深厚软弱淤泥复杂地层地基加固方法分析

张航

（中铁一局集团有限公司）

0 引言

在我国沿海区域开展铁路、公路工程建设，区域内地理环境复杂，场地地层主要分布强度较低、含水量高、压缩性强的淤泥质黏土，该土质蠕变性、触变性等特征明显，而且不均匀、连续分布差，厚度深而广泛。以杭州至海宁城际铁路的盐官车辆基地大面积、深厚软淤泥复杂地层加固为例，该地段地层为海相沉积、湖相沉积和河相沉积，土的类别为淤泥、淤泥质砂层和淤泥质粘土等软弱土层，具有高含水量、高压缩性、高液限、力学强度低、孔隙率大、灵敏度高、欠固结等的特点。盐官车辆基地整个软基处理面积达10万m2（东西长约1689m，南北宽约20～385m），软弱土质埋深多为1～40m，局部可达60～70m，层厚多为10～20m，最大可达30m，其地基加固处理面积大、施工难度大、沉降控制要求高。

通过分析研究该工程地层土质情况，拟采用深层水泥搅拌桩+土工格室网+碎石垫层的地基加固方法。

根据现场工程特点与地勘结果，还原工况实际，在实验室模拟土工格室+水泥搅拌桩加固地基，对地基整体沉降、孔隙水压力、地基桩土差异沉降、应力比、桩身轴力及土工格室张拉力等进行试验分析，为实际施工提供理论依据及技术支持。

1 地基加固效果分析

1.1 加固地基整体沉降分析

1.1.1 地基加固整体沉降随时间变化规律

在试验中通过记录加固地基上部的加载板边缘和中部的沉降监测数据，绘制加固地基的中部与边缘沉降随时间的变化规律图形，如图1、图2所示。

图1 边缘沉降

图2 中部沉降

由图中得出：加固地基的边缘沉降量小于中部的沉降量；在地层中铺设有土工格室加筋的加固地基，相比只有桩基加固没有铺设有加筋的地基，监测沉降量随时间变化减小，说明加固地基效果好。

1.1.2 桩、土之间的差异沉降随时间变化规律

在试验中分别对加固地基的边缘和中部桩的顶部、桩与桩之间设置的土沉降标志的顶部进行观测，监测两者沉降量随时间的变化规律，并记录沉降量数据，绘制沉降随时间变化图形，比较桩、土之间沉降量的差别。如图3、图4所示。

由图3、图4中得出：边缘桩土之间沉降量差别小于中部桩土之间沉降量差别；在地层中铺设有土工格室加筋的加固地基的桩土差异沉降，相比只有桩基加固没有铺设有加筋的地基，差异沉降量随时间变化减小，表明加固地基稳定、承载性能有明显提高，效果好。

图3 边缘差异沉降

图4 中部差异沉降

从以上地基加固整体沉降随时间变化规律、桩、土之间的差异沉降随时间变化规律可以得出：土工格室+水泥搅拌桩加固地基效果优于一般单纯桩基加固地基效果，使得加固地基稳定、承载性能提高。

1.2 加固地基孔隙水压力分析

在加固地基模型中布置孔隙水压力计，监测加固地基孔隙水压力，记录数据分析加固地基不同深度土体孔隙水压力随时间变化量，对比分析孔隙水压力的消散情况及路径。如图5～图11所示。

图5 1点底部边缘孔隙水压力变化量

图6 3点中部边缘孔隙水压力

图7 第一组孔隙水压力变化量

图8 第二组孔隙水压力变化量

图9 第三组孔隙水压力变化量

图10 第四组孔隙水压力变化量

图11 第五组孔隙水压力变化量

由图中数据分析得出：各组中在加载条件下孔隙水压力均会急剧增大；随加载时间的推移孔隙水压力变化量逐渐减少；在地基中铺设布置有加筋的各组相比只有桩加固的地基，孔压消散速率明显提高。表明在软弱淤泥地基中铺设有土工格室加筋有利于孔隙水排出，加固效果好。

1.3 加固地基土工格室应变分析

在加固地基模型中，对双向土工格室加筋、三向土工格室加筋、三角形桩体布置下的三向土工格室加筋等粘贴应变片进行应变监测。见图12～图14。

图12 第二组双向土工格室应变

图13 第三组三向土工格室应变

图14 第五组三向土工格室应变

由图中数据分析得出：双向土工格室各个监测点应变在加载瞬间急剧增大，随后随着加载时间的增大而逐步减小。在上部荷载作用下三向土工格室应变急剧增大，随后随着加载时间的增加而逐步增大，且持续增大，三向土工格室在承载性能上优于双向土工格室。在相同荷载作用下，三向土工格室的应变变化量小于双向土工格栅，证明三向土工格室在抵抗张拉力性能上的作用优于双向土工格室。相同荷载作用下三角形形式布置下的三向土工格室在抵抗张拉性能方面优于正方形形式布置下的三向土工格室。表明在地基加固布置土工格室时采用三角形形式布置下的三向土工格室，效果更好。

1.4 加固地基土压力与桩土应力分析

在加固地基模型中，在桩顶、桩之间的土中埋设土压力盒，观测竖向土压力分布，分析桩土应力比，见图15。对四组桩顶、桩之间的桩间土进行了土压力随加载时间变化的监测数据记录，然后计算相应桩土应力比，计算公式如下。

图15 四组桩土应力比对比曲线

式中，

n——桩土应力比；

σp——加固地基中桩体上平均竖向应力；

σs——桩间土上平均竖向应力。

由图中数据分析得出：不铺设土工格室时，桩土应力比均随时间而增大，导致地基承载力的下降。这是因为土工格室能将上部荷载传递至桩桩顶，致使桩土应力比上升，从而提升地基的承载性能。三向土工格室提升桩土应力比的效果略微大于双向土工格室的提升效果；三向土工格室+模型桩三角形布置的形式对桩土应力比的提升效果最为显著。因此地基加固宜采用三向土工格室+水泥搅拌桩三角形布置的形式。

1.5 加固地基不同位置桩身轴力随时间变化分析

在加固地基模型第二、三、四、五组中，在中部与边缘模型桩粘贴应变片，观测桩身在载荷条件下应变随时间变化，将应变转换为桩身轴力，分析土工格室+桩基布置形式下桩身轴力的变化规律，并得到各组轴力随时间变化曲线图。见图16～图22。

图16 第二组边缘桩桩身轴力

图17 第二组中部桩桩身轴力

图18 第三组边缘桩桩身轴力

图19 第三组中部桩桩身轴力

图20 第四组中部桩桩身轴力

图21 第五组边缘桩桩身轴力

图22 第五组中部桩桩身轴力

由图中数据分析得出：第二组、第三组、第四组、第三五组数据图形中，桩身轴力变化为桩的轴力沿桩身呈非线性分布，桩顶、底端分布小，中间段分布大；桩身轴力随着加载时间的增加，呈逐步上升趋势，在前期增大趋势尤为明显，后趋于稳定；三向土工格室布置下的桩轴力相比双向土工格室布置下的桩轴力，轴力上升趋势更快速；三角形布置+三向土工格室布置下的桩相较于正方形布置+三向土工格栅布置的模型桩，轴力随时间变化趋势相近，说明布置形式对轴力的传递影响不大。建议在地基加固工程中采用三向土工格室+水泥搅拌桩三角形布置的形式，能够达到快速卸荷的作用。

2 深厚软弱淤泥复杂地层地基加固施工方法

采用三向土工格室+水泥搅拌桩三角形布置的施工方法，工艺流程如下：

水泥搅拌桩施工→铺设垫层→铺设土工格室→回填组料→路基修筑。

2.1 水泥搅拌桩施工

采用正方形形式施工布置，桩径0.5m，桩长4.5～14.5m。选用强度等级42.5以上的普通硅酸盐水泥为固化剂；水灰比宜采用0.45～0.55；平整地坪高于桩头桩头30～50cm；确保成桩后桩头质量；桩位放样，确保桩机准确就位；搅拌提升严格控制提升速度，喷浆至地面30㎝；每次水泥浆制备泥浆比重必须进行检测。

2.2 铺设垫层

在双向水泥搅拌桩处理后的软弱淤泥地基上层分别铺设0.3m厚的中粗砂垫层和0.3m厚的碎石垫层。铺设碎石垫层能有效解决实际施工中垫层翻浆及喷水现象，孔隙水更易排出，减少排水固结沉降时间。

2.3 铺设土工格室

选择铺设新型路基处理材料——双曲边微桩土工格室。在中粗砂垫层铺设土工格室增强填料侧向约束，在竖向荷载作用下形成环箍效应，抵消部分竖向荷载，以达到减小沉降的目的。同时双曲边微桩土工格室具有平面加筋作用，增加土体的抗剪强度，使土体粘聚力的提高。

2.4 回填组料

基床底层及基床以下路堤回填ABC组料，基床表层回填AB组料，其中ABC组料与AB组料为不同级配的土体颗粒。AB料摊铺松铺厚度一般为30～35cm，松铺系数一般为1.3。

2.5 路基修筑

完成路堤地基加固处理后进行沉降观测，沉降满足要求后进行路堤路面层修筑。路基中桩、边桩由两边向中部填筑，路基横断面宽度每侧超50cm。路基碾压顺序应按先两侧后中间、先静压后弱振、再强振再静压收光的操作程序进行碾压。

3 结语

通过对土工格室+水泥搅拌桩法在加固地基整体沉降、孔隙水压力、土工格室应变、土压力与桩土应力比、不同位置桩身轴力等方面的试验分析，建议在实际工程中采用三向土工格室+水泥搅拌桩三角形布置的方法，并且选择铺设新型路基处理材料——双曲边微桩土工格室，能更好地实现深厚软弱淤泥复杂地层加固稳定、提高承载性能的目的，同时确保施工质量、进度和安全，降低了成本，做到了绿色环保施工，也为同类型地层加固提供了借鉴经验。