水泥搅拌桩和土工织物复合地基在某工程中的运用

张金山

(广州工程总承包集团有限公司)

1 工程概况

某市政桥梁位于广州市某河流内，桥长约120m，采用预应力简支梁结构。桥宽约24.5m，桥头填土高达4m。因在软土地基，为了解决桥头路堤沉降和稳定性问题，初步方案采用塑料排水板和超载预压处理，采用这种方法虽然成本较低，但需要有一段很长时间的预压期，且桥台处钻孔灌注桩施工须在预压期满后，再进行一次开挖才能进行。考虑到施工工期有限的情况，决定采用土工织物加水泥搅拌桩的处理方案。

2 工程地质条件

大桥位于淤积层地段，地势平坦开阔，其土层分布及其岩土力学指标见表1。

表1 岩土参数

3 方案基本思路

土工织布加筋的作用，一是提高路堤本身的稳定性，特别是本工程中采用的直立式挡土墙护坡，土工织物加筋可以抵消部分填土的水平推力，减小路堤对桥台桩和挡土墙的水平土压力；二是土工织布加筋改善了搅拌桩和桩间土之间的应力分担比，因路堤是相对软性体，并不像房屋建筑中采用的刚性基础，土工织物加筋提高了桩的应力分担比，同时加筋也使路堤的不均匀沉降减小。水泥搅拌桩的主要作用，一是提高地基的承载力，二是大大减小地基的沉降量，使其工后沉降量在控制范围之内，解决桥台与路堤的纵向变形协调问题。

4 水泥搅拌桩的加固原理

水泥搅拌桩所用浆液成分主要为水泥。水泥拌到土层中后，能强烈地吸收土体中的孔隙水。这些孔隙水和水泥中的有效成分进行水化反应后就被固定成结晶水。水化反应中，产生出来的钙离子能和土体中的矿物结晶表面吸咐着的钠、钾离子进行当量吸咐交换，使大量分散的土颗粒结成较大的“土颗粒-钙-土颗粒”土团粒，而水泥水化生成的氢氧化钙胶体，又能把这些较大的土团粒粘结在一起。这样便改变了土的结构，使被加固土体的强度提高。此外，钙和粘土矿物中的二氧化硅和三氧化二铝还能进行硬凝反应，水泥水化物中的氢氧化钙还能进行碳酸化作用。上述作用都能改变土的结构和成分，大大提高其强度。

5 方案和计算

在天然地基条件下，桥头3.85m 高的填土，桥台台后路堤边坡采用U 型分布挡土墙形式，经计算，桥头总沉降量为s=125cm。20 年设计使用年限内的工后沉降量达42cm。路堤稳定安全系数只有0.70。

5.1 水泥搅拌桩方案

为了使路线纵断面平滑、顺畅，决定采用钻孔灌注桩基础的桥台，为处理桥台无沉降量至路基有较大沉降的过渡，水泥搅拌桩的处理必须采用分段过渡处理，控制标准为：①桥头30㎝范围内的工后沉降量在10cm 以内。②控制纵向变化率为6‰。

水泥搅拌桩的桩径采用常规的50cm，喷浆量采用45㎏/m。桩体28d 的无侧限抗压强度大于750kpa。平面采用梅花型布置。

桥两岸软土层深为9.8m；桥东岸软土层深度为11.7m，为了尽可能减小下卧层的沉降量，以及增加桩底的承载力，水泥搅拌桩打穿软土层，水泥搅拌桩深度分别为9.8m 和11.7m。纵向变形过渡依靠布置间距的变化来解决，依据以上的控制标准，桥头处理过渡段长为70m，分为三个区段：30m 为1.2m 间距；20m 为1.5m 间距；20m 为1.8m 间距，纵断面布置如图1 所示。三个区段的平均计算总沉降量依次为21.4cm、26.5cm、31.8cm，平均工后沉降量分别为：6.7cm、9.5cm、11.7cm。横断面布置如图2 所示。

5.2 土工织物加筋

如图1、图2 所示，土工织物布置在60㎝厚的碎石含量较大的石渣垫层之中，使之形成刚度较大的加筋垫层，在桥台台背和两侧挡土，将土工布回折2m。

⑴由竖向分布荷载产生的拉应力

假定土工织物的弯曲形状为抛物面，如图3 所示，在荷载作用下，其受力特点呈三向应力特点，按力的平衡原理可导出织物的应力Tv，如式⑴。

式⑴中，

a——1/2 两桩的外侧距离；

S——土工织物的中心挠度；

P1——竖向荷载；

图1 纵断面设计图

图2 横断面设计图

图3 受力分析图

P2——地基反力。

当填土高度为3.85m 的情况下，P1=80kpa；当间距为1.2m 时，置换率m=0.157，a=0.375m；假设s=0.05m，应力分担比n=3.5。

则由式⑴可得Tv=16.2kn/m。

⑵水平荷载

假设土工织物的影响范围只为60㎝厚的碎石垫层，则其水平拉应力如式⑶。

式⑶中，

Ka——加筋碎石垫层的主动土压力，Ka=tg2（45°－φ/2）

φ——加筋碎石垫层的内摩擦角（°），通常取35°；

H——路堤高度；

γs——路堤填筑重度；

Hg——土工织物影响厚度。

设：φ=35°，γs=21kn/m3，H=3.85m，Hg=0.6m，Th=23.0 kn/m，T=Tv+Th=39.2kn/m。

本工程中采用的土工织物为300g/m2的编织土工布，经向拉伸强度≧50.0kn/m；纬向拉伸强度≧40.0kn/m。

6 土工织物加水泥搅拌桩的加固作用

土工织物加水泥搅拌桩在桥头软土地基处理中的作用是：作为桥台刚性桩基础无沉降量至桥头路堤有较大沉降量的过渡、协调桥台与路堤之间的变形。特别是对软土层深度小于15m 的地基，是解决桥头路堤变形问题的最佳方案。

土工织物加筋垫层不但提高路堤的稳定性，减小对桥台桩和边坡挡土墙的水平土压力，而且能提高桩土间的应力分担比，改善桩土间的受力状态，减小不均匀沉降。

土工织物加粉喷桩的处理方案与目前公路软土地基中常用的排水固结法相比，无需预压期，只需较短的养护期，对于施工期紧的工程，更为合适。

完工后，通过沉降监测，完全达到设计值，实际效果良好。