市政道路施工海相深厚软土组合型地基处理技术

刘小高，黄立夫，谭　博，王述红

(1.中建五局 土木工程有限公司，湖南 长沙 410004；2.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)



市政道路施工海相深厚软土组合型地基处理技术

刘小高1，黄立夫2，谭博1，王述红2

(1.中建五局 土木工程有限公司，湖南 长沙 410004；2.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

摘要：海相深厚软土地基的处理，施工手段或相关参数选择比较单一，导致地基处理不够科学、合理，并造成了资源上与经济上的一定浪费。为了优化成本，通过分析几种常见的传统单一处理方法的优缺点与适用性，介绍多元复合地基的概念、分类与特点。依托福建平潭市政道路项目，推广采用多元复合地基，即水泥搅拌桩-CFG桩耦合处理技术，对海相深厚软土地基进行处理。通过方案比选，在满足沉降要求的基础上，优化了地基布置，节约了近9%的造价。

关键词：海相深厚软土；地基处理；多元复合地基；方案比选

近几年我国沿海地区基础设施发展迅速，但是经验积累不足，验证不够[1]，传统复合地基还存在很多缺陷需要改进[2]，导致海相软土地基处理技术远远赶不上工程需要。这是因为一方面海相软土含水率大、粘粒含量相对高[3]，采用传统的处理技术难以达到完全改善地基土的工程特性目的。海相软土市政道路地基的处理过程如果不恰当，将会造成地基沉降量过大的不良影响，继而导致地基稳定性不足、路面发生大面积皲裂、路面某段无规则起伏，甚至导致整个路堤彻底破坏[4]。

闫明礼[5]等指出采用组合型复合地基有很好的经济效益。王士杰[6]等验证了组合型复合地基能够大幅度提高地基承载力，控制地基变形、沉降。

结合福建省平潭县万北路市政工程建设情况，首先分析了解海相软土特性及其常见处理方法，比较不同地基处理技术的适用条件和优缺点，提出一种组合型地基处理新技术，并进行方案设计和论证，较好处理了该区域软土深厚、地基处理造价高的难题，结果表明该组合型技术可以在其他类似区域推广使用。

1　海相软土特性及常见的地基处理方法

1.1海相软土地基特性

众所周知，海相软土由于原始地貌不同，沉积环境各异，不同区域分布的特性不尽相同，有一定的地域性[7]。外观上看，海相软土一般呈灰色或黑灰色，有一定的微观结构(如絮状结构、海绵结构、层理结构、粒状链接结构等)。就其力学特性，海相软土具有“三高”和“三低”特性，即高含水率(天然)、高孔隙比(天然)、高压缩性、低渗透性、低承载力、低抗剪强度等特性，如果遇到土体中伴有腐殖质和有机物质，其力学特性更为复杂，工程上必须引起足够重视，必须采取相应措施，提高工程地基稳定性[7-10]。平潭海相软土现场，见图1。

图1平谭海相软土现场

1.2海相软土地基常见的处理方法

1.2.1换填法

换填法，即换填垫层的方法。通过将地基一定深度范围内(浅部)的软弱土或不良土，用工程特性较好的土、砂、石或石屑等材料换填，经分层碾压、压实，得到低压缩性、高承载力的垫层。

该法主要适用于处理浅层非饱和软弱土层、浅层膨胀土、季节性冻土、素填土和杂填土等。一般处理深度为2 m～3 m。优点是可因地制宜，就地取材，而且施工简单方便，只需常规机械便可以展开施工，工期短，造价低[11]。

1.2.2堆载预压法

堆载预压法是在施工之前，在路基表面分级堆土或施加其他大于或等于设计荷载的荷载进行预压，通过工程措施促使地基土提前充分固结沉降，提高地基土强度的有效方法。

该方法从施工操作、材料、机具等易于实现，适用于各种类型软弱地基。但需要注意的是，堆载预压处理时间依赖性较高，通常需要一定量的预压时间。另外对于深厚饱和软土，该方法对于时间的依赖性更强，排水固结需要消耗大量时间，同时堆载材料的量需求也十分庞大，在实际操作上很不方便。

1.2.3强夯法

强夯是将重锤(不小于10 t)从高处(10 m以上)自由落下，多次反复夯击下方土体，通过密实土体颗粒提高地基土的承载力。

该方法更为适用于处理杂(素)填土、碎石(砂)土、低饱和度粉土与黏土等地基。需要注意的是，对于饱和度较高的粘性土(淤泥和淤泥质土)，效果有限[12]。处理深度一般小于6 m。

1.2.4水泥搅拌桩

该法引入水泥材料作为固化剂，将软土和水泥强制搅拌，利用固化剂和软土之间产生的“桩体”(具有一定强度的物-化反应物)，以复合地基的形式改善软土地基的强度、变形模量、土体防渗等性能。

该法比较适合处理淤泥、淤泥质土和高含水率而承载力不大于140 kPa的粉砂土、粘性或粉质粘土等软土地基。一般处理深度为不大于15 m。由于搅拌桩施工时无震动、无噪音、无污染、一般不引起土体起伏或侧面挤出，可在密集建筑群中进行作业，对周边建筑物以及地下管线影响小[13]。

1.2.5CFG桩

CFG桩法，即粉煤灰碎石桩法，是利用碎石、石屑、粉煤灰、固化剂(水泥)组成混合料，掺入适量水进行搅拌，形成强度较好的胶凝体桩体。和易性、流动性及容易灌注等特点明显。工程中可节省大量的固化剂及砂的用量[4]。可处理深度较大，大于15 m。

适用于改善软土地基，且可处治软土深度大，处治效果比较理想，但造价略高。

1.2.6加筋法

在软土地基上沿水平方向铺设一层或多层的加筋材料，并与填料组成一定厚度的加筋垫层，可以提高地基的承载力，均化地基应力，减少地基的不均匀沉降。施工速度快、便捷、高耐久性、环保优势明显。用加筋法因控制地基不均匀沉降存在短板，不善于处理深厚软土地基。道路软土施工经常采用[14]。

2　多元复合地基处理技术

上述这些方法，都是采用单一的方法或单一的参数处理地基，往往适用范围有限，处置不够灵活，而且劣势比较明显。因此，在实际工程运用中，有必要引入多元复合地基处理技术，充分发挥各个方法或各个参数的优势，不仅能大幅度提升地基的承载力，减小地基的沉降，还能在技术、经济效益方面取得令人满意的效果[15]。

多元复合地基，又名二次复合地基、组合型复合地基、混合复合地基等，是指运用多种(两种及两种以上)处理方法或参数，在加固区中，均匀设置增强体[17-18]。

多元复合地基具有如下特点：应力分布在纵向内力分布均匀；沉降方面加固区内桩土沉降差别不大，主要依靠复合地基的整体下沉，下卧层的土体压缩变形所占比重相对较大；设计布置灵活，利于发挥增强体优势，取长补短[17]。

多元复合地基的分类有以下几种[18]，见图2。

图2多元复合地基的分类

多元复合地基在工程中应用比较广泛的是桩体组合型复合地基[15]。桩体组合复合地基分类，见图3、图4。上覆褥垫层，褥垫层厚度根据文献[16]中的理论确定。

图3多桩组合型复合地基

图4长短桩组合型复合地基

3　工程概况及施工环境

3.1工程概况

本项目为福建省平潭县万北路市政工程，地处福建省平潭综合试验区，位于福建省东部，福州市东南部，台湾海峡中北部海域。福建省平潭综合试验区，下辖7镇8乡，属于南亚热带海洋性季风气候。本项目范围，西起环岛西路，东至万顺路，路线全长约6.92 km。平潭是大陆距台湾最近的岛，对台贸易往来，吸引台商，开展旅游业具有得天独厚的优势，因而基础设施建设，特别是市政道路的建设尤为重要。但平潭分布了大量的海相软土，地质条件差，地基需要处理。本工程路段地质平面图、剖面图，如图5、图6所示。

图5地质平面示意图

图6地质剖面图(单位：m)

3.2施工环境

拟建的市政道路线路经过的场地原始地貌为残坡积台地及海积平原，地势较为平缓。根据现场钻探揭露结果，施工场地地层结构及岩性特征主要表现为：上部含有较厚的淤泥层，主要分布淤泥土、淤泥质土以及淤泥混砂，深灰色，大多处于饱和或强饱和状态，流塑，含腐殖质，伴有臭味，捻面较光滑，有光泽，干强度及韧性中等；中部为细砂，灰黄色，稍密、中密为主，局部松散，饱和，主要为细、中粒石英砂，含有泥质(不均匀)，部分混杂少量贝壳，级配不良，局部夹有少量淤泥；下部主要为粉质粘土层，褐黄或青灰色，可塑状态，局部硬塑，粘性较强。该区域软土层具有代表性，具体的土体参数见表1。

表1　土体参数

场地地下水类型主要为：场地上部少量的孔隙潜水，中下部部分孔隙承压水，以及基底风化程度不尽相同的岩层中的孔隙(裂隙)水，水量不大。

4　水泥搅拌桩-CFG桩耦合处理技术

针对上述土层分布和工程技术条件，项目组经过论证，提出采用水泥搅拌桩-CFG桩组合处理技术。即采用水泥搅拌桩和CFG桩作为增强体，在加固区形成复合地基，一方面加固地基，提高地基承载力；同时减小地基沉降。本项目，拟采用这一技术处理地基，布置方式和横断面示意图，如图7所示。

图7多元复合地基横断面图

4.1桩体参数及单桩Q-S曲线

CFG桩，桩身混凝土强度取C20，桩径取500 mm，桩长取15 m；水泥搅拌桩，桩身混凝土强度取C20，桩径取500 mm，桩长取12 m。其余桩体参数参见表2。

表2　桩体参数

在具体实施过程中，项目组首先选择一块实验段，根据图5进行施工，并测试两种桩型单桩承载力特征值，检测完全按照《建筑基桩检测技术规范》[19](JGJ 106-2003)的规定来实施，有关测试结果如图8中CFG桩、混凝土搅拌桩Q-S曲线所示。从图8中的曲线可以看出，两种桩型单桩承载力特征值分别为：CFG桩Ra1=460 kN；水泥搅拌桩Ra2=380 kN。完全满足工程要求。

图8单桩Q-S曲线

4.2复合地基桩体布置方案设计与比选

多元复合地基的桩体布置形式，如图9～图11所示，其中，复合地基桩间距L取2 m。设计要求，处理后复合地基承载力特征值至少达到fspk=210 kPa，最大变形不超过30 mm。经过现场试验，得出以上几个方案，复合地基承载力均满足要求，且有一定富余。各个方案复合地基沉降量，如图12所示。

由图12可知，方案三沉降量已经超过设计要求的30 mm，故此方案不可行。综合考虑复合地基沉降量、造价等因素，选取方案二为最终方案。

图9方案一桩体布置图

图10方案二桩体布置图

图11方案三桩体布置图

图12各方案沉降观测值

工程最初方案拟定为只采用CFG桩进行处理，方案二与最初方案进行造价对比，节省了近9%。

5　结论与建议

本文通过引入多元复合地基方法，采用水泥搅拌桩-CFG组合处理技术处理市政道路海相深厚软土地基，得出以下初步结论与建议：

(1)多元(组合)复合地基，因为采用多种增强体或同种增强体运用多种参数规格，与传统单一处理方法比较，充分发挥泥搅拌桩-CFG两种增强体优势，大幅度提升该区域地基的承载力，减小沉降同时，技术效应和经济效益明显。

(2)多元复合地基，加固区内，内力分布均匀。增强体布置比较灵活，桩与桩间土沉降差小，能够有效地控制地基不均匀沉降。

(3)多元复合地基，结构简单，施工相对容易，在海相深厚软土处理类似工程具有推广应用前景。

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DeepMarineSoftSoilFoundationTreatmentTechnologyforMunicipalRoads

LIU Xiao-gao1,HUANG Li-fu2,TAN Bo1,WANG Shu-hong2

(1.CCFEBCivilEngineeringCo.,Ltd.,Changsha,Hunan410004,China;2.CollegeofResourcesandCivilEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang,Liaoning110819,China)

Abstract：The methods and parameters of the solutions of deep marine soft soil are often relatively simple,which always results in unsuitable foundation treatments,and waste of expenses and resources.In order to save the cost,the concept,classification and characteristics of multiple composite foundation were introduced by analyzing the advantages,disadvantages and applicability of several conventional simple processing methods.The multiple composite foundation,i.e.cement mixing pile and cement fly-ash gravel pile coupled treatment technology,was proposed to treat deep marine soft soil foundation in the municipal road projects in Pingtan,Fujian Province.According to the requirements of allowable settlement,the scheme comparison was carried out to optimize the arrangement of foundation,which saved about 9 percent cost of this project.

Keywords：deep marine soft soil;foundation treatment;multiple composite foundation;scheme comparison

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.015

中图分类号：TU990.3

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0078—05

作者简介：刘小高(1973—)，男，湖南益阳人，工程师，主要从事市政工程施工管理和技术研究工作。

基金项目：国家自然科学基金(51179031，51074042)；辽宁省高等学校优秀人才支持计划(2014)；海相软基处理及综合管沟施工关键技术研究(2014-0-1-0-1148)

收稿日期：2014-08-14修稿日期：2014-09-21