穿越湖区路段公路软土地基加固方案及处治效果研究

徐光斌

(湖北省交通规划设计院股份有限公司 武汉 430051)

武汉至阳新公路阳新段是该县境内首条已建成通车的一级公路，设计车速80 km/h，路基宽21.5 m。该项目所经路段湖域广阔，渔产业较为发达，湖区段多为软基。在施工期间受季节影响，湖区段无法将水抽干，不能采用围堰施工。鉴于软基处理施工周期长，为合理调配材料运输，避免影响其他工程的同步进行，于冬季湖区水位相对较低时施工。综合诸多受限条件，路线K13+064-K14+064段采用分幅(左、中、右)方式进行，即先在该段路基中幅填筑8 m宽、30 cm厚的砂砾垫层作为临时材料运输便道，待左、右幅水泥土搅拌桩施工完成后再进行中幅的施工。填筑的路基未经过分层碾压而是经过运送材料的重车反复通行，使其路基先期完成部分路基沉降，然后分段采用水泥土搅拌桩处理。通过处理使该段路基满足沉降的要求，从而达到路基合格验收标准。

1 湖区软基工程地质特性

场地地基土层自地表向下可分为4个工程地质层：①素填土(Qml)，堆积成因，褐红色，松散状态，主要为黏性土，堆积年限为当年，成分较均匀，勘察路段均有分布，无结构强度，层厚为1.80～3.90 m，属高压缩性土，土、石工程分级为I级，土、石类别为松土；②层淤泥质黏土(Q4l)，黑色，流塑状态，湿，具臭味，含少量有机质，勘察路段全区分布，层厚为1.60～6.00 m，该层强度极低，属高压缩性土，土、石工程分级为I级，土、石类别为松土；③层黏土层(Q4al+pl),冲洪积成因，灰色，软塑状态，局部可塑，湿，含少量高岭土，切面光滑，韧强度低，顶板标高9.90～15.78 m，层厚为0.70～5.90 m。该层在场地均匀分布。属中高压缩性土，土、石工程分级为I，土、石类别为松土；④层粉质黏土层(Q4dl), 褐红色，硬塑状态，局部可塑，湿，含少量高岭土及锰质结核，韧强度较高，顶板标高8.21～13.92 m，本次勘察未揭穿。该层在场地均有分布,属中低压缩性土，土、石工程分级为III级，土、石类别为普通土。

①、②层承载力极低，不能满足设计要求，属修筑路的清除范围，否则应进行地基处理；③层黏土承载力较低；④层粉质黏土，物理力学状态较好，分布广泛，强度较大，是良好路基持力层。整个场地为均匀地基；路基土为中液限粉质土(I类)；故路基干湿类型为中湿；在路基设计中，应加强公路的排水系统。

2 水泥土搅拌土室内试验及结果分析

为验证水泥搅拌桩相关性能是否满足要求，采用本标段现场采集淤泥土和42.5硅酸盐水泥进行室内搅拌形成水泥搅拌土，开展不同水泥掺入比和不同龄期条件下的无侧限抗压强度试验和抗剪强度试验。根据JGJ/T 233-2011 《水泥土配合比设计规程》、GB/T 3722 《液压式压力试验机》、JTGE40-2007 《公路土工试验规程》进行常规试验。

采用的试验步骤：测定土样天然含水率、容重和液限、塑限→测定风干土含水率→确定水泥掺入比基准值(15%)→选取水灰比(0.5)，计算材料用量比例→水泥土试配→调整和确定水泥土配合比。确定了3种水泥掺入比12%，15%，18%，同时为了增加水泥土强度，添加减水剂进行试验。试件按照要求放入(20±1) ℃水中养护，每种配合比进行7，14，28，90 d龄期的试验。各项指标试验结果见表1～4。

表1 7 d龄期无侧限抗压试验结果

表2 14 d龄期无侧限抗压试验结果

表3 剪切试验结果

注：剪切试验试件直径61.8 mm、高度20 mm，垂直压力分4个等级加载。

表4 剪切试验拟合后的内摩擦角和黏聚力值表

由表1～4对比数据可见，内摩擦角与龄期和掺入比的变化关系均不大；黏聚力会随着掺入比的增大而增长，7 d龄期的掺入比变化比较明显，增幅近1倍。3种水泥掺入比28 d无侧限抗压强度均能满足设计要求的1.2 MPa，同时在90 d强度上的富余较大。经试验论证，结合技术和经济分析，水泥土搅拌桩最佳掺入比为15%，适用于本工程软土地基特性。采取15%的水泥掺入比进行设计和验算，均能满足设计指标的要求。

3 水泥土搅拌桩设计

水泥土搅拌桩复合地基设计的一般流程为[1]：初步确定基础平面→根据上部结构的设计荷载设计需达到的复合地基承载力设计值→确定单桩承载力→计算置换率→根据初定基础面积和置换率，求所需的桩数→进行排桩→进行下卧层验算→计算地基沉降量。根据现场实际勘测数据，本设计桩位K13+064-K14+064路段淤泥质黏土层平均厚度为0.635 m，大部分地段为0.6 m以下，考虑淤泥质黏土层厚度最不利状态，取K13+960处断面为设计断面(淤泥质黏土层厚度为0.8m)。水泥土搅拌桩剖面见图1。

图1 水泥土搅拌桩计算剖面图(单位：mm)

3.1 复合地基强度计算

水泥掺入比为15%；水泥土搅拌桩桩径0.5 m，桩心横向纵向间距1.2 m，面积置换率为13.6%，梅花形布置。为减少路基在淤泥区域两端产生不均匀沉降，减轻跳车现象，提高公路车辆行驶的舒适性，对淤泥区域路基两端5 m范围内进行桩间距加密为1 m，桩数量为20 925根。水泥土搅拌桩桩长为2.0 m(0.7 m填土层+0.8 m淤泥质黏土层+0.5 m粉质黏土层)；水泥土搅拌桩施工平台设置0.2 m的砂垫层，均布应力。

试验得到水泥掺入比15%试件经14 d养护期的立方体抗压强度平均值为660 kPa。则90 d养护期的立方体抗压强度平均值为1 518 kPa。单桩竖向承载力特征值[2]为

Ra=ηfcuAp=89.26 kN

式中：up为桩的周长，m；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa；li为桩长范围内第i层土的厚度，m；a为桩端天然地基土的承载力折减系数；qp为桩端地基土未修正的承载力特征值，kPa；Ap单桩截面面积，m2；η为桩身强度折减系数；fcu为抗压强度平均值，kPa。

由此可见，由桩身材料强度确定的单桩承载力小于由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力，因此选用89.26 kN作为单桩竖向承载力特征值。

复合地基承载力特征值[2]为

式中：m为桩土面积置换率，m2；β为桩间土承载力折减系数；fsk为处理后桩间土承载力特征值，kPa。水泥土搅拌桩(2.0 m)顶面承受的路基自重应力σz=93.95 Pa。

则复合地基极限承载力fsp=199.9 kPa。

由于复合地基承载力远大于路基自重应力，所以复合地基承载力符合强度要求。

3.2 路基稳定性计算

该路段填土采用分层碾压，且分为2个最不利情况进行验算：一部分上层为自然填土，下层为70 cm饱和填土与水泥土搅拌桩的复合地基和80 cm淤泥与水泥土搅拌桩复合地基，地基为粉质黏土；一部分为80 cm换填土，其上均为素填土。稳定性计算采用圆弧滑动条分法，见图2，计算公式为

式中：f为摩阻系数，f=tanj；c为土体黏聚力，kPa；Li为各条土体宽度，m。

图2 圆弧滑动条分法计算法示意

1) 当底层为复合地基时，最不利工况参数选取：素填土c=26 kPa，j=20°，γ=19 kN/m3，h=6.5 m；饱和填土复合地基c=30 kPa，j=11°，γ=18.5 kN/m3，h=0.7 m；淤泥复合地基c=30 kPa，j=9°，γ=18.5 kN/m3，h=0.8 m。则该工况下等效为

经计算安全系数K>1.25，满足路基稳定性要求。

2) 当底层为换填土时，最不利工况参数选取：素填土：c=26 kPa，j=20°，γ=19 kN/m3，h=7.2 m；换填土：c=0 kPa，j=36°，γ=20 kN/m3，h=0.8 m。则该工况下等效为

经计算安全系数K>1.25，满足路基稳定性要求。

故此种工况下地基也满足稳定性要求，在实际中也是稳定的。

4 水泥土搅拌桩加固效果数值模拟分析

路基自上而下分为8层结构，施工工序水泥土搅拌桩施工、砂石等渗水性材料换填、砂垫层、路基填筑至路面。水泥土搅拌桩桩长为2.0 m(0.7 m填土层+0.8 m淤泥质黏土层+0.5 m粉质黏土层)；水泥土搅拌桩施工平台设置0.2 m的砂垫层，均布应力；桩径0.5 m，呈梅花形布置；加固范围为路基坡脚以外2 m范围。为了消除尺度效应的影响，数值计算模型计算高度取为路基高度的3倍，即24.07 m，计算宽度取为路基宽度的4.2倍，即90 m。模型网格划分77 700个单元和87 934个节点。为了评价水泥土搅拌桩的功效，对数值模拟计算结果的路基竖向变形和竖向应力分布进行分析，计算模型网格划分见图3。

图3 计算模型网格划分图

路基填筑完成后竖向变形等值线见图4，由图可见，最大沉降发生在路基面中线附近，最大值为43 mm，对于路基整体而言，路基表现为整体均匀沉降，差异沉降不明显，说明了此设计方案中砂垫层起到了很好的应力均布作用：砂垫层作为持力层，提高承载力与地基下土层的抗剪强度，减少沉降量，加速软弱土层的排水固结，防止冻胀[3]。同时水泥土搅拌桩复合地基体现了整体受力特性。对于水泥搅拌桩而言，两侧桩沉降比较小，而中间桩的沉降相对较大，中间桩最大沉降达到20.5 mm，这是由于中间桩受到路基填土的荷载作用最大，这与处于同一高程处的桩位应用布西奈斯克解答[4]弹性理论是相一致的。

图4 路基填筑完成后竖向变形等值线图

路基填筑完成后，在路基面正下方应力呈凸曲线形状分布，中间桩区域承担的应力较大，说明在淤泥质黏土段应用水泥土搅拌桩提高了淤泥区域的复合模量，承载力得到了提高。同时也反映了在桩位处应力有突变，存在相对应力集中现象，桩顶最大应力为130 kPa，最大桩土应力比为3.2，说明水泥土搅拌桩发挥了一定桩基作用，承担了相对大部分荷载。

5 结语

为满足材料运输和施工周期的要求，结合项目特点采用水泥土搅拌桩做软基处理，经检测均满足设计规范要求。路基形成后，多个沉降观测点观测的数值显示，沉降量均在设计要求范围之内。通过本文的研究，对于先填土再施工水泥土搅拌桩的工艺，选择合理的水泥掺入比，控制施工顺序，安排好施工周期，是合适且可行的，可满足路基稳定性和安全性的要求。

[1] 李永国，许祥芳.简论水泥搅拌桩复合地基与基础设计[J].宁波高等专科学校学报,1998(12):41-43.

[2] 公路软土路基路堤设计与施工技术细则:JTG/T D31-02-2013[S].北京:人民交通出版社,2013.

[3] 宇宏智.公路软基砂垫层置换技术[J].基础与结构工程,2010(2):124-125.

[4] 王聚山.基于布西奈斯克及明德林解答的复合地基附件应力解析法探讨[J].铁道建筑,2006(8):75-78.