穿越湖區路段公路軟土地基加固方案及處治效果研究

徐光斌

(湖北省交通規劃設計院股份有限公司 武漢 430051)

武漢至陽新公路陽新段是該縣境內首條已建成通車的一級公路，設計車速80 km/h，路基寬21.5 m。該項目所經路段湖域廣闊，漁產業較為發達，湖區段多為軟基。在施工期間受季節影響，湖區段無法將水抽干，不能采用圍堰施工。鑒于軟基處理施工周期長，為合理調配材料運輸，避免影響其他工程的同步進行，于冬季湖區水位相對較低時施工。綜合諸多受限條件，路線K13+064-K14+064段采用分幅(左、中、右)方式進行，即先在該段路基中幅填筑8 m寬、30 cm厚的砂礫墊層作為臨時材料運輸便道，待左、右幅水泥土攪拌樁施工完成后再進行中幅的施工。填筑的路基未經過分層碾壓而是經過運送材料的重車反復通行，使其路基先期完成部分路基沉降，然后分段采用水泥土攪拌樁處理。通過處理使該段路基滿足沉降的要求，從而達到路基合格驗收標準。

1 湖區軟基工程地質特性

場地地基土層自地表向下可分為4個工程地質層：①素填土(Qml)，堆積成因，褐紅色，松散狀態，主要為黏性土，堆積年限為當年，成分較均勻，勘察路段均有分布，無結構強度，層厚為1.80～3.90 m，屬高壓縮性土，土、石工程分級為I級，土、石類別為松土；②層淤泥質黏土(Q4l)，黑色，流塑狀態，濕，具臭味，含少量有機質，勘察路段全區分布，層厚為1.60～6.00 m，該層強度極低，屬高壓縮性土，土、石工程分級為I級，土、石類別為松土；③層黏土層(Q4al+pl),沖洪積成因，灰色，軟塑狀態，局部可塑，濕，含少量高嶺土，切面光滑，韌強度低，頂板標高9.90～15.78 m，層厚為0.70～5.90 m。該層在場地均勻分布。屬中高壓縮性土，土、石工程分級為I，土、石類別為松土；④層粉質黏土層(Q4dl), 褐紅色，硬塑狀態，局部可塑，濕，含少量高嶺土及錳質結核，韌強度較高，頂板標高8.21～13.92 m，本次勘察未揭穿。該層在場地均有分布,屬中低壓縮性土，土、石工程分級為III級，土、石類別為普通土。

①、②層承載力極低，不能滿足設計要求，屬修筑路的清除范圍，否則應進行地基處理；③層黏土承載力較低；④層粉質黏土，物理力學狀態較好，分布廣泛，強度較大，是良好路基持力層。整個場地為均勻地基；路基土為中液限粉質土(I類)；故路基干濕類型為中濕；在路基設計中，應加強公路的排水系統。

2 水泥土攪拌土室內試驗及結果分析

為驗證水泥攪拌樁相關性能是否滿足要求，采用本標段現場采集淤泥土和42.5硅酸鹽水泥進行室內攪拌形成水泥攪拌土，開展不同水泥摻入比和不同齡期條件下的無側限抗壓強度試驗和抗剪強度試驗。根據JGJ/T 233-2011 《水泥土配合比設計規程》、GB/T 3722 《液壓式壓力試驗機》、JTGE40-2007 《公路土工試驗規程》進行常規試驗。

采用的試驗步驟：測定土樣天然含水率、容重和液限、塑限→測定風干土含水率→確定水泥摻入比基準值(15%)→選取水灰比(0.5)，計算材料用量比例→水泥土試配→調整和確定水泥土配合比。確定了3種水泥摻入比12%，15%，18%，同時為了增加水泥土強度，添加減水劑進行試驗。試件按照要求放入(20±1) ℃水中養護，每種配合比進行7，14，28，90 d齡期的試驗。各項指標試驗結果見表1～4。

表1 7 d齡期無側限抗壓試驗結果

表2 14 d齡期無側限抗壓試驗結果

表3 剪切試驗結果

注：剪切試驗試件直徑61.8 mm、高度20 mm，垂直壓力分4個等級加載。

表4 剪切試驗擬合后的內摩擦角和黏聚力值表

由表1～4對比數據可見，內摩擦角與齡期和摻入比的變化關系均不大；黏聚力會隨著摻入比的增大而增長，7 d齡期的摻入比變化比較明顯，增幅近1倍。3種水泥摻入比28 d無側限抗壓強度均能滿足設計要求的1.2 MPa，同時在90 d強度上的富余較大。經試驗論證，結合技術和經濟分析，水泥土攪拌樁最佳摻入比為15%，適用于本工程軟土地基特性。采取15%的水泥摻入比進行設計和驗算，均能滿足設計指標的要求。

3 水泥土攪拌樁設計

水泥土攪拌樁復合地基設計的一般流程為[1]：初步確定基礎平面→根據上部結構的設計荷載設計需達到的復合地基承載力設計值→確定單樁承載力→計算置換率→根據初定基礎面積和置換率，求所需的樁數→進行排樁→進行下臥層驗算→計算地基沉降量。根據現場實際勘測數據，本設計樁位K13+064-K14+064路段淤泥質黏土層平均厚度為0.635 m，大部分地段為0.6 m以下，考慮淤泥質黏土層厚度最不利狀態，取K13+960處斷面為設計斷面(淤泥質黏土層厚度為0.8m)。水泥土攪拌樁剖面見圖1。

圖1 水泥土攪拌樁計算剖面圖(單位：mm)

3.1 復合地基強度計算

水泥摻入比為15%；水泥土攪拌樁樁徑0.5 m，樁心橫向縱向間距1.2 m，面積置換率為13.6%，梅花形布置。為減少路基在淤泥區域兩端產生不均勻沉降，減輕跳車現象，提高公路車輛行駛的舒適性，對淤泥區域路基兩端5 m范圍內進行樁間距加密為1 m，樁數量為20 925根。水泥土攪拌樁樁長為2.0 m(0.7 m填土層+0.8 m淤泥質黏土層+0.5 m粉質黏土層)；水泥土攪拌樁施工平臺設置0.2 m的砂墊層，均布應力。

試驗得到水泥摻入比15%試件經14 d養護期的立方體抗壓強度平均值為660 kPa。則90 d養護期的立方體抗壓強度平均值為1 518 kPa。單樁豎向承載力特征值[2]為

Ra=ηfcuAp=89.26 kN

式中：up為樁的周長，m；qsi為樁周第i層土的側阻力特征值，kPa；li為樁長范圍內第i層土的厚度，m；a為樁端天然地基土的承載力折減系數；qp為樁端地基土未修正的承載力特征值，kPa；Ap單樁截面面積，m2；η為樁身強度折減系數；fcu為抗壓強度平均值，kPa。

由此可見，由樁身材料強度確定的單樁承載力小于由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力，因此選用89.26 kN作為單樁豎向承載力特征值。

復合地基承載力特征值[2]為

式中：m為樁土面積置換率，m2；β為樁間土承載力折減系數；fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa。水泥土攪拌樁(2.0 m)頂面承受的路基自重應力σz=93.95 Pa。

則復合地基極限承載力fsp=199.9 kPa。

由于復合地基承載力遠大于路基自重應力，所以復合地基承載力符合強度要求。

3.2 路基穩定性計算

該路段填土采用分層碾壓，且分為2個最不利情況進行驗算：一部分上層為自然填土，下層為70 cm飽和填土與水泥土攪拌樁的復合地基和80 cm淤泥與水泥土攪拌樁復合地基，地基為粉質黏土；一部分為80 cm換填土，其上均為素填土。穩定性計算采用圓弧滑動條分法，見圖2，計算公式為

式中：f為摩阻系數，f=tanj；c為土體黏聚力，kPa；Li為各條土體寬度，m。

圖2 圓弧滑動條分法計算法示意

1) 當底層為復合地基時，最不利工況參數選取：素填土c=26 kPa，j=20°，γ=19 kN/m3，h=6.5 m；飽和填土復合地基c=30 kPa，j=11°，γ=18.5 kN/m3，h=0.7 m；淤泥復合地基c=30 kPa，j=9°，γ=18.5 kN/m3，h=0.8 m。則該工況下等效為

經計算安全系數K>1.25，滿足路基穩定性要求。

2) 當底層為換填土時，最不利工況參數選取：素填土：c=26 kPa，j=20°，γ=19 kN/m3，h=7.2 m；換填土：c=0 kPa，j=36°，γ=20 kN/m3，h=0.8 m。則該工況下等效為

經計算安全系數K>1.25，滿足路基穩定性要求。

故此種工況下地基也滿足穩定性要求，在實際中也是穩定的。

4 水泥土攪拌樁加固效果數值模擬分析

路基自上而下分為8層結構，施工工序水泥土攪拌樁施工、砂石等滲水性材料換填、砂墊層、路基填筑至路面。水泥土攪拌樁樁長為2.0 m(0.7 m填土層+0.8 m淤泥質黏土層+0.5 m粉質黏土層)；水泥土攪拌樁施工平臺設置0.2 m的砂墊層，均布應力；樁徑0.5 m，呈梅花形布置；加固范圍為路基坡腳以外2 m范圍。為了消除尺度效應的影響，數值計算模型計算高度取為路基高度的3倍，即24.07 m，計算寬度取為路基寬度的4.2倍，即90 m。模型網格劃分77 700個單元和87 934個節點。為了評價水泥土攪拌樁的功效，對數值模擬計算結果的路基豎向變形和豎向應力分布進行分析，計算模型網格劃分見圖3。

圖3 計算模型網格劃分圖

路基填筑完成后豎向變形等值線見圖4，由圖可見，最大沉降發生在路基面中線附近，最大值為43 mm，對于路基整體而言，路基表現為整體均勻沉降，差異沉降不明顯，說明了此設計方案中砂墊層起到了很好的應力均布作用：砂墊層作為持力層，提高承載力與地基下土層的抗剪強度，減少沉降量，加速軟弱土層的排水固結，防止凍脹[3]。同時水泥土攪拌樁復合地基體現了整體受力特性。對于水泥攪拌樁而言，兩側樁沉降比較小，而中間樁的沉降相對較大，中間樁最大沉降達到20.5 mm，這是由于中間樁受到路基填土的荷載作用最大，這與處于同一高程處的樁位應用布西奈斯克解答[4]彈性理論是相一致的。

圖4 路基填筑完成后豎向變形等值線圖

路基填筑完成后，在路基面正下方應力呈凸曲線形狀分布，中間樁區域承擔的應力較大，說明在淤泥質黏土段應用水泥土攪拌樁提高了淤泥區域的復合模量，承載力得到了提高。同時也反映了在樁位處應力有突變，存在相對應力集中現象，樁頂最大應力為130 kPa，最大樁土應力比為3.2，說明水泥土攪拌樁發揮了一定樁基作用，承擔了相對大部分荷載。

5 結語

為滿足材料運輸和施工周期的要求，結合項目特點采用水泥土攪拌樁做軟基處理，經檢測均滿足設計規范要求。路基形成后，多個沉降觀測點觀測的數值顯示，沉降量均在設計要求范圍之內。通過本文的研究，對于先填土再施工水泥土攪拌樁的工藝，選擇合理的水泥摻入比，控制施工順序，安排好施工周期，是合適且可行的，可滿足路基穩定性和安全性的要求。

[1] 李永國，許祥芳.簡論水泥攪拌樁復合地基與基礎設計[J].寧波高等專科學校學報,1998(12):41-43.

[2] 公路軟土路基路堤設計與施工技術細則:JTG/T D31-02-2013[S].北京:人民交通出版社,2013.

[3] 宇宏智.公路軟基砂墊層置換技術[J].基礎與結構工程,2010(2):124-125.

[4] 王聚山.基于布西奈斯克及明德林解答的復合地基附件應力解析法探討[J].鐵道建筑,2006(8):75-78.