软土路基处理方案设计分析

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  中国市政工程西北设计研究院深圳分院
  摘要:由于软土地基成分复杂以及含水量高等特点,在城市道路软土地基的设计与建设过程中,如没有妥当处理,对于道路的承载能力及使用寿命会产生严重的影响。本文根据多年工程实践,对软土地基的处理设计及措施进行分析,供同行借鉴参考。
  关键词:软土路基;水泥搅拌桩;处理措施;设计
  1、软土路基常见问题
  软土路基主要特点是孔隙大、含水量高等,容易破坏路基。总结有以下几个方面的问题:(1)、承载能力很低,施工时容易导致地基土破坏,(2)、沉降量非常大,主要由于软土压缩性大,施工完后发生不均匀沉降以及导致地下管道出现断裂或裂缝等情况。(3)、开挖容易发生边坡失稳,直接影响到施工进度。软土地基处理降水时可能会对周边建筑产生不均匀沉降的影响。(4)、正常使用情况下,由于在荷载作用下地基也会发生变形。当沉降或水平位移超过允许值后,将直接影响道路的正常使用。
  2、城市道路软土路基处理措施
  2.1软土路基浅层处理措施
  2.1.1换土垫层法
  对于软基厚度较小的路段,挖除浅层软弱土或不良土,分层碾压或夯实土,按回填的材料可分为砂(或砂石)垫层、碎石垫层、粉煤灰垫层、干渣垫层、土(灰土、二灰)垫层等。干渣分为分级干渣、混合干渣和原状干渣;粉煤灰分为湿排灰和调湿灰。换土垫层法可提高持力层的承载力,减少沉降量,常用机械碾压、平板振动和重锤夯实进行施工。通常情况下,换土垫层法主要在开挖土方量比较大、基坑面积比较大的回填方工程中进行应用,一般在浅层软弱地基和低洼区填筑区域施工,处理深度为2~3m,比较适用于素填土、浅层非饱和软弱土层、杂填土地基环境。
  2.1.2加筋垫层法
  对于软基层地基设计使用铺垫材料的方法进行施工。铺垫材料法指的是使用多层或单层土工织物进行铺设,由于土工织物具有良好的抗拉强度、连续性、耐腐蚀性等方面的优点,通过使用铺垫材料的方法进行施工,可以降低路基的不均匀沉降,提高路基的承载力。一般会使用土工格栅、土工布作为铺垫材料,通过在软土路基的表面进行铺设,可以起到良好的排水、反滤、补强和隔离效果。在施工的过程中,会铺设加筋材料组成筋垫层,从而提高路基的承载能力,增加压力扩散角,适合各种类型的软土地基使用。
  2.1.3冲击压实法
  冲击压实法指的是使用振动的、揉挤的、恒定重量的、冲击的压实设备进行施工,达到提升路基承载力的目的。这种施工方法具有影响深度大、生产效率高等方面的优点。一般在处理特殊地基时会使用到这种方法,可以有效降低路基的沉降。
  2.1.4轻质填料法
  在处理软土路基时,常用的轻质填料处理法主要有粉煤灰处理、EPS处理和泡沫混凝土处理方法。
  粉煤灰由于颗粒直径比较小,表面积大,很容易和软土拌合,而且由于粉煤灰属于工业废弃材料,对粉煤灰进行利用可以起到良好的环保效果,但需要注意粉煤灰层的包裹处理,避免出现污染物被淋滤下渗对地下水环境产生不利影响。
  EPS材料又称聚苯乙烯板块,具有密度小、力学性能好等封面的优点,可以有效降低路堤的自身重量,降低路基的沉降量和压缩变形模量。在施工时,考虑到材料的耐化学性、抗风化性和耐冲击性差,需要将其埋入地下。此外,由于材料自身的重量比较小,为了避免水的浮力将EPS路堤抬高,对路堤造成破坏,地表洪水泛滥的地区,不宜使用。
  泡沫混凝土是使用气泡群、水、水泥等材料按照特定的比例进行混合得到的一种水泥类环保材料,具有自身重量轻、压缩性低、固化自立性、施工便利等方面的优点,作为轻质填料在高填方路段使用有不错的效果。
  2.2软土路基深层处理措施
  2.2.1排水固结法
  对于冲填土地基和厚度比较大的饱和软土地基,设计使用排水固结法进行加固,通过对排水条件进行改善,对排水井进行垂直布置,使用加压抽气抽水的措施来提高土体的强度,达到加固地基的目的。使用这种方法不仅可以有效提高土体的承载力,而且可以有效降低沉降。通常真空预压、堆截预压、电渗排水法是比较常用的排水固结法。一般情况下,排水固结法主要适用于对饱和软弱土层进行处理,但是对于渗透性比较低的泥碳土来说要慎重使用。
  2.2.2深层搅拌法
  水泥搅拌桩加固主要是利用加固土体的化学反应,然后使用机械设备将水泥喷入到需要处理的道路软土路基中,在浇筑的过程中,要不停地进行上下搅拌,使水泥和土出现水解化的反应,组成胶凝体,最后形成结构稳定的整体,有效地对土体的强度进行提高,达到路基所需承载力的基本要求。
  根据多年经验,常规水泥搅拌存在以下几个问题。
  ①均匀性差:无法充分搅拌土体,导致桩身强度低。
  ②受力不合理:桩径自上而下完全相同,不能根据地基应力状态合理布置桩形,桩身强度得不到充分利用。
  ③浆液上冒:施工过程中,在土压力、孔隙水压力、喷浆压力以及搅拌叶片旋转力相互作用下,水泥浆沿钻杆上冒甚至冒出地面,无法就地搅拌,导致桩身上部水泥含量高及大量水泥浆的浪费。对此,有关单位研发了钉形双向水泥土搅拌桩,因为其具有双向搅拌和可变桩形的特点,可避免常规搅拌桩存在的上述问题,具有良好的使用效果,大大拓展了水泥搅拌桩的使用范围。
  2.2.3薄壁筒桩
  薄壁筒桩派生于沉管灌注桩技术,采用自动排土振动灌注而成,具有施工工艺简单、成桩速度快、质量易于控制等特点。薄壁筒桩属于大直径桩型,突破600 mm的限制,可充分发挥大直径桩的稳定性和强度;挤土效应小,避免自身的位移和对周边地基的形变;单桩竖向承载力较高,通过放置钢筋笼,可以大大提高水平极限承载力;从施工角度看,薄壁筒桩是連续灌注而成,在中高频率振动中起拔,桩的整体性和桩体混凝土质量较好,连续施工长度可达数十米。薄壁筒桩适用于软黏土、黏土、砂黏土、砂砾土及风化严重的岩层,其中特别适用于软黏土。   3、实际应用案例
  3.1项目概述
  A道路为深圳某重点园区配套道路,总长度为1.2公里,设计速度为20 公里/小时,红线宽17 m,拟建场地为填海区,道路两侧地块建设地下室时为减少基坑支护把道路下面约10m挖掉,目前道路建设用地已经回填,可是回填时没有进行碾压,回填时间不长,未完成自重固结,多为松散-稍密,局部深层为淤泥层。考虑到,本项目离很多重要建筑比较近,需要严格控制沉降量,所以对该软土基路段采用水泥搅拌桩处理。
  3.2项目地质条件
  根据钻探揭露,拟建道路范围内埋藏地层的岩性及野外特征自上而下分别描述。
  (1)第四系人工填土(石)层(Qml)
  <1>. 人工填土(地层编号①1):杂色,主要由粘土、石英质砂混碎块石、砼块、砖块等建筑垃圾及少量生活垃圾组成,建筑垃圾块径以2~10cm为主,最大可达20cm,含量大于30%,结构松散~稍密(现状道路下以稍密为主,局部密实)。拟建场地范围内普遍分布,层厚1.20~9.10m。为Ⅱ级普通土。
  <2>.人工填石(地层编号①2):灰白、灰等色。主要由花岗岩块石组成,块石直径多为0.1-0.2m,含量约为40-70%,其余为碎石、砼砖块、角砾及粘性土充填,结构松散,局部稍密。拟建场地范围内普遍分布,层厚0.50~8.80m。为Ⅳ级软石。
  值得说明的是:本次勘察在钻孔ZK3~ZK7的人工填土(石)中的发现较多的生活垃圾,表明当时填土的任意性和不均匀。
  (2)第四系新近沉积层(Q4m)
  <1>.淤泥(地层编号③2):灰黑、黑色,略具腥臭味,含有机质及少量蚝壳、贝壳,局部含少量石英质砂。饱和,流塑~软塑。光滑。无摇震反应,干强度高,韧性高。拟建场地范围内普遍分布,层厚3.30~3.70m。为Ⅰ级松土。
  <2>.礫砂(含淤泥质)(地层编号③3):黑色,灰黑色,含较多有机质,石英质,亚圆形,局部含蚝壳、贝壳。饱和,松散~稍密。拟建场地范围内普遍分布,层厚0.40~5.50m。为Ⅰ级松土。
  (3)第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)
  砾砂(地层序号⑤2):灰白色、浅黄等色,主要成分为石英质,混粘性土,饱和,稍密,局部中密,级配良好,分选性差。拟建场地范围内普遍分布,层厚1.30~3.40m。为Ⅱ级普通土。
  (4)第四系中更新统残积层(Q2el)
  砾质粘土(地层编号⑧):褐黄、褐红、灰黄间灰白色,由下伏粗粒花岗岩风化残积而成,原岩结构已破坏,含石英砾20~40%。稍湿~湿,可~硬塑状。稍有光滑,摇振反应无,干强度高,韧性高。风化不均,局部夹强风化岩块。拟建场地范围内普遍分布,揭露层厚1.00~7.00m。为Ⅱ级普通土。
  上述地层在场地的分布、埋藏变化特征详见勘探点平面配置图、工程地质剖面图和钻孔柱状图。
  各地层主要物理力学性质指标表如下表:
  (5)、地下水
  勘察期间,所有钻孔见及地下水,主要赋存于第四系全新统海积砾砂(含淤泥质)、第四系全新统冲洪积砾砂层中,属上层滞水~孔隙潜水类型,微具承压性,地下水较丰富。地下水主要靠大气降水和海水补给,地下水的排泄以径流为主,场地原始地貌为滨海潮间带,现已填海造地,本场地距海域(深圳湾)最近距离约2km。水质分析结果表明地下水中C1-离子含量偏高,说明地下水与海水尚有水力联系。降雨集中季节,地下水向海排泄,方向由西向东。枯水季节地下水位低于海平面时,则接收海水补给。勘察期间测得场地内测得混合稳定水位埋深为0.50~5.00m,相应标高-2.42~5.00m。
  3.3 水泥搅拌桩处理方案计算
  (1) 计算依据及计算条件:
  《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2002)
  公式9.2.5-1:
  公式11.2.4-1:
  公式11.2.4-2:
  公式7.2.8-2:
  各土层参数:
  层号 土层名称 qsia fak 土层厚度
  ZK13
  ① 素填土 8 3.3
  ② 淤泥 5 3.7
  ③ 砾砂(含淤泥质) 10 0.5
  ④ 砾质粘土 18 220 1
  (2)、承载力及置换率计算
  采用直径500mm的水泥搅拌桩
  1).根据公式11.2.4-1:
  取α=0.5
  =3.14x0.5x(8x3.3+5x3.7+10x0.5+18x1)+0.5x0.25?x3.14x220≈128KN
  2).根据公式11.2.4-2:
  取η=0.3,fcu=2.6MPa
  =0.3x2.6x10?x0.25x0.25x3.142≈154KN
  所以取Ra=128KN。
  3). 根据公式9.2.5-1,本工程预期处理后复合地基承载力不小于120KPa
  取β=0.3
  120=mx128/0.25x0.25x3.14+0.3x(1-m)x110
  m≈11.6%
  4). 根据公式7.2.8-2,
  m=11.6%,d=0.5m,de=1.13s
  0.116=0.5?/(1.13xs)?
  s=1.3
  取s=1.3m
  (3)、结论
  本工程采用直径500mm水泥搅拌桩,搅拌桩端部进入持力层不小于1m,置换率不低于11.6%时(即正方形排列,桩间距1.3m),处理后复合地基承载力特征值fspk=121Kpa,具体布置详见地基处理平面图和地基处理纵断面图。   设计参数:水泥掺入比≥15%;7d无侧限抗压强度:qu≥0.8MPa;28d无侧限抗压强度:qu≥1.6MPa;90d无侧限抗压强度:qu≥2.4MPa。
  3.4 水泥搅拌桩处理设计方案
  (1)水泥搅拌桩设计参数如下:
  水泥搅拌桩直径:500mm
  水泥搅拌桩间距:1.3x1.3m,正方形布置
  桩端入下卧粘土层或砂层:1.0m
  填土施工时间:60天
  承载力要求:处理后复合地基承载力为120kpa
  复合地基置换率:10.88%
  沉降要求:工后沉降量≤20cm,工后沉降差≤2‰
  (2)项目地基处理纵断面图设计
  项目地基处理纵断面图设计如下图所示:
  (3)项目地基处理横断面图设计
  項目地基处理横断面图设计如下图所示:
  (3)项目地基处理施工工艺
  施工工艺流程(采用二喷四搅施工工艺):抽水、清淤→初平地基→钻机就位→检验、调整钻机→正循环钻进至设计深度→打开高压注浆泵(预喷持续30秒)→反循环提钻并喷水泥浆(提升速度为0.6米/每分钟左右)→上升至工作基准面以下1.0米左右(持搅30秒)→正循环复搅并喷浆下沉→到底部喷浆停止→反循环提钻至地面(提升速度为0.6米/每分)→成桩结束→铺设砂碎石垫层(厚度按1m计)
  (4)建成后质量检测
  本项目于2013年5月建成通车,经过约两年的运行,未见明显沉降出现,处理效果显著。
  4、结束语
  在城市道路工程施工的过程中,为了保证道路的使用质量和使用年限,要求处理后道路的沉降尽量减少,且具有良好的稳定性和地面强度,特别对于路基工作区来说,在保证路基的稳定性、路面强度以及达到行车的基本要求等方面有着非常重要的意义,需要根据具体的施工条件选择良好的软土路基处理方法,进而达到良好的治理效果。在选择施工方法的时候,要进行环境因素、施工工期、工程造价等方面的对比,找出合理的路基处理措施。
  参考文献:
  [1]常士骠,张苏民. 工程地质手册(第四版). 2007(02)
  [2]龚晓南. 地基处理手册(第三版). 2008(06)
  [3]黄瑞章,潘瑞春,周新年. 抛石挤淤结合强夯置换法在道路软基处理中的应用[J]. 路基工程. 2013(02)
  [4]徐学文,杨媛. 钉形水泥土双向搅拌桩在软土地基处理中的应用[J]. 工程建设与设计. 2013(01)
  作者简介:
  冯贯良,1982年9月,广东省高州市,汉族;广东工业大学;土木工程;道路桥梁设计。
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