从两则软基处理的设计实例看深厚层软土
处治的方案比选
内容提要
本文介绍了福鼎至宁德高速公路（湾坞～漳湾段）A23合同段漳湾互通和徐宿淮盐公路淮安段凌桥互通软基的处置设计，为深厚层软土的地基处理设计及方案比选提供了可供参考的工程实例，并分析其处治方案比选要点。
关键词
深厚层软土       设计      方案比选
1.概述
软土是指以水下沉积的软弱粘性土或淤泥为主的地层，有时也夹有少量的腐泥或泥炭层。软土在我国沿海、沿湖、沿河地带有广泛分布。近年来，随着改革开放的逐步深化和社会主义市场经济的蓬勃发展，我国公路建设的规模日益扩大，难度不断提高，公路建设对软土处治提出了更高的要求。为了满足公路工程建设的需要，我国引进、发展了多种软土处理技术，积累了一定的经验，同时也还存在一些问题，尤其是深厚层软土的处置，成为软土地基处理的一大难点。以下结合福宁高速公路A23合同段漳湾互通和徐宿淮盐公路淮安段凌桥互通软基的处置设计，对深厚层软土的地基处理设计及方案比选做一浅显的探讨，仅供同类工程设计和施工时参考。
2.工程实例
2.1福宁高速公路A23合同段漳湾互通
2.1.1工程简介
福鼎至宁德高速公路（湾坞～漳湾段）是同江至三亚国道主干线的一段，是我国沿海大通道的重要组成部分，建设该项目，对促进海峡两岸直接三通、以及增强国防交通保障能力具有重要意义，该项目由我中交第一公路勘察设计研究院负责设计。处于A23合同段的漳湾互通式立交区位于平坦开阔的海积平原上，现多为水稻田和鱼塘。该海积平原系近代围海造地而成，软土在主线及各匝道位置均有分布。软土层底最大深度8.2m（AB匝道范围）。软土基本分上下两层，中间夹有一层低液限粘土。软土的天然含水量在60%以上，天然孔隙比为1.3～2.2，室内快剪试验的粘聚力5～20kPa，内摩擦角1～10°。
2.1.2方案比选
该立交范围内高路堤有两处，一是CR被交路跨线桥头，二是AB匝道桥头。两段桥头路堤原设计软基分别采用挤密砂桩和挤密碎石桩处理，根据计算，两段桥头路堤需要很长的施工预压期：CR跨线桥头约590天，AB匝道跨线桥头约360天。此外，采用挤密砂桩和挤密碎石桩处理的地基一般还需要对桥头路基采用预压反开槽施工，以消除软土层压缩的侧向推移力对桥台基础的不利影响。
该路段计划的通车时间在2002年7月1日，在现有的工期内完成如此巨大的工作量几乎是不可能的，所以需要从改变处理方法上想办法，这里最直接的方法是延长桥的长度，将桥头路堤降低。经过变更，CR跨线桥桥头设计填土高度降低约1.5m，工期与填土的矛盾得到了一定的缓和。AB匝道桥由于受相邻匝道的影响，桥长不宜再延长。
填土高度的降低可以缩短路堤填筑的时间，但预压的时间缩短不了，要缩短预压的时间，需要靠超载来解决；显然，此处不宜再将路堤土填高作为超载，从目前地基处理领域的一些措施来看，适宜的方法是采用真空联合堆载预压技术。
2.1.3方案设计
1）处理范围的确定
对填高在5m以上，桥台前20m的地段、收费站以及几条匝道的交汇处均进行了处理。
2）堆载高度
将路槽底面高度作为真空联合堆载预压的控制计算高度，即在真空负压和填土荷载的联合作用下，预压期末路堤顶面正好下沉到路槽底面的高度。
3）施工和预压期（真空预压施工图见图1）
根据预压设计计算结果，采用真空联合堆载预压处理区的预压填土高度为5.0～8.9m，该填土荷载可分两级施加（见表1），第一级在真空度稳定到80kPa后施加，该级堆载高度3m。考虑到对塑料膜的保护需要人工铺设其上砂垫层，该级填土速率按10cm/d考虑，填筑时间控制在30天以内。剩余的第二级荷载按30cm/d的填土速率快速施加，填筑时间控制在30天以内，最后留30天满载预压。
表1  加载计划表
填土高度 累计高度 时间
第一级（3.0m） 3.0m 抽真空30天
第二级（2～5.9m） 5～8.9m 抽真空60天
满载 5～8.9m 抽真空90天
根据孔隙水压力观测结果，当地基固结度达到95%以上时停止抽真空，但沉降观测仍需继续进行；当连续观测2个月的地基沉降量均不超过每月5mm时，可以进行路面的施工。












图1  真空预压施工图
4）钻孔灌注桩位移控制
软土地基桥台的钻孔灌注桩应按预压反开挖方法施工，其目的是为了避免因地基沉降产生的侧向压力使桩产生位移,目前的桥梁设计规范中没有对该位移制订容许的量值，实际上是不容许有位移。但是，目前的实践工程中桩产生侧向位移很普遍，原因主要是地基未先预压就施工，或地基采用粉喷桩处理后达不到预期的加固效果。对这一情况的处理一般是梁能够吊装上去，且伸缩缝能正常工作即认为正常。
目前AB匝道桥已经施工的桥台钻孔灌注桩均在真空预压区内，抽真空时由于是等向固结，理论上能够保证钻孔灌注桩不偏移。此外，台前20m路段的预压填土和台后的填土也基本能平衡，所以钻孔灌注桩的位移在联合堆载预压过程中应该很小。
为了解钻孔灌注桩的位移情况，做到心中有数和采取必要的措施，可在真空预压前后观测桩的位置坐标，同时建议在真空堆载预压期间用固定在桩上的测斜仪观测。
5）施工程序
（1）塑料排水板施工
（2）铺设真空滤管
（3）铺膜和压膜
（4）路堤填筑
2.2徐宿淮盐公路淮安段凌桥互通深厚层软土处理
2.2.1工程简介
徐宿淮盐公路是江苏省干线公路网规划布局“四纵四横四联”主骨架中的“横二”（徐州—盐城）公路，是联结通过苏北地区的四条国道主干线(同三、京沪、京福、连霍)以及省干线宁宿徐公路的区域联络线。徐宿淮盐公路的建设对沟通南北，连贯东西，构筑全省公路主骨架,促进苏北地区经济发展具有极其重要的意义。徐宿淮盐公路淮安段(以下简称宿淮公路淮安段)，是徐宿淮盐公路的一部分，全长55.1km。处于淮安1合同段的淮阴凌桥互通位于位于黄泛冲积平原区，表层为1～2m的液化土层（基本为中等～严重液化土），其下沉积了厚约4～14m的1层～2层淤泥或淤泥质低液限粘土，软土层底最大深度18m，天然含水量35.0～60.0％，天然孔隙比1.0～1.6，压缩系数0.5～1.05Mpa-1，室内快剪试验的粘聚力9～11kPa，内摩擦角1.1～5.6°。
2.2.2方案比选
软土处理方案比选表
处理方案 方案比选 方案采用
预压 无法完全解决稳定问题和第二层软土的固结问题 不推荐采用
预压+塑料排水板 同上 不推荐采用
真空预压 无法解决第二层软土的固结问题 不推荐采用
真空联合堆载预压 同上 不推荐采用
碎石桩 本路段软土的侧向约束小，碎石桩很难成桩（一般要求不排水抗剪强度≥19.6Kpa） 不推荐采用
水泥粉煤灰（CFG）碎石桩 是这几项方案中造价最高的，而且在侧向约束较小的情况下也较难成桩。 不推荐采用
喷粉水泥搅拌桩 10m以下成桩质量难以保证，而且无法解决表层液化土的液化问题 不推荐采用
喷浆水泥搅拌桩 15m以下成桩质量难以保证，而且无法解决表层液化土的液化问题 不推荐采用
砂桩 可以同时处理液化土和软土，同时解决稳定和沉降问题，并且在京津塘、福宁等多条高速公路上有成功经验 推荐采用
2.2.3方案设计
挤密砂桩的设计考虑了路堤荷载的大小、桩的承载力、可液化土层的层位及施工工艺等。砂桩计算长度均穿透液化土层，一般为4.5～20.0m，设计桩径0.5m，桩间距1.1～1.5m，在平面上呈梅花形布置(布置区域边线与构造物基础轮廓线平行)。加固宽度至坡脚外3m（不少于1排桩）， 设计的单桩承载力不小于300kPa，复合地基承载力不小于130kPa。挤密砂桩顶面砂垫层厚50cm。
3.常见深厚层软土处治方案的比选要点
深厚层软土处理设计是地基处理设计中的难点和整个工程地基处理是否成功的关键。目前国内主要在江苏、浙江等沿海地区较为多见，其常用的处治措施有砂桩、碎石桩、水泥搅拌桩、CFG桩、真空预压、预应力砼管桩和EPS轻质路基等，各种处理方式的取舍主要取决于路线所处地区、处治路段的地质水文情况、当地的成功经验以及处理方案的经济性等，现就各种常见的深厚软土的处治方案比选如下：
3.1水泥搅拌桩
3.1.1加固原理
水泥搅拌桩是用特制的机械设备把水泥浆送入地下，通过和原位地基土强制搅拌混合，使地基土和加固料之间很快发生一系列物理-化学反应，在短期内，使原来流塑状态的软土变成半固态到固态的桩体，使原来的软土地基变成具有整体性和一定强度的加固土桩复合地基，从而提高地基承载力，减小地基的沉降。
3.1.2适用范围
适用于淤泥质土及含水量30～75%的软弱土，加固深度在一般在18米以内。
3.1.3优缺点
施工速度相对较快，工艺相对简单，处理效果好，但是，该法工程费用较高,施工质量不易控制，15m 以下质量难以保证。
3.2 CFG桩
3.2.1加固原理
用振动沉管打桩机将桩管打入地下，投入碎石（掺石屑）、粉煤灰和水泥的混合料，边振动边起拔桩管，结合反插，达到挤密压实桩体的作用。这种桩骨干材料为碎石，掺入石屑可使级配良好，粉煤灰增加混合料的和易性，并有低标号水泥增加桩体后期强度。这种复合地基称为高粘结强度桩复合地基，桩体模量较大，承载力高。
3.2.2适用范围
适用于桥头路基。
3.2.3优缺点
施工质量容易控制，处理效果好。施工工艺相对复杂，单桩工程费用较高,由于其现浇施工，所以，成桩质量不如预应力管桩。
3.3 预应力混凝土管桩
3.3.1加固原理
预先在工厂制备好一定规格的预应力管桩，用压桩机在工地采用静压的方法把桩压入地基，形成复合地基，以达到加固地基的目的。预应力管桩复合地基具有较大的承载力。
3.3.2适用范围
适用于桥头路基，特别适用于处理深厚软土地基。
3.3.3优缺点
施工质量容易控制，处理效果好。但是单桩工程费用较高。
3.4 真空预压
3.4.1加固原理
真空预压技术是用专门的设备，通过抽真空在地基中产生负压，使土体孔隙中的水分排出，从有效应力原理可知，孔隙水排出，孔隙水压力减小后，有效应力就相应增加，在压力差作用下，土体中的水分被排出，抽气过程中，土体得到固结，土体强度得到提高。这种通过抽真空而达到预压效果的方法称为真空预压。
3.4.2适用范围
加速地基固结沉降，可用于预压路段或桥头处理。
3.4.3优缺点
工期短，效益好，但施工工艺复杂，成本略高。
3.5 EPS路堤
3.5.1加固原理
EPS路堤是轻质路堤的一种。EPS材料为硬质、闭孔的泡沫塑料，是一种新的建筑材料，EPS材料具有重量轻、抗压性能好、耐热、抗冻性能均较佳、吸水率低、化学稳定性高且易于加工等优点。EPS材料密度约为土的1/50～1/100，用EPS材料修筑的路堤称为EPS路堤。
3.5.2适用范围
适用于桥头路基，特别适用于处理深厚软土地基。
3.5.3优缺点
工期短，效益好，但成本高，施工经验相对不足。
3.6 挤密碎石桩
3.6.1加固原理
挤密碎石桩一方面通过强力振动使砂土层液化，砂粒重新排列，孔隙减小，另一方面通过回填料使砂层挤压加密。地基的强度由碎石桩本身强度和原地基由于被挤压提高的强度形成。比之水泥搅拌桩在处理液化土夹软土方面，技术上更具优越性。
3.6.2适用范围
处理不排水抗剪强度较高（一般要求≥19.6KPa）的液化土及液化土夹软土地基时， 推荐采用。
3.6.3优缺点
该方案受材料和施工经验的影响较大。
3.7 挤密砂桩
3.7.1加固原理
砂桩对砂性土的作用：采用振动法往砂性土中下沉桩管和逐步拔出桩管成桩时，对周围土层产生挤密和振密作用。砂桩对软土的作用：砂桩一方面通过在软土中取代同体积的软土（置换作用），形成复合地基，使地基承载力提高，沉降量减小；另一方面，在软土地基中，砂桩可以起到排水作用，从而加快地基的固结沉降速率。
3.7.2适用范围
处理地基侧向约束较差、含水量较高，碎石桩成桩困难而水泥搅拌桩处理深度不足的液化土或液化土夹软土地基时，推荐采用。
3.7.3优缺点
比之碎石桩具有适用性广，造价低，排水效果明显的优越性，但处理后的地基，承载力和抗剪强度低于碎石桩处理地基。
从经济性方面来讲一般情况下，其工程费用从高到低依次为EPS轻质路基→预应力砼管桩→CFG桩→真空预压→挤密砂桩（碎石桩）→水泥搅拌桩，当然，经济性要与方案的技术合理性、地方的施工经验等多种因素综合考虑。
4.结束语
由于我国相应的成功经验并不多，在此方面还需要广大设计人员继续研究和探索，撰此文，仅希望能抛砖引玉，如有不当之处敬请同行专家批评指正。
主要参考文献
1《公路软土路堤设计与施工技术规范》 JTJ007-96    人民交通出版社   1996
2《地基处理新技术》   龚晓南 著    陕西科学技术出版社   2000
3 同江至三亚国道主干线福鼎至宁德高速公路（湾坞～漳湾段）施工图设计文件》 中交第一公路勘察设计研究院   1999