樁網復合地基處理城市道路深層軟土路基

張宏云 ZHANG Hong-yun

（昆明市政工程設計研究院（集團）有限公司，昆明 650228）

0 引言

隨著社會經濟的飛速發展，國家的道路建設得到迅速發展，道路建設越來越多的遇到深層軟土路基。軟土是軟弱粘性土的簡稱，主要是海相、河相、湖相的沉積物，基本處于飽和狀態，含水量大于液限。軟土的特點是：含水量高、孔隙比大、抗剪強度低、壓縮性高、滲透系數小，具有靈敏性和觸變性，物理力學性質變化大。

軟土的抗剪強度低，填土后受壓，可能產生地基剪切破壞或較大的沉降，從而導致路基的破壞。因此，需要對軟土路基進行適當的處理，以增加其穩定性、減小沉降。軟土路基的處理主要有兩類：加速固結沉降或減小沉降量的沉降處理類；提高路基穩定性的穩定處理類[1]。軟土路基處理方法的選擇是關乎整個工程的質量、進度和投資的重要一點，快速、有效、經濟的軟土路基處理方法能夠使工程獲得良好的社會、經濟效益。

目前我國常見的軟土路基處理方法有：堆載預壓法、排水固結法、真空聯合堆載預壓法、粉噴樁和水泥攪拌樁加固法、CFG樁加固法等。

1 軟土路基處理現狀

我國針對在軟弱地基上修建道路開展了大量的研究工作，形成了多種各種軟基處理的工法和技術，如：堆載預壓法、排水固結法、真空聯合堆載預壓法、粉噴樁和水泥攪拌樁加固法、CFG樁加固法等，這些方法在提高道路路基穩定性及控制道路工后沉降變形方面取得了較好的成果，但仍存在以下一些問題[2]：

1.1 差異沉降控制困難

道路是一種線形空間體，不可避免的出現地形及地質條件多樣性，因此對于一條道路而言，不同段落的路基會根據工程實際采用不同的處理方法，這就導致不同處理方法必然會產生不一致處理效果，針對沉降控制而言，將會出現不同段落處的差異沉降，例如軟土地基路段的橋臺處產生的“橋頭跳車”這一典型問題，就是由于橋梁樁基的沉降遠遠小于道路沉降導致的。

1.2 投資大

目前，對于道路軟土路基處理采用的豎向增強復合地基法而言，其設計理念是由樁與土共同承擔上部荷載，由于軟土的承載力較低、壓縮性較高，因此，采用復合地基處理軟土路基時，不可避免的需要提高單樁承載力、樁間距來滿足設計要求，由于樁的造價較高，這樣就會導致工程投資增大，根據統計，對于道路工程，復合地基處理軟土路基的費用在單位里程的投資占總投資的30%-40%。

1.3 工期長

采用堆載預壓等加速排水固結的方式時，可以加速地基沉降，較好的控制道路工后沉降，但是通常需要較長的堆載預壓的時間，對于工期較緊張的項目，該法往往受到較大的制約。

2 樁網復合地基

復合地基有兩種形式：采用加筋材料作為增強體的水平向增強體復合地基；采用各類型的樁作為增強體的豎直向增強體復合地基，樁網復合地基是將水平向增強體復合地基與豎直向增強體復合地基結合的一種復合地基形式，樁網復合地由剛性樁、樁帽、加筋層和墊層構成。網（即加筋層）與土之間形成的加筋土存在存在“張力膜”效應，這種由界面摩阻力（咬合力+摩擦力+粘著力）來實現共同作用使得網處于受拉狀體，能夠減少上部土體傳來的荷載，提高整個體系的承載力，減少沉降及差異沉降[3]。同時樁和土共同承擔上部荷載，大大提高了整個體系的承載能力并能減小工后沉降。（圖1）

圖1 樁網復合地基示意圖

樁網復合地基樁型可采用預制樁、就地灌注素混凝土樁、套管灌注樁等。剛性樁樁頂應設樁帽，形狀可采用圓柱體、臺體或倒錐臺體。樁帽直徑或邊長宜為1.0~1.5m，厚度宜為0.3~0.4m，宜采用水泥混凝土現場澆筑而成。樁帽頂上應鋪設具有一定厚度、強度、剛度、完整連續的柔性土工合成材料加筋墊層。

在樁網復合地基中，由于其上部荷載是通過土拱將樁帽以上的荷載轉移至樁帽上，為此必須保證土拱的形成，而土拱的形成需要有一定的填土高度，為確保土拱的形成，充分發揮土拱效應，避免樁（帽）土頂面的差異沉降反射到路面而出現蘑菇狀高低起伏的現象，要求剛性樁處理路段的路堤高度宜大于1.4（S-b）（其中S為樁間距；b為樁帽的寬度，按一般填料計算，通常計算后最小路堤高度在2m以上才能確保土工形成）。鑒于土拱形成高度與填料內摩擦角關系密切，必須嚴格控制填料質量。

3 實例分析

3.1 工程地質概況

云南某城市新建道路，道路全長0.8km，紅線寬度24m，位于湖湘沉積地帶，道路工程地地質情況如下：

根據鉆孔所揭露地層分析，場地表層為耕土及近期回填素填土，其下主要為第四系全新統沖湖積成因的粘性土、泥炭黏土，淤泥質黏土及粉細砂層，在ZK21附近揭露基巖（砂巖）。根據地層的成因、物理力學性質等分為6個大層及相應的亞層，現自上而下分述如下：

①素填土：灰黃、褐黃、紫紅、褐紅色，干～濕。由圓礫及粉質粘土組成。為近期回填分布北斗路及規劃路附近。層厚：0.50～4.00m。

①1層，耕土：灰褐、褐紅色，干～濕，結構松散。由黏土及粉質黏土組成，軟塑，其中夾大量的植物殘體。分布紅山路節點橋及規劃路附近，層厚：0.40～0.60m。

②層，粘土：褐灰色、褐黃、褐紅，濕，軟至可塑狀態。切面光滑、稍有光澤，韌性中等，干強度中等，具高壓縮性，偶夾植物殘體。分布在場地上部，以層狀形式產出，整塊場地均有分布，層厚0.70～3.00m。

③層，淤泥質粉質粘土：紅褐、褐灰色，濕，軟塑狀態。切面光滑、稍有光澤，韌性一般，干強度高，具高壓縮性。局部夾植物殘體及螺螄殼碎屑。該土層分布在場地中上部，以層狀形式產出，整塊場地均有分布，層厚：4.50～7.70m。

③1層，泥炭質黏土：黑灰、褐灰色，濕，軟至流塑狀態，具高壓縮性。含有機質25%，可見大量完全分解和未完全分解的植物殘體。以夾層狀、透鏡體形式在③層淤泥質粉質粘土產出，最大層厚：1.50m。

④1層，淤泥質粉質粘土：藍灰、褐灰色，濕，軟塑狀態。切面光滑、稍有光澤，韌性一般，干強度高，具高壓縮性。偶夾螺螄殼碎屑。該土層分布在場地中下部，以層狀形式產出，整塊場地均有分布，層厚：3.50～12.30m。

④層，粉細砂：褐灰、灰色，飽和狀態，結構稍至中密。偶含少許礫石顆粒。該層分布在場地下部，本次勘察未揭底。

⑤層，粉質粘土：藍灰、褐灰色，濕，可塑狀態。切面稍粗糙、稍有光澤，韌性中等，干強度中等，具中壓縮性。分布于紅山路節點橋場地下部，本次勘察未揭底。

⑤1層，粉細砂：灰色，飽和狀態，結構稍至中密，偶含少許礫石顆粒。該層在⑤層粉質粘土以夾層狀產出，層厚：0.60～2.30m。

根據地質勘查資料揭示，道路下伏深層軟土，層厚可達10m以上，需對其進行處理。

表1 各土層主要物理力學指標及承載力特征值建議表

3.2 樁網復合地基處理

本項目樁網復合地基中，剛性樁采用素混凝土樁，正四邊形布置。樁身材料選用C20混凝土，樁徑40cm，樁間距2.5m。樁頂設置正方形樁帽，樁帽采用C25鋼筋砼，樁帽邊長1.2m。樁頂水平加筋體采用80*80kN土工格柵，褥墊層采用30cm碎石墊層。

3.2.1 承載力計算

對于本項目樁體可以穿透軟土層到達較好的持力層粉細砂層，屬于端承樁，樁的豎向抗壓承載力特征值：

Ra：單樁豎向抗壓承載力特征值（kN）；

A：單樁承擔的地基處理面積（m2）；

Pk：相應于荷載效應標準組合時，作用在地基上的平均壓力值（kPa）。

fspk：復合地基承載力特征值（kPa）；

fsk：樁間土地基承載力特征值（kPa）；

βp：樁體豎向抗壓承載力修正系數，可取1.0；

βs：樁間土地基承載力修正系數，端承樁可取0.1-0.4；

m：復合地基置換率。

3.2.2 土拱高度

h：土拱高度（m）；

s：樁間距（m）；

a：樁帽邊長（m）；

φ：填土的摩擦角（°），粘性土取綜合摩擦角；（填料按土夾石考慮，內摩擦角30°）

根據計算本項目最小土拱高度1.592m。

3.2.3沉降計算

樁網復合地基沉降量由加固區復合土層壓縮變形量S1（mm），加固區下臥層壓縮變形量S2（mm）以及樁帽以上墊層和土層的壓縮變形量S3（mm）組成：

本項目采用剛性樁，加固區復合土層壓縮變形量S1可忽略不計，加固區下臥層壓縮變形量S2按下式計算：

ΔPi：第層土的平均附加應力增量（kPa）；

Esi：基礎底面下第層土的壓縮模量（kPa）；

li：第i層土的厚度（mm）。

φs2：復合地基加固區下臥土層壓縮變形量計算經驗系數（m）。

加固區下臥層壓縮變形量S2（mm）計算中，作用在復合地基加固區下臥層頂部的附加壓力對于剛性樁采用等效實體法進行計算

pz：軟弱下臥層頂面處的附加壓力值（kPa）；

L：基礎底邊的長度（m）；

B：基礎底邊的寬度（m）；

h：復合地基加固區深度（m）；

a0：基礎長度方向樁的外包尺寸；

b0：基礎寬度方向樁的外包尺寸；

p0：復合地基加固區頂部的附加壓力（kPa）；

f：復合地基加固區樁側摩阻力（kPa）。

處理松散填土層、欠固結土層、自重濕陷性土等有明顯工后沉降的地基時，樁帽以上的墊層和土層的壓縮變形量s3，可按下式計算：

Δ：加筋體的下垂高度，可取樁間距的1/10，最大不宜超過0.2m。

表2為特征斷面的沉降計算結果。

表2 樁網復合地基處理后特征斷面的沉降計算

3.2.4 經濟分析

采用樁網復合地基，本項目工程量如下：①C20素混凝土樁：62145m；②樁帽C25砼：6905個；③鋼塑格柵（50×50kN）：29178m2；④墊層30cm碎石：6819m3；工程地基處理造價估算990萬元。

3.3 CFG樁復合地基處理

3.3.1 承載力計算

對于CFG樁復合地基，根據地質勘查資料，根據規范采用下述公式對單樁承載力進行預估。

Ra：單樁豎向抗壓承載力特征值（kN）；

AP：單樁截面積（m2）；

up：樁的截面周長（m）；

n：樁長范圍內所劃分的土層數；

qsi：第層土的樁側摩阻力特征值（kPa）；

qp：樁端土地基承載力特征值（kPa）；

α：樁端土地基承載力折減系數，可取1.0。

fspk：復合地基承載力特征值（kPa）；

fsk：樁間土地基承載力特征值（kPa）；

βp：樁體豎向抗壓承載力修正系數，可取1.0；

βs：樁間土地基承載力修正系數，端承樁可取0.1-0.4；

m：復合地基置換率。

復合地基承載力特征值按照式3.2.2計算。

本項目取樁徑0.5m，樁間距1.8m，正三角形布置，置換率為0.07。

按照不同的土層分布選取有典型意義的斷面對其進行了計算。利用上述公式對CFG樁單樁極限承載力和復合地基極限承載力進行了計算。

3.3.2 沉降計算

剛性樁復合地基沉降量由加固區復合土層壓縮變形量S1（mm），加固區下臥層壓縮變形量S2（mm）組成：

加固區復合土層壓縮變形量S1按下式計算：

φp：剛性樁樁體壓縮經驗系數，一般可取1/2—1/3；

Q：剛性樁樁頂附加荷載（kN）；

l：剛性樁樁長（m）；

Ep：樁體壓縮模量（kPa）。

加固區下臥層壓縮變形量S2按式3.2.5計算。

表3為特征斷面的沉降計算結果。

表3 CFG樁復合地基處理后特征斷面的沉降計算

3.3.3 經濟分析

采用CFG樁復合地基，本項目工程量如下：①CFG樁長：90297m；②褥墊層30cm厚：6819m3；③鋼塑格柵（50×50kN）：29178m2；工程地基處理造價估算1078萬元。

4 結論

通過以上兩種處理方案的分析可以看出，樁網復合地基和CFG裝復合地基在處理深層道路軟土地基時，樁網復合地基在樁體數量及樁徑較CFG樁復合地基為小的情況下，在控制道路沉降及造價方面，較CFG樁復合地基處理效果好。因此，樁網復合地基在處理深層軟土路基方面，在工程效果及工程造價方面均有優勢，在今后的工程中，有較好的應用前景。