土工合成材料柔性約束碎石樁地基處理技術

代茂華，郝 晟

（天津市政工程設計研究總院有限公司，天津 300392）

隨著我國交通運輸事業(yè)的快速發(fā)展，許多公路不得不穿越大面積的軟土地基，包括深厚超軟土地基、鹽漬軟土地基、濕地軟土地基等[1～3]。由于軟地基普遍不穩(wěn)定，易受擾動，常常造成路基不均勻沉降，甚至是整體失穩(wěn)破壞，損壞路面基礎及結構，嚴重影響了公路的壽命。以碎石樁為代表的置換樁法[4～5]由于適應范圍廣、成效快、環(huán)保經(jīng)濟，受到工程界的青睞。但是，由于缺乏足夠的側向約束，成樁質量難以保障，承載力和變形難以控制，極大地制約了傳統(tǒng)的置換樁法廣泛應用。

針對這一問題，本文提出土工合成材料柔性約束碎石樁軟弱地基處理技術，消除碎石樁在軟土地基中的擴徑鼓脹問題，提高單樁承載力。

1 柔性約束碎石樁的基本特性及加固機理

1.1 材料組成

土工合成材料柔性約束碎石樁的散體材料以碎石為主；加筋材料采用土工布或土工格柵，土工合成材料具有抗拉強度大、抗腐蝕性強和排水性能好等特點，既提高散體樁的強度，又保證了無污染和生態(tài)環(huán)保性[6]。

1.2 結構

土工合成材料柔性約束碎石樁樁體外部包裹土工合成材料套筒，樁體材料為碎石，樁徑標準取值為0.3～0.8 m。樁長按實際工程加固對象進行設計計算，當相對持力層埋深較淺時，可按相對持力層深度確定；當軟土厚度較大時，按照承載力和變形控制確定。對按穩(wěn)定性控制的工程，樁長應不小于最危險滑動面以2.0 m；對可液化的地基，樁長應按可液化深度確定。見圖1。

圖1 土工合成材料柔性約束碎石樁結構

1.3 加固機理

土工合成材料柔性約束碎石樁復合地基的樁體為土工合成材料柔性約束碎石樁，樁間距參考碎石樁的相關規(guī)范，取樁徑的3～4倍，具體幾何尺寸要根據(jù)實際的工程情況和地質情況進行取值。見圖2。

圖2 土工合成材料柔性約束碎石樁復合地基結構

通過在軟土地基中增加豎向增強體（土工合成材料約束樁體）達到了提高軟土路基承載力、減小沉降的目的。采用土工合成材料約束樁處治軟土地基起到了擠密作用并置換了部分軟土，改善了路基下部軟土的排水條件，加速了軟土地基的排水固結[7]。

1）樁體的擠密作用。土工合成材料約束樁在成樁過程中對樁周土進行擠密加固，降低樁周土的孔隙比增大樁周土的密實度。

2）樁體的置換作用。復合地基的變形模量較天然地基的變形模量大幅提高，同時能顯著提高復合地基的抗剪強度。土工合成材料約束樁復合地基作為一個復合土層，相當于在軟土地基上形成了一個硬殼層，可起到應力擴散的作用，降低復合地基的沉降量。另外土工合成材料約束樁作為豎向增強體，可以將上部荷載通過樁體傳遞到地基深處，充分利用軟土地基自身的承載能力[8～9]。

3）樁體的排水固結作用。土工合成材料約束樁體本身具有良好的排水能力，其設置給軟土地基的排水提供了豎向通道，加速了軟土超孔隙水壓力的消散，從根本上改善了軟土地基的物理力學性質，提高了軟土路基的承載力和抗變形能力。同時，軟土性質的改善增加了軟土對土工合成材料約束樁的側向約束能力，使土工合成材料約束樁能更好地傳遞上部荷載，從而進一步提高復合地基的承載能力。

總之，土工合成材料約束樁復合地基除了提高地基承載力、減少地基的沉降量外；還可以提高地基的抗剪強度，增大邊坡的抗滑穩(wěn)定性等。

2 工程應用

選取寧車沽特大橋小樁號橋頭作為土工合成材料柔性約束碎石樁處理深層路基方案的試驗段。

2.1 工程地質情況

寧車沽特大橋北側橋頭地質勘察鉆孔最大深度60 m，按巖土類別及工程性質進一步劃分為若干亞層，見表1。

表1 勘察鉆孔土層劃分

工程場地特殊性土主要為人工填土、軟土。人工填土以素填土為主，土質以粉土、粉質黏土為主，表層填土土質松散，道路場地填方施工前應予以清除。軟土壓縮性較高，承載力較低，路基、涵洞地基在清淤后對淺層軟土進行適宜厚度換填作為地基持力層。

2.2 設計方案

工程采用土工合成材料柔性約束碎石樁，橋頭處25 m范圍內(nèi)的樁間距為1.5 m，25 m以外樁間距為2.0 m；樁徑0.5 m；樁長16 m；等邊三角形布置。褥墊層為土工格柵+碎石。見圖3。

圖3 橋頭路基處理設計

2.3 施工過程

采用土工織物散體樁專用樁機，樁機就位后，檢查錘尖扇片是否完整；然后將樁機移到指定位置對好樁位。在成管內(nèi)穿掛土工布袋，啟動振動錘將外導管和土工布袋打到設計深度。將散體材料灌至外導管的土工布袋內(nèi)，材料用量滿足設計樁長用量。啟動打樁機振動錘拔除導管，拔管速度宜控制為0.8～1.8 m/min，必須邊振動邊拔管，樁體下部的拔管速度宜更緩慢。樁頂標高不得低于設計標高，使裝滿散體材料的土工布袋留在土層內(nèi)。樁機移至下一樁位，重復進行上述步驟。地面處理則用推土機將處理后地面推平，然后按設計進行下道工序施工。

3 復合地基處理效果檢測

3.1 承載力檢測

成樁前對地基的原狀土進行靜載荷試驗，成樁28 d后進行復合地基承載力檢測。檢測頻率為總樁數(shù)的0.3%且不少于3處。見表2和表3。

表2 原狀土與復合地基承載力特征值

表3 單樁承載力載荷試驗結果

對比原狀土地基與經(jīng)土工合成材料柔性約束碎石樁處理的復合地基承載力特征值可以發(fā)現(xiàn)，相較于原狀土地基，利用土工合成材料形成環(huán)向約束，單樁承載力特征值較原狀土提高7.2倍左右，復合地基承載力特征值較原狀土提高近2倍；證明該技術有效地解決了常規(guī)砂石置換樁單樁承載力和復合地基承載力低等長期困擾工程界的技術難題。

3.2 沉降計算

基準期開始時刻為最后一級加載(路面施工)結束，路堤的實際計算高度為5.657 m。經(jīng)計算，路面竣工時，地基沉降為0.258 m；基準期結束時，地基沉降為0.305 m；基準期內(nèi)的殘余沉降為0.047 m；最終地基總沉降為0.469 m。見圖4。

圖4 地基沉降隨時間變化

在14個月以后地基的沉降勻速放緩。該地基處理技術有效地減少了地基的工后沉降，增強了地基的可靠性。

4 結論

1）土工合成材料約束碎石樁體對土體的置換作用使復合地基的變形模量較天然地基的變形模量大幅提高，能顯著提高復合地基的抗剪強度；另外其作為豎向增強體，可以將上部荷載通過樁體傳遞到地基深處，充分利用軟土地基自身的承載能力。

2）柔性約束碎石樁單樁承載力特征值較原狀土提高7倍左右，復合地基承載力特征值較原狀土提高近2倍。該地基處理可技術有效解決軟土地基條件下常規(guī)粒料置換樁單樁承載力和復合地基承載力低的工程技術難題。

3）復合地基沉降計算結果表明，路面竣工后基準期內(nèi)的殘余沉降為0.047 m。柔性約束碎石樁地基處理技術可有效減少工后沉降，解決橋頭跳車這一質量通病。