土工合成材料柔性约束碎石桩地基处理技术

代茂华，郝 晟

（天津市政工程设计研究总院有限公司，天津 300392）

随着我国交通运输事业的快速发展，许多公路不得不穿越大面积的软土地基，包括深厚超软土地基、盐渍软土地基、湿地软土地基等[1～3]。由于软地基普遍不稳定，易受扰动，常常造成路基不均匀沉降，甚至是整体失稳破坏，损坏路面基础及结构，严重影响了公路的寿命。以碎石桩为代表的置换桩法[4～5]由于适应范围广、成效快、环保经济，受到工程界的青睐。但是，由于缺乏足够的侧向约束，成桩质量难以保障，承载力和变形难以控制，极大地制约了传统的置换桩法广泛应用。

针对这一问题，本文提出土工合成材料柔性约束碎石桩软弱地基处理技术，消除碎石桩在软土地基中的扩径鼓胀问题，提高单桩承载力。

1 柔性约束碎石桩的基本特性及加固机理

1.1 材料组成

土工合成材料柔性约束碎石桩的散体材料以碎石为主；加筋材料采用土工布或土工格栅，土工合成材料具有抗拉强度大、抗腐蚀性强和排水性能好等特点，既提高散体桩的强度，又保证了无污染和生态环保性[6]。

1.2 结构

土工合成材料柔性约束碎石桩桩体外部包裹土工合成材料套筒，桩体材料为碎石，桩径标准取值为0.3～0.8 m。桩长按实际工程加固对象进行设计计算，当相对持力层埋深较浅时，可按相对持力层深度确定；当软土厚度较大时，按照承载力和变形控制确定。对按稳定性控制的工程，桩长应不小于最危险滑动面以2.0 m；对可液化的地基，桩长应按可液化深度确定。见图1。

图1 土工合成材料柔性约束碎石桩结构

1.3 加固机理

土工合成材料柔性约束碎石桩复合地基的桩体为土工合成材料柔性约束碎石桩，桩间距参考碎石桩的相关规范，取桩径的3～4倍，具体几何尺寸要根据实际的工程情况和地质情况进行取值。见图2。

图2 土工合成材料柔性约束碎石桩复合地基结构

通过在软土地基中增加竖向增强体（土工合成材料约束桩体）达到了提高软土路基承载力、减小沉降的目的。采用土工合成材料约束桩处治软土地基起到了挤密作用并置换了部分软土，改善了路基下部软土的排水条件，加速了软土地基的排水固结[7]。

1）桩体的挤密作用。土工合成材料约束桩在成桩过程中对桩周土进行挤密加固，降低桩周土的孔隙比增大桩周土的密实度。

2）桩体的置换作用。复合地基的变形模量较天然地基的变形模量大幅提高，同时能显著提高复合地基的抗剪强度。土工合成材料约束桩复合地基作为一个复合土层，相当于在软土地基上形成了一个硬壳层，可起到应力扩散的作用，降低复合地基的沉降量。另外土工合成材料约束桩作为竖向增强体，可以将上部荷载通过桩体传递到地基深处，充分利用软土地基自身的承载能力[8～9]。

3）桩体的排水固结作用。土工合成材料约束桩体本身具有良好的排水能力，其设置给软土地基的排水提供了竖向通道，加速了软土超孔隙水压力的消散，从根本上改善了软土地基的物理力学性质，提高了软土路基的承载力和抗变形能力。同时，软土性质的改善增加了软土对土工合成材料约束桩的侧向约束能力，使土工合成材料约束桩能更好地传递上部荷载，从而进一步提高复合地基的承载能力。

总之，土工合成材料约束桩复合地基除了提高地基承载力、减少地基的沉降量外；还可以提高地基的抗剪强度，增大边坡的抗滑稳定性等。

2 工程应用

选取宁车沽特大桥小桩号桥头作为土工合成材料柔性约束碎石桩处理深层路基方案的试验段。

2.1 工程地质情况

宁车沽特大桥北侧桥头地质勘察钻孔最大深度60 m，按岩土类别及工程性质进一步划分为若干亚层，见表1。

表1 勘察钻孔土层划分

工程场地特殊性土主要为人工填土、软土。人工填土以素填土为主，土质以粉土、粉质黏土为主，表层填土土质松散，道路场地填方施工前应予以清除。软土压缩性较高，承载力较低，路基、涵洞地基在清淤后对浅层软土进行适宜厚度换填作为地基持力层。

2.2 设计方案

工程采用土工合成材料柔性约束碎石桩，桥头处25 m范围内的桩间距为1.5 m，25 m以外桩间距为2.0 m；桩径0.5 m；桩长16 m；等边三角形布置。褥垫层为土工格栅+碎石。见图3。

图3 桥头路基处理设计

2.3 施工过程

采用土工织物散体桩专用桩机，桩机就位后，检查锤尖扇片是否完整；然后将桩机移到指定位置对好桩位。在成管内穿挂土工布袋，启动振动锤将外导管和土工布袋打到设计深度。将散体材料灌至外导管的土工布袋内，材料用量满足设计桩长用量。启动打桩机振动锤拔除导管，拔管速度宜控制为0.8～1.8 m/min，必须边振动边拔管，桩体下部的拔管速度宜更缓慢。桩顶标高不得低于设计标高，使装满散体材料的土工布袋留在土层内。桩机移至下一桩位，重复进行上述步骤。地面处理则用推土机将处理后地面推平，然后按设计进行下道工序施工。

3 复合地基处理效果检测

3.1 承载力检测

成桩前对地基的原状土进行静载荷试验，成桩28 d后进行复合地基承载力检测。检测频率为总桩数的0.3%且不少于3处。见表2和表3。

表2 原状土与复合地基承载力特征值

表3 单桩承载力载荷试验结果

对比原状土地基与经土工合成材料柔性约束碎石桩处理的复合地基承载力特征值可以发现，相较于原状土地基，利用土工合成材料形成环向约束，单桩承载力特征值较原状土提高7.2倍左右，复合地基承载力特征值较原状土提高近2倍；证明该技术有效地解决了常规砂石置换桩单桩承载力和复合地基承载力低等长期困扰工程界的技术难题。

3.2 沉降计算

基准期开始时刻为最后一级加载(路面施工)结束，路堤的实际计算高度为5.657 m。经计算，路面竣工时，地基沉降为0.258 m；基准期结束时，地基沉降为0.305 m；基准期内的残余沉降为0.047 m；最终地基总沉降为0.469 m。见图4。

图4 地基沉降随时间变化

在14个月以后地基的沉降匀速放缓。该地基处理技术有效地减少了地基的工后沉降，增强了地基的可靠性。

4 结论

1）土工合成材料约束碎石桩体对土体的置换作用使复合地基的变形模量较天然地基的变形模量大幅提高，能显著提高复合地基的抗剪强度；另外其作为竖向增强体，可以将上部荷载通过桩体传递到地基深处，充分利用软土地基自身的承载能力。

2）柔性约束碎石桩单桩承载力特征值较原状土提高7倍左右，复合地基承载力特征值较原状土提高近2倍。该地基处理可技术有效解决软土地基条件下常规粒料置换桩单桩承载力和复合地基承载力低的工程技术难题。

3）复合地基沉降计算结果表明，路面竣工后基准期内的残余沉降为0.047 m。柔性约束碎石桩地基处理技术可有效减少工后沉降，解决桥头跳车这一质量通病。