雙向加筋復合地基處理技術在路基施工中的應用

黨 東

中鐵十六局集團第一工程有限公司

1 引言

地基處理是工程項目建設過程中的基礎性工作，需要打牢穩固的基礎實現對高層建筑的可靠承載。工程建設過程中，涌現出了多種地基處理技術，其水平的高低直接影響著建筑物的建設質量和壽命長短。地基處理方法的選擇要根據其上建筑物或道路的建設要求對地基的要求來選擇，常用的方法有孔內深層強夯法、換填墊層法、水泥土攪拌法、灰土擠密樁法等，這些方法的共同特點是對地基進行必要的加固或改良，提高地基的承載力和穩固性，消除不同程度的濕陷性。這些地基處理方法在應用的時候，僅在水平方向上加筋或者僅在垂直方向上加筋，能夠最大限度降低施工成本，也能夠滿足一般的使用需求。

“土工格室+石柱樁（geocell+stone column）”的雙向加筋復合地基處理技術是在單向加筋地基處理技術的基礎上發展起來的，近年來在道路工程建設過程中獲得了廣泛的應用。這種地基處理技術是在石柱復合地基頂部鋪設土工格室并附加加筋碎石墊層，既具有水平加筋的優點，又能發揮垂直加筋的作用，在高速公路路基修筑、惡劣黃土沉降地基處理的方面，都取得了比較好的應用效果。

這種雙向加筋復合地基處理技術需要的沉降觀測理論和承載力計算理論更加復雜，目前還沒有精確的框架體系，需要結合地基受力分析結果不斷進行完善。本文結合傳統的地基處理單向加筋理論，在詳細論述“土工格室+石柱樁”雙向加筋復合地基處理技術的工作原理與施工方法的基礎上，結合具體工程案例，研究了這種技術在道路工程建設過程中的應用。

2 工作原理與施工方法

2.1 工作原理

“土工格室+石柱樁”雙向加筋復合地基處理技術中，由單層土工合成材料（如土工織物、土工格柵、土工格室等）或多層土工合成材料組成的土工合成材料加筋層鋪設在礫石墊層上，發揮著水平加筋層的作用，并具有其他一些特殊的性能，比如對側向土壤產生約束、分散上部應力，同時還起著凈吊索和隔離的作用；石柱作為豎向加筋層，進一步提高了地基的承載力，并有效減少了路堤的位移；同時，兩者相互作用，還能夠發揮限制水土流動的作用，進一步提升地基的支承能力。

有學者指出，這種雙向加筋地基處理技術在水平方向上有效利用了土工合成材料的張拉膜效應、在垂直方向上有效利用了石柱對土工材料的支撐作用，因此，可以最大限度提高地基的承載和支撐能力。有工程項目利用這種處理技術上對地基進行處理后設計了雙向排水系統，這種排水系統由石柱和土工合成材料加筋礫石墊層組成，達到了穩固地同時向兩個方向進行排水的設計目的。因此，采用“土工格室+石柱樁”雙向加筋技術處理地基，可以獲得以下明顯的優勢：（1）同時發揮樁（如石柱）和墊層（如土工格室+碎石墊層）的綜合作用，有利于降低預算開支；（2）有效降低側向土壓力，減少側向土移動的可能性，獲得良好的地基固定效果；（3）具有更大的樁距，與常規樁復合地基相比更具競爭力。

2.2 施工方法

在“土工格室+石柱樁”雙向加筋復合地基處理技術中，土工格室和石柱樁共同發揮著提高地基承載力和支承力的作用。

2.2.1 土工格室的設計和制作

一般根據地基承載力的設計值和路堤位移偏差的控制值來選擇土工格室的規格，一般控制在10cm~15cm高度之內。有時，為了進一步提升土工格室的水平承載力，可以對土工格室進行分層填充，比如填充最大粒度＜3cm的粗粒骨料，并且分別在上下格室鋪設厚度為10cm~20cm 的沙礫墊層，以此來提高承力強度。

2.2.2 石柱樁的設計和制作

（1）做好石柱樁的幾何尺寸的設計。一般需要根據施工設備工作能力和軟土地基強度等數據來選擇石柱樁徑，一般控制在Φ280~Φ510范圍內；根據需要加固的軟土土層厚度選擇石柱樁長，有時標準樁長滿足不了使用需求，可以采用分段控制的方法來進行處理。進行分段控制時，首先對軟土層的厚度進行測量，一般以8m 厚度作為判斷標準，當軟土層厚度小于8m 時，樁體應垂直穿過軟土，否則應該取長度為8m的多根樁進行分段穿插。（2）做好石柱樁的平面布置設計。石柱樁在施工過程中一般布設成等邊三角形或者正方形的形式，三角形或正方形的邊長（也就是樁間距）需要對承載力進行計算后確定，同時還應該適當考慮到樁的變形尺寸。一般來說，樁間距通常控制在1.1~1.5m 的范圍內。另外，石柱樁的布設應沿路線向前方向超出設計鋼筋長度2~3行，并沿道路橫截面方向超出基礎寬度2行。（3）做好石柱樁的材料選擇。通常根據設計要求，選擇Φ＜50mm的沙子（如中等粗砂和礫石砂，其泥漿含量一般小于5%）、石頭（如礫石、卵石、碎石）等材料混合后澆注石柱樁，這樣澆注出的石柱樁具有良好的自穩定性，并且通過控制澆注過程中的水量還可以控制石柱樁的硬度。

2.2.3 施工操作要點

完成了土工格室和石柱樁的設計和制作之后，這種雙向加筋復合地基處理技術一般按照圖1中所示的流程進行施工。

圖1 施工流程

按照以上流程進行施工的過程中，為防止樁身破碎和頸縮，應設置合理的插補量，合理地分組管理樁料，并保證樁體的圓滿。同時，不宜采用提速快的管道，以免影響樁身的壓實和成樁質量，應在振動較大的情況下將其緩慢拉起，拉管速度應控制在1m/min以內，振動時間應控制在1min以上。為確保土工格室填筑物完全壓實，應從土工格室側向中間輸入填土物，并避免在行駛時設備破壞土工取消網格。石柱樁連接的接頭形式需要考慮到操作的靈活性和承力特性，一般可以采用現場焊接接頭、現場環鉚接接頭、穿孔倒縫接頭、專用插入式接頭等的形式。在施工過程中，應控制滲透性，使用黏土含量和有機物含量經檢測均合格的墊層材料，且墊層表面應光滑無坑。另外，砂礫石墊層的底部需要設置向外的橫降，確保橫向斜率≥3%。

2.2.4 施工質量控制措施

（1）按照規范進行成樁試驗，對設計參數進行驗證，并獲得大面積正式施工前的進料厚度、振動時間、上水速度等施工工藝控制參數。（2）在進行土工格施工時，確保土工格以最佳壓實度填充土工格，并確保土工格的張力達到所需的尺寸。（3）為保證路堤穩定性和承載力要求，應采取有效減少地下水的排水措施，在地下水位較高的情況下，應根據當地實際情況和有關標準設計結構，以保證排水不會淹沒或沖擊路基，也不會反向灌溉。

3 工程應用案例

3.1 項目概況

某高速公路項目地處山西省北部，圍繞汾河流域建設，全長52km，其中很大一部分路線修建在河水沖積地帶上，屬于典型的軟土性質地基，在建設過程中需要對地基采用可靠的加固方式進行處理，才能滿足設計要求。

3.2 軟土地基基本情況

該段施工區域經過地質勘測后，發現地基軟土分布范圍廣、深度差異大，同時經過測算發現承載力較小、在設計載荷作用下軟土形變較大，不能滿足使用要求。另外，沿線軟土大都位于黃土高原或山間河谷中，沖洪積或地下水浸泡成因較多，軟土地層的物理力學指標變化較大，其含水量較低，內摩擦角偏高，具有分布不均、含有機質及含砂夾層等特點。

選取某一段路基進行采樣開挖，可以發現這種地基土層分布由上而下依次是：地表下0.3m~0.6m屬于厚耕植土，含有較深色軟土，越往下深度持續增加，有機質變多，大約在1m處開始出現含水量較大的砂卵石層。

采用儀器對該段軟土土質進行測量并計算，可以得到軟土質量如表1所示。

表1 軟土土質抽樣

根據以上軟土土質抽樣數據，經過現場分析，最終確定采用“土工格室+石柱樁”雙向加筋復合技術對軟土地基進行處理。

3.3 軟土處理方案

結合“土工格室+石柱樁”雙向加筋復合技術的特點，該項目確定的施工方案如下。

（1）對于軟土深度沿路基橫剖面方向分布均勻的軟土層：①當縱向深度小于5m 時，采用土工格室墊層或碎石樁處理；②當縱向深度大于5m時，根據具體工程地質勘測情況采用不同長度碎石樁配以土工格室墊層的方法進行處理。

（2）對于軟土深度沿路基橫剖面方向分布不均勻的軟土層：①當縱向深度小于3m 時，采用挖土換填的方式進行處理；②當縱向深度在3m到4m之間時，采用上部不換填、下部利用碎石樁或者土工格室墊層的方式進行處理；③當縱向深度大于4m 時，采用上部不換填、下部集中采用碎石樁并輔以土工格室墊層的方式進行處理。

振動沉管碎石樁的布置范圍：沿路線方向應超出設計加固長度2~3排，沿道路橫斷面應超出基底寬度2排。樁的平面布置形式采用正三角形，梅花形布置。樁長采用分段控制的方法。如果地基軟土深度≤8m，碎石樁應穿過軟土層，達到持力層，建議進入持力層20cm~40cm，如果地基軟土深度>8m,碎石樁樁長為8m。采用直徑325樁管施工，配385的大頭型活瓣式樁尖。樁間距為1.5m。振動沉管碎石樁樁體材料采用未風化干凈礫石。礫石粒徑為20mm~40mm，自然級配，含泥量<5%。

3.4 軟土處理效果

采用以上軟土地基處理方法后，結合工程現場測量的各種數據，可以發現，處理之后的地基無論是碎石樁的平均應力還是地基承受載荷的能力都得到了很大提升，能夠滿足公路建設的指標要求。

4 結語

“土工格室+石柱樁”雙向加筋復合地基處理技術在實際中獲得了越來越廣泛的應用，尤其能夠最大限度發揮水平方向上土工合成材料的張拉膜效應、垂直方向上石柱對土工材料的支撐作用有關。本文在對“土工格室+石柱樁”雙向加筋復合地基處理技術的工作原理和施工方法進行論述的基礎上，結合具體項目，分析了這種技術的應用步驟和效果，為類似工程項目的實施提供了理論上的借鑒。