朱艷萍

（廣東冶建施工圖審查中心有限公司 廣州 510080）

0 引言

廣州南沙開(kāi)發(fā)區(qū)地處粵港澳大灣區(qū)地理幾何中心，是粵港澳合作的重要平臺(tái)，被國(guó)家和省、市賦予重要?dú)v史使命，戰(zhàn)略地位十分重要。近年來(lái)，南沙的基礎(chǔ)建設(shè)開(kāi)展得如火如荼，為南沙招商引資墊定了堅(jiān)實(shí)的保障基礎(chǔ)。但南沙開(kāi)發(fā)區(qū)的深厚軟土層，對(duì)南沙的工程建設(shè)產(chǎn)生了巨大的影響。

1 南沙地區(qū)軟土工程地質(zhì)特征

南沙位于廣州的南部，地處珠江三角洲沉積地帶，根據(jù)場(chǎng)地地貌成因及形態(tài)特征，場(chǎng)地地貌單元表現(xiàn)為珠江三角洲海陸交互相沉積平原地貌，原始地貌為三角洲前緣的灘涂經(jīng)圍墾而成的陸地。南沙地區(qū)軟土的工程普遍具有以下特征：天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、滲透性弱、固結(jié)系數(shù)小、粘聚力小、承載力低［1］，需對(duì)其進(jìn)行處理方可達(dá)到工程需求。

2 南沙地區(qū)軟土加固方式概述

根據(jù)南沙地區(qū)已有經(jīng)驗(yàn)，市政道路最常用的軟土地基處理方法有：預(yù)壓法（包括天然地基、砂井或塑料排水板等載、超載預(yù)壓和真空預(yù)壓等）、復(fù)合地基法（包括水泥攪拌樁、CFG 樁、旋噴樁、管樁等）、換填及土工合成材料法等［2］。

水泥土攪拌樁通過(guò)攪拌機(jī)械將水泥等膠結(jié)材料與地基的軟土攪拌成樁柱體，使它具有一定的強(qiáng)度和水穩(wěn)性，達(dá)到提高地基承載力、增大地基變形模量、減少地基沉降的目的［3］。

水泥土攪拌樁具有成熟的設(shè)計(jì)理論和豐富的工程實(shí)踐及經(jīng)驗(yàn)積累，但在進(jìn)行具體工程設(shè)計(jì)中，由于地質(zhì)條件和巖土參數(shù)的差異，如何合理選擇與確定具體設(shè)計(jì)參數(shù)，仍存在一些問(wèn)題。本文基于廣州南沙開(kāi)發(fā)區(qū)某道路項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，在采用水泥攪拌樁處理的路段，通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、檢測(cè)、分析，為選擇合理的設(shè)計(jì)參數(shù)提供依據(jù)。

3 水泥攪拌樁設(shè)計(jì)情況

南沙開(kāi)發(fā)區(qū)南部某主干路全長(zhǎng)19.924 km，雙向六車(chē)道。K14+640 箱涵為4.0 m×2.5 m 鋼筋混凝土箱涵，從上往下地層依次為填土厚度約3～4 m，淤泥20～24 m，以下為砂層。設(shè)計(jì)箱涵基礎(chǔ)采用攪拌樁處理，樁長(zhǎng)15.5 m，樁徑50 cm，間距1.5 m，水泥摻量為17%，樁身28 d 設(shè)計(jì)的抗壓強(qiáng)度為1.0 MPa，設(shè)計(jì)單樁承載力110 kN，復(fù)合地基承載力100 kPa，計(jì)算工后沉降0.08 m。

為了評(píng)價(jià)水泥攪拌樁處理方法對(duì)提高地基承載力和減小沉降量的效果等，在K14+640 箱涵復(fù)合地基進(jìn)行了大型載荷試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)。

4 水泥攪拌樁試驗(yàn)情況

4.1 復(fù)合地基載荷試驗(yàn)分析

本荷載試驗(yàn)采用平板載荷法，承壓板使用情況如表1所示。

表1 載荷試驗(yàn)承壓板尺寸［4］Tab.1 Loading Pressure Test Plate Size

載荷試驗(yàn)在測(cè)沉降的同時(shí)埋設(shè)土壓力盒對(duì)樁、墊層、樁間土的應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。

4.1.1 樁土應(yīng)力分析

把載荷試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的應(yīng)力變化數(shù)據(jù)繪制成Q～σp、σs曲線，如圖1 和圖2 所示。圖中σp為樁頂應(yīng)力，σs為樁間土應(yīng)力。

圖1 單樁復(fù)合地基應(yīng)力變化曲線［4］Fig.1 Stress Variation Curve of Single Pile Composite Foundation

圖2 四樁復(fù)合地基應(yīng)力變化曲線［4］Fig.2 Stress Variation Curve of Four Pile Composite Foundation

從圖1、圖2可以看出：

⑴起始階段，當(dāng)荷載Q由0 增加到25 kPa 時(shí)，σp與σs數(shù)值曲線幾乎接近于水平線，說(shuō)明此時(shí)的荷載量對(duì)樁和樁間土的影響較??；

⑵加載階段，當(dāng)荷載Q從25 kPa逐步加載到175 kPa，σp和σs均隨荷載Q的增加而增加，但σp的增長(zhǎng)速率較σs增加更快；當(dāng)荷載Q達(dá)到175 kPa 時(shí)，σp進(jìn)一步加速增大，而σs的增幅開(kāi)始減緩，Q～σp的曲率較Q～σs的曲率更陡，表明此時(shí)攪拌樁承擔(dān)了大部分的荷載增量，樁間土承載力已接近于極限狀態(tài)，沉降量也在不斷加大。

⑶極限階段，隨著荷載Q的增加，σp急速加大，沉降量繼續(xù)加大，到某一數(shù)值時(shí)，樁間土被側(cè)向擠出，進(jìn)而導(dǎo)致樁間土應(yīng)力下降，此時(shí)由樁來(lái)承擔(dān)更多的荷載，地基處于即將破壞狀態(tài)。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，單樁復(fù)合地基曲線與四樁復(fù)合地基曲線變化趨勢(shì)基本一致，在相同樁徑與樁長(zhǎng)的條件下，四樁復(fù)合地基的應(yīng)力值要比單樁復(fù)合地基應(yīng)力值大，這是因?yàn)樽饔迷跇堕g土頂?shù)暮奢d增加了樁體所受的側(cè)壓力，從而提高了地基的承載能力［5］。

4.1.2 樁土應(yīng)力比分析

對(duì)載荷試驗(yàn)的測(cè)試土壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪出單樁及四樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比n隨荷載Q的變化曲線，如圖3和圖4所示。

圖3 單樁復(fù)合地基樁n值變化曲線［4］Fig.3 Curve of n Value Variation of single Pile Composite Foundation Pile

圖4 四樁復(fù)合地基n值變化曲線［4］Fig.4 N-value Variation Curve of Four Pile Composite Foundation

從圖3和圖4可看出：

⑴起始階段，在荷載Q由0 增至50 kPa 時(shí)，樁土應(yīng)力n值增加速率較快，曲線上表現(xiàn)為急劇的上升趨勢(shì)，表明樁的應(yīng)力發(fā)揮較多，樁間土的作用未能有效發(fā)揮；

⑵加載階段，當(dāng)荷載Q由50 kPa逐漸加大到175 kPa時(shí)，n值也隨之加大，但總價(jià)體來(lái)說(shuō)變化較為平穩(wěn)，樁和土的應(yīng)力在均衡作用；

⑶極限階段，當(dāng)荷載Q大于175 kPa時(shí)，n值的上升速率又急劇增大，曲線從平緩上升變?yōu)檩^快的上升趨勢(shì)，說(shuō)明樁與土的應(yīng)力差在進(jìn)一步拉大，樁間土的應(yīng)力即將達(dá)到極限狀態(tài)。

同時(shí)，從圖3 和圖4 中Q～n曲線的急劇上升—趨于平緩—急劇上升的過(guò)程說(shuō)明，在水泥攪拌樁復(fù)合地基中，樁與樁間土的發(fā)揮是不同步的，他們不是同時(shí)達(dá)到極限狀態(tài)，隨著荷載的不斷加大，首先達(dá)到極限狀態(tài)和破壞的是樁間土，然后才是攪拌樁。

在水泥攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)中，樁與樁間土的應(yīng)力比n是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。現(xiàn)行地基處理方面的規(guī)范建議按地方經(jīng)驗(yàn)取值，如《工程地質(zhì)手冊(cè)》［6］等給出的經(jīng)驗(yàn)取值范圍為2～4。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，n取值越大，則意味著樁所需承擔(dān)的荷載比樁間土需承擔(dān)的荷載要大得多，樁間土的承載力未能得到發(fā)揮，造成浪費(fèi)；n取值過(guò)小，則意味著樁所能承擔(dān)的荷載與樁間土接近，樁身強(qiáng)度弱，造成復(fù)合地基的承載力低、沉降大，處理效果不佳。

4.2 復(fù)合地基沉降分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出載荷試驗(yàn)的荷載Q的和樁頂沉降s（mm）的關(guān)系曲線圖，如圖5所示。

圖5 荷載-沉降曲線［4］Fig.5 Load and Settlement Curve

從圖5可看出：

⑴當(dāng)荷載小于50 kPa 時(shí)，沉降曲線增速均較為平緩，說(shuō)明此時(shí)地基處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；

⑵當(dāng)荷載由50 kPa 增加到125 kPa 的過(guò)程中，沉降曲線上升的速率不斷增大，天然地基在不斷增加的荷載作用下出現(xiàn)破壞；并且可看出單樁復(fù)合地基的沉降比天然地基土的沉降要小。

⑶當(dāng)荷載超過(guò)125 kPa 時(shí)，單樁和四樁復(fù)合地基沉降不斷加大。

在復(fù)合地基設(shè)計(jì)中，當(dāng)路堤填土高度較低（荷載低于50 kPa）時(shí)，復(fù)合地基的設(shè)計(jì)參數(shù)如樁間距、樁身強(qiáng)度等可適當(dāng)降低標(biāo)準(zhǔn)，以降低造價(jià)。

4.3 單樁、單樁復(fù)合和四樁復(fù)合地基承載力關(guān)系分析

攪拌樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)較為復(fù)雜，在目前設(shè)計(jì)中，一般由單樁實(shí)測(cè)承載力推求復(fù)合地基承載力。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范：JGJ 79—2012》［7］上規(guī)定設(shè)計(jì)計(jì)算為：

確定的較小值作為單樁承載力的特征值，再用：

來(lái)計(jì)算復(fù)合地基承載力。

式中：hp為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)；fcu為與攪拌樁樁身水泥土配室內(nèi)加固土試塊90 d 齡期的抗壓強(qiáng)度平均值（kPa）；n為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；up為樁的周長(zhǎng)（m）；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值；li為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的i層土的厚度（m）；qp為樁端端阻力特征值（kPa）；α為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)；Ra為單樁豎向承載力特征值（kN）；m為面積置換率；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；fsk為樁間土承載力特征值（kPa）。hp、qsi、α、λ、β、fsk按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值。

根據(jù)本項(xiàng)目試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并用上述公式計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 單樁、單樁復(fù)合、四樁復(fù)合地基承載力特征值與實(shí)測(cè)值對(duì)比［4］Tab.2 Comparison of Characteristic Values and Measured Values of Bearing Capacity of Single Pile, Single Pile Composite, and Four Pile Composite Foundations

從表2 中數(shù)據(jù)可看出，單樁實(shí)測(cè)承載力比按式⑴計(jì)算的結(jié)果要大，而采用式⑵計(jì)算所得單樁承載力與實(shí)測(cè)值較為接近，這說(shuō)明在深厚軟土中設(shè)置攪拌樁復(fù)合地基屬于摩擦樁，承載力主要由樁體與樁周土的側(cè)摩阻力控制。復(fù)合地基中單樁實(shí)際發(fā)揮承載力比單樁試驗(yàn)結(jié)果要大，這是因?yàn)樽饔迷跇堕g土頂?shù)暮奢d增加了樁體所受的側(cè)壓力，從而提高了工程樁的承載能力。

4.4 樁間土處理前后對(duì)比分析

為了檢驗(yàn)和分析水泥土攪拌樁對(duì)樁間土的影響，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分別獲得了樁間土攪拌樁處理前后相關(guān)的物理力學(xué)指標(biāo)如表3所示。

表3 處理前后樁間土物理力學(xué)性能指標(biāo)［4］Tab.3 Physical and Mechanical Performance Indicators of Soil between Piles before and after Treatment

從表3 中可看出，處理前后的樁間土物理力學(xué)指標(biāo)總體有改善，含水量雖有減少，但還是處于比較高的水平；孔隙比比處理前小，說(shuō)明在攪拌樁的施工過(guò)程中存在一定的擠土作用；固結(jié)系數(shù)的變化不明顯；壓縮模量則有了較明顯的提高，并且強(qiáng)度指標(biāo)c值也有較為明顯的提高。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在廣州南沙某主干路的水泥攪拌樁復(fù)合地基進(jìn)行試驗(yàn)，包括復(fù)合地基載荷試驗(yàn)和攪拌樁處理后的取土試驗(yàn)，從試驗(yàn)測(cè)試成果中進(jìn)行對(duì)比、分析、判斷，可得到如下結(jié)論：

⑴由本項(xiàng)目的載荷試驗(yàn)曲線對(duì)比可看出，復(fù)合地基在載荷作用下的沉降變形較天然地基小。但當(dāng)荷載小于50 kPa 時(shí)，天然地基與復(fù)合地基沉降量相差不大，因此，在低填淺挖路基的深厚軟土路段，更多的是要考慮地基的協(xié)調(diào)變形和提高承載力，體現(xiàn)在設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)和樁間距上，建議考慮加大樁間距，或采用懸浮樁以及樁-網(wǎng)復(fù)合地基等處理措施進(jìn)行優(yōu)化［8］，以節(jié)省工程造價(jià)。

⑵樁土應(yīng)力比n是地基優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，是反映復(fù)合地基工作狀態(tài)的重要參數(shù)，它與地基土的性質(zhì)、樁身強(qiáng)度、荷載大小、樁間距等因素密切相關(guān)，目前仍以地方經(jīng)驗(yàn)值取值。在復(fù)合地基的加載過(guò)程中，樁與土的應(yīng)力在不斷的變化、不斷調(diào)整，樁間土先于樁身達(dá)到極限狀態(tài)，最終在樁間土的應(yīng)力得以最發(fā)揮時(shí)為最優(yōu)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理確定樁土應(yīng)力比n，充分發(fā)揮樁間土的作用，根據(jù)所需的復(fù)合地基承載力和沉降要求合理確定樁間距和樁身強(qiáng)度［9］。通過(guò)本項(xiàng)目試驗(yàn)證明，該地區(qū)樁土應(yīng)力比n取4～6 較為經(jīng)濟(jì)合理［10］。

⑶通過(guò)對(duì)復(fù)合地基處理軟土地基后樁間土的試驗(yàn)成果的分析可知攪拌樁的打入對(duì)樁間土存在一定的影響，使樁間土的性狀得到了一定的改善，并且隨著時(shí)間的變化而增強(qiáng)，因此，在攪拌樁復(fù)合地基施工完成后宜進(jìn)行等載預(yù)壓，預(yù)壓時(shí)間不宜少于3 個(gè)月，更有利于發(fā)揮樁間土的作用［11］。