滑坡處理帶來了施工上的難度。

針對上述情況,充分考慮保護現(xiàn)狀路堤和地下管線,結(jié)合造價最省及工期最短等多重條件,經(jīng)過多方案比選后采用了夯擴碎石樁地基處理。圖1為道路標準橫斷面圖。

圖1 道路標準橫斷面圖（單位:m）

1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)邊坡滑移段的地勘鉆探資料顯示,濱湖西路及其綠帶、護岸沿線場地地層分布如下:

（1）黏土層:呈可塑飽和狀,中高壓縮性,厚度約0.5 m；

（2）淤泥層:深灰色,濱海相沉積,高含水量呈流塑狀,局部含粉細砂,韌性差呈高壓縮性,厚度約10m；

（3）粉質(zhì)黏土層:呈硬塑狀,局部含砂和風(fēng)化礫石,韌性中等,干強度高,層厚約4.0 m；

（4）圓礫層:未揭穿。

受靠山面湖的海陸相交界地形的影響,持力層（3）粉質(zhì)黏土層及（4）圓礫層均為傾斜入水的臨空面,局部較陡,建設(shè)場地是大面積的濱海相沉積灘涂地。

通過原位測試和土工試驗,各巖土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標見表1。

表1 主要土層物理力學(xué)性質(zhì)指標

可見該區(qū)域淤泥層滲透性低,含水量高,為深厚高壓縮性地基,不能直接利用,在工程建設(shè)時必須進行處理。后期未進行地基處理的12～40 m寬度的綠化帶隨著填土的逐漸增高最終滑移破壞,同時推移破壞了平行布置的重力式駁坎。

2 方案比選

滑坡后綠化帶內(nèi)的填土高度已有3.5 m左右,且為均勻性極差的塊石和宕渣回填料,填筑過程中受機械的碾壓使塊石嵌入淤泥深度多在2.0 m左右,清理十分困難,同時清理過深又會帶來新的邊坡滑移風(fēng)險。針對上述情況,在重點考慮保護現(xiàn)狀路堤和地下管線安全的前提下,結(jié)合造價省、工期短、施工方便等多重因素,在抗滑樁、強夯置換墩及夯擴碎石樁多方案之間充分比選后,采用了夯擴碎石樁地基處理方案（見表2）。

表2 滑移邊坡處理方案比選表

3 設(shè)計計算

根據(jù)地勘揭示主要土層物理力學(xué)性質(zhì)指標采用理正邊坡計算,未經(jīng)處理的邊坡穩(wěn)定系數(shù)僅0.77,不穩(wěn)定。采用夯擴碎石樁地基處理時,布樁方案、參數(shù)取值、計算公式如下:

（1）布樁方案

碎石樁樁徑為1.2 m,樁間距2.2 m,采用正三角形布置,置換率m=27%,有效樁長12 m,碎石樁打穿淤泥樁端進入粉質(zhì)黏土層2.0 m,樁體材料采用級配良好且含泥量不大于5%的碎石,最大粒徑不大于30 mm。

（2）參數(shù)取值

樁土應(yīng)力比n=σp/σs,為復(fù)合地基中樁頭平均豎向應(yīng)力與樁間土頂平均豎向應(yīng)力的比值,但也受樁土模量比、置換率大小、路堤高度及路堤材料等多種因素的影響[1,2],其取值大小是本方案計算的一個重點。規(guī)范取值在2～4之間,原土強度低時取大值,強度高時取小值；工程地質(zhì)手冊中按天然地基承載力特征值對應(yīng)的取值范圍3.5～3.2[3]。綜合以上情況,取n=3.3,同時取碎石樁p=30°。

（3）計算公式

根據(jù)相應(yīng)規(guī)范復(fù)合地基強度指標csp、sp值計算如下:

式中:csp為復(fù)合地基黏聚力,kPa；sp為復(fù)合地基內(nèi)摩擦角；μp為樁間土應(yīng)力折減系數(shù)；n為樁土應(yīng)力比；m為置換率。

根據(jù)式（1）、（2）、（3）可得,夯擴碎石樁處理后的復(fù)合地基強度指標csp=5.33 kPa,sp=18.1°。

（4）滑坡穩(wěn)定性計算

根據(jù)簡化畢肖普法對邊坡整體穩(wěn)定性進行計算,采用隱形穩(wěn)定系數(shù),平均處理寬度為15 m,計算基本公式[4]如下:

式中:Fs為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)；mai為計算系數(shù)；Wi為第i土條的重力,kN；Qi為第i土條垂直方向外力,kN；ci為第i土條地基土層黏聚力,kPa；i為內(nèi)摩擦角；αi為第i土條底滑面的傾角。

經(jīng)計算,抗滑穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1.315,滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖2為邊坡穩(wěn)定性計算簡圖。

圖2 邊坡穩(wěn)定性計算簡圖

4 試驗布樁

根據(jù)上述計算結(jié)論,現(xiàn)場選取了100 m長邊坡滑坡路段作為試驗段進行夯擴碎石樁試驗。需通過試驗驗證的內(nèi)容有:

（1）夯擴碎石樁施工過程中對現(xiàn)狀雨水管及路堤的影響程度。現(xiàn)狀D600 mm的雨水管采用的是HDPE纏繞管,柔性管材。根據(jù)《建筑基坑工程檢測技術(shù)規(guī)范》（GB 50497-2009）的要求,對于柔性管線變形控制標準為:累計值10～40 mm,變化速率3～5 mm/d。試驗時以該標準作為夯擴碎石樁對雨水管及路堤影響的控制標準,驗證施工過程中樁對軟土層的擠壓和置換對雨水管及路堤的變形影響,并把該條件作為選擇本工程方案的首要因素。

（2）夯擴碎石樁復(fù)合地基承載力和成樁質(zhì)量的驗證。沉管夯擴碎石樁對淤泥質(zhì)土主要是置換、擠密作用,與普通的碎石樁相比,通過夯擴使樁體直徑由0.8 m擴大至1.2 m擠密效果更好。通過試驗驗證夯擴碎石樁復(fù)合地基承載力和成樁質(zhì)量是本次方案設(shè)計成敗的關(guān)鍵。

（3）處理后整體邊坡穩(wěn)定性驗證。試驗最終目的就是達到預(yù)期的復(fù)合地基承載力標準,驗證該方案處理軟土地基后的邊坡穩(wěn)定性。

試驗時基本布樁參數(shù)如下:

（1）碎石樁樁徑及置換率。樁徑為1.2 m,樁間距2.2 m,采用正三角形布置,置換率為27%,有效樁長12 m,且須進入粉質(zhì)黏土層不小于2 m,平均處理寬度為15 m。樁體材料宜采用級配良好且含泥量不大于5%的碎石,碎石充盈系數(shù)1.2,碎石最大粒徑不大于30 mm。

（2）夯擴參數(shù)。碎石樁采用直徑800 mm的鋼套管,對位準確后振動沉管至設(shè)計標高（進入粉質(zhì)黏土層2.0 m）,管內(nèi)灌料,分層填入碎石（每次填入0.10～0.15 m3）,用10 t夯錘進行管內(nèi)夯實,夯能1 000 kN·m,邊夯實邊提管,成樁直徑1 200 mm。

（3）施工順序。從路基側(cè)向湖岸側(cè)單向施工,采用隔行跳打分兩遍施工的作業(yè)順序,兩遍作業(yè)的間隔時間不應(yīng)小于2周。

樁體施工完后整個場地以低能量滿夯,夯擊能1 000 kN·m,搭接滿夯1遍,如圖3所示。

圖3 試驗區(qū)布樁示意圖（單位:m）

5 施工監(jiān)測及成果檢驗

試驗場地面積約1 500 m2,根據(jù)上述布樁方案共布設(shè)夯擴碎石樁360根,施工周期45 d（含2遍之間的間隔時間）,檢測時間為完工后30 d。監(jiān)測點布置兩排:第一排布置在雨水管檢查井上,結(jié)合現(xiàn)狀雨水井布置間距為35 m,主要監(jiān)測雨水管及路堤的位移變化；第二排布置在靠湖側(cè)打入位移邊樁,距離處理邊線5.0 m外,布置間距為50 m,主要監(jiān)測入湖邊坡處的位移變化。試驗區(qū)主要監(jiān)測及試驗檢測成果如下:

（1）位移變化監(jiān)測

雨水管及路堤的累積位移及變化速率選取了代表性的W1點,如圖4所示。

圖4 W1點累計位移（s～t）監(jiān)測圖

由上述監(jiān)測點的s～t圖可以看出,在整個施工過程中W1的累積水平位移最大值為29 mm,豎向位移最大值為20 mm（見圖4）,變化速率最大值為5 mm/d。施工完成后28 d水平位移終值為24 mm,豎向位移終值為16 mm,均滿足規(guī)范控制值要求。通過對該范圍段的雨水管道再次進行閉水試驗,結(jié)果顯示,打樁后的管道無損,接口密封情況完好,同時通過后續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,處理后的邊坡穩(wěn)定,達到了預(yù)期效果。

（2）復(fù)合地基承載力試驗

樁體施工完成30 d后,進行了復(fù)合地基承載力及樁間土十字板剪切試驗,各選取了3個點,復(fù)合地基承載力代表值95 kPa,高出理論計算值25%,滿足處理效果要求。

6 結(jié)語

試驗段獲得成功后對沿線1.2 km長的邊坡路段全部采用了夯擴碎石樁地基處理,經(jīng)過兩年時間的運營及觀測,邊坡變形穩(wěn)定。對本案例總結(jié)如下:

（1）夯擴碎石樁復(fù)合地基更多地用于減少軟土地基工后沉降方面。本工程成功地應(yīng)用于軟土地基的已滑動邊坡的治理方面,并在抗滑樁及強夯置換墩三者之間進行各方面比較后發(fā)現(xiàn),強夯碎石樁具有經(jīng)濟上便宜、技術(shù)上可控、對周邊構(gòu)筑物影響小等多方面的優(yōu)勢,具有一定的工程實踐借鑒意義。

（2）夯擴碎石樁是擠擴成孔的擠土樁,這種擠土樁比擠密效果更好。在成孔時已經(jīng)對樁周土體進行了一次擠密,夯擊填料時又進行了一次擠密,而且夯擊擠密能量遠遠大于振沖的能量,故夯擴擠密樁的擠密效果更為顯著,成樁質(zhì)量也更高。

（3）本案中夯擴碎石樁在距離構(gòu)筑物5 m以上距離的情況下,控制好錘擊能量、頻率以及施工速度,施工期間對周邊構(gòu)筑物產(chǎn)生的位移影響基本上能夠有效得到控制。

[1]趙明華,鄧岳保,楊明輝.路堤荷載作用下碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比計算及試驗研究[J].巖土力學(xué),2009(9):2623-2628.

[2]龔曉南.復(fù)合地基理論與工程應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[3]工程地質(zhì)手冊編委會.工程地質(zhì)手冊（第四版）[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[4]JTG D30-2015,公路路基設(shè)計規(guī)范[S].

U416.1

B

1009-7716（2017）07-0041-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.012

2017-03-08

楊紹猛（1973-）,男,湖北廣水人,高級工程師,從事城市道路工程設(shè)計工作。