市政道路水泥土攪拌樁復合地基的設計和計算

陳晨

（廣州市城建規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510050）

0 引言

水泥土攪拌樁常用于加固飽和軟黏土地基，以水泥作為固化劑，通過特制的攪拌機械，在地基深處對軟土和固化劑進行強制攪拌，通過固化劑和軟土之間所產生的一系列物理及化學反應，使軟土硬結成具有整體性、水穩定性和一定強度的優質地基。

1 軟土的特征

市政道路建設中經常會遇到各種軟土，軟土一般為呈軟塑或流塑狀態的黏性土，具有天然含水量大、壓縮性高、承載力低和抗剪強度很低的特征。詳實的地質勘查資料是合理設計軟土處理方案的基礎，如果地質資料不全面或不準確，設計人員可能無法清楚地掌握局部溝塘、橫向軟土分布及深度等情況，會導致所選擇的軟基處理方法不當或處理深度不夠，使得軟基處理質量不達標，為工程留下安全隱患。

2 水泥土攪拌樁適用范圍

水泥土攪拌樁施工工期短，對環境污染小，進度較易控制，施工技術成熟，常用于加固淤泥、淤泥質土、粉土和含水量較高且地基承載能力標準值不高的黏性土等，但淤泥有機質含量較高、塑性指數較大時，處理效果不好。該加固技術的處理深度通常小于15m，超過15m 時處理效果不好。同時，施工過程中樁尖應打穿軟土，這樣才能充分發揮樁的作用。

3 水泥土攪拌樁復合地基的設計和計算

3.1 單樁豎向承載力特征值的計算

單樁豎向承載力特征值

R

可按下式計算，并取其中較小值。

式（1）中：

u

為樁的周長（m）；

q

為樁周第i 層土的側阻力特征值（kPa），可按地區經驗確定；

l

為樁長范圍內第i 層土的厚度（m）；

α

為樁端端阻力發揮系數，可取0.4～0.6；

q

為樁端端阻力特征值（kPa），取未經修正的樁端地基土承載力特征值；

A

為樁的截面積（m）。

式（2）中：

η

為樁身折減系數,濕法取0.25～0.33;

f

為標準養護條件下，邊長70.7mm 的立方體90d 齡期的立方體抗壓強度平均值（kPa）。

3.2 攪拌樁復合地基承載力的計算

攪拌樁復合地基的承載力特征值可按下式計算：

式（3）中：

f

為復合地基承載力特征值（kPa）；

λ

單樁承載力發揮系數，取1;

m

為面積置換率；

R

為單樁豎向承載力特征值（kPa）；

β

為樁間土承載力發揮系數，取0.1～0.4；

f

為處理后樁間土承載力特征值（kPa）。

3.3 攪拌樁復合地基沉降的計算

復合地基沉降可根據《建筑地基基礎設計規范》（DBJ 15—31—2016）中的方法驗算。地基沉降需滿足《城市道路路基設計規范》（CJJ 194—2013）表6.2.8的要求。該項目為城市次干路，軟基處理工后變形量應符合表1要求：

表1 路基容許工后變形量表

位置橋臺與路堤相鄰處/m涵洞、通道處/m一般路段/m允許工后變形量≤0.20≤0.30≤0.50

4 工程計算實例

4.1 工程概況

擬建鐘圍路（石浦大道南—東新高速）、石浦大道南（石都北路—鐘圍路）2 條市政道路，位于廣州南站核心區外東南角，緊鄰廣州南站核心區。這兩條道路規劃均為城市次干路，規劃寬度40m，設計速度40km/h，總長度813m，其中鐘圍路長約360m，石浦大道長約453m。

擬建道路大部分為低填方路基，局部為低挖方路基，填方高度約1～2m，淺部地基土主要為種植土、淤泥質土層，且廣泛分布，厚度較大，埋藏較淺，在荷載作用下，沉降時間長，沉降量大且沉降不均勻，未經處理不能作為基礎持力層使用，必須對淺部地基軟土層采取有效的工程措施處理。

4.2 工程地質條件

根據該項目地質勘察報告，場地沿線分布的地層按自上而下順序及其特征：

（1）雜填土層：灰黃色、褐黃色、灰褐色、褐紅色，稍濕～飽和，松散～稍壓實，主要由黏性土、建筑垃圾組成，壓實均勻性差，原老路路基稍壓實。平均厚度3m。

（2）淤泥質土：灰色、灰褐色，飽和，松散，顆粒成分為石英、長石，分選性好，級配差，粒間充填較多淤泥，平均厚度8.9m。

（3）粉質黏土層：灰黃色、淺灰色、灰白色，濕，可塑，主要成分為粉、黏粒，韌性及干強度中等，切面稍光澤，含少量砂粒。平均厚度2m。

（4）中砂層：灰黃色、灰白色，飽和，松散～稍密，顆粒成分為石英、長石，分選性一般，級配較差，粒間充填較多粉細砂及少量黏粒，局部相變為薄層粉細砂。平均厚度2m。

4.3 特殊性巖土評價

根據該項目的地質資料，由于鉆孔深度有限，鉆探深度范圍內未發現構造斷裂破碎帶，廣州市基巖地質圖顯示沒有斷裂通過該場地。擬建場地內未發現有滑坡、危巖、崩塌、泥石流、采空區、地面塌陷及巖溶等不良地質作用。

該場地的特殊性土主要有人工填土、軟土。

（1）雜填土層：沿線有分布，厚度不均勻，松散～稍壓實，成分極不均勻，承載力低，壓縮性高。未經處理不能作為擬建道路的天然地基。

（2）淤泥質土層：沿線均有分布，厚度不均勻，流塑，為場地內軟土層，具有承載力低、高壓縮性、高靈敏度、抗剪能力差等特點，工程力學性質極差。未經處理不能作為擬建道路的天然地基。

根據擬建場地附近勘察資料，為保證路堤的穩定性，減小工后沉降和沉降差，提高路面的平整度和行車的舒適性，必須對軟基進行有效處理。

4.4 最不利斷面及計算參數選用

4.4.1 最不利斷面

取最不利斷面進行復合地基承載力計算，一般選擇填土較高且軟土地基厚度較大的路段，根據該項目勘察報告，最不利鉆孔各巖、土層物理性能參數取值見表2。

表2 各巖土層主要力學性質指標值

土層名稱厚度/m 側摩擦力/(q/kPa)地基承載力特征值/kPa 容重/(kN/m)壓縮模量/MPa雜填土3—18.5淤泥質土層8.9 65 17—3粉質黏土8 5 15 100 18.5 4.5中砂層2 2 14 150 18.7 4.0

路基填土厚度h=2.65m（其中路面厚度62cm）；路面結構為10cm 瀝青面層+32cm 水穩基層+20cm 厚級配碎石；路基寬度40m。

4.4.2 基底壓力

基礎地面以上土層的加權平均重度為：

γ=(0.1×23+0.32×24+0.2×23+1.53×18+0.5×23)/2.65=20.23kN/m

車道荷載:

該道路荷載應采用城-B 級：

一是均布荷載為q=10.5×0.75=7.875kN/m

二是集中荷載，取最大值P=360×0.75=270kN

根據《建筑地基基礎設計規范》（DBJ 15-31—2016）第5.2.2 條規定：軸心荷載基礎底面的壓力，可根據下列公式確定，得到加固地基頂面壓力（地下水位為地面線以下1m）為：

P=(F+G)/A=20.23×2.65/1+7.875/1+270/（20×1）=74.98kPa

軟基處理過程中所采用的水泥土攪拌樁樁直徑0.5m，樁距初步取1.2m，水泥土攪拌樁呈正三角形布置，水泥土攪拌樁上鋪設一層50cm 厚碎石墊層，要求水泥土攪拌樁打穿軟土層進入亞黏土層1m，有效樁長10m（見圖1、圖2）。一般路段復合地基承載力計算要求不小于100kPa。

圖1 水泥土攪拌樁橫斷面示意圖

圖2 水泥土攪拌樁平面示意圖

4.5 水泥土攪拌樁復合地基承載力計算

水泥土攪拌樁單樁豎向承載力特征值，按式（1）、式（2）計算：

取兩者最小值

R

=98.13kN

面積置換率m=d/de=0.1575

水泥土攪拌樁復合地基的承載力特征值，按公式（3）計算：

滿足要求。

4.6 沉降計算

復合地基壓縮量的提高倍數

ξ=

f

/

f

=100.64/74.3=1.35

基礎埋深l=2.65m，基礎寬度b=40m。

樁基復合土層附加壓力：P=74.98kPa

通過《建筑地基基礎設計規范》DBJ 15—31—2016計算地基變形量（見表3）。

表3 地基變形量計算表

土層名稱淤泥質土層粉質黏土Zi αi 修正壓縮模量Es/MPa P0 Ai S＇/mm 8.9 4.05 74.98 8.201 182.425 10.9 0.9214 8 0.8822 6 6.075 74.98 1.415 39.254中砂層14 0.8172 5.4 74.98 1.824 37.637 259.316——————

壓縮模量當量值Es=∑Ai/∑(Ai/Esi)=4.71MPa，沉降計算經驗系數ψs=0.93。

總沉降量：s=0.93×259.316mm=24.12cm＜50cm，沉降滿足《城市道路路基設計規范》（DBJ 15-31—2016）的要求。

5 結語

綜上所述，水泥土攪拌樁是處理軟土地基的一種有效方法，在應用該技術時需要根據詳細的地質勘查資料，合理設計加固方案，計算水泥土攪拌樁復合地基的承載力，并落實好施工細節，如此才能更好地發揮出水泥土攪拌樁處理技術的作用。