劉玉國（中國石油工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川　成都　610041）

四川某河道軟土地基治理設(shè)計(jì)

劉玉國
（中國石油工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川成都610041）

本文介紹了某河道軟土地基治理設(shè)計(jì)的方法。簡述了一些地基處理方法，并對兩種選用的方法強(qiáng)夯置換和碎石樁進(jìn)行了對比，給出了設(shè)計(jì)和驗(yàn)算過程。與碎石樁比較強(qiáng)夯具有技術(shù)可靠、施工簡便、經(jīng)濟(jì)合理等特點(diǎn)。

強(qiáng)夯置換；軟基處理；碎石樁；承載力

1　前言

人們常將不能滿足建（構(gòu)）筑物對地基要求的天然地基稱為軟弱地基或不良地基。在土木工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的軟弱土和不良土主要包括：軟粘土、雜填土、沖填土、飽和粉細(xì)砂、濕陷性黃土等等。地基問題主要包括三個(gè)方面：（1）地基承載力和穩(wěn)定性問題；（2）沉降、水平位移及不均勻沉降等變形問題；（3）滲流問題。地基處理方法有八大類四五十種之多，每種方法均利用不同的原理，適合于不同的地基土。四川某河道下伏厚達(dá)20m～35m的淤泥或淤泥質(zhì)粘土，因此地基處理是本工程的關(guān)鍵，而提高地基承載力以及盡可能減少工后沉降就是該地基處理的重點(diǎn)。本工程要求的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)：

地基承載力：fk≥100kPa（按照上部構(gòu)筑物基底的最大壓應(yīng)力）。

地基處理后的差異沉降：△s≤5cm（參照建筑物地基變形允許值）。

2　工程概況及治理方案簡述

2.1 工程概況。四川某河為某城市工業(yè)園區(qū)中的唯一的河道，每年汛期，洪水均漫過現(xiàn)狀河岸并淹沒兩岸農(nóng)田，致使農(nóng)戶莊稼歉收、經(jīng)濟(jì)受損。加之現(xiàn)狀河道彎道較多、彎曲半徑較小，淤積日益嚴(yán)重。為配合工業(yè)區(qū)建設(shè)，擬對現(xiàn)狀進(jìn)行整治，并為城區(qū)造景、美化環(huán)境，達(dá)到山、水、人、城自然融洽的目的。規(guī)劃區(qū)內(nèi)整治河道總長6569.15m，其中主河道2+578.79～3+869.33共1290.54m為一期整治工程范圍。該廠區(qū)內(nèi)谷底為典型的丘間緩慢流動(dòng)水條件下淤積而成，地表以下為15～36m深的淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、細(xì)砂土、粉土等典型的軟土層，物理力學(xué)參數(shù)低。以淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為例，容許承載力為50kPa，壓縮模量為2.13MPa，其中細(xì)砂土，粉土屬液化土，所以天然地基不能作為擋土結(jié)構(gòu)的地基，須進(jìn)行地基處理，處理后地基承載力達(dá)100kPa以上。河道地質(zhì)橫斷面剖面圖如圖1 所示。

2.2 可行的地基處治方案概述。（1）藍(lán)派方案：由南非傳入國內(nèi)的一種地基處理方法，是在基底開挖后，在基底鋪砂卵石，利用藍(lán)派設(shè)備的強(qiáng)大沖擊能，把砂卵石沖擊壓入淤泥質(zhì)粘土中，壓入厚度2m。藍(lán)派地基處理技術(shù)主要適用于淺埋基礎(chǔ)，其沖擊壓實(shí)的作用范圍一般在2m左右，對于較厚的軟基礎(chǔ)的處治效果不是很好。（2）換填方案：將基底超挖2m，再分層碾壓換填砂卵石。但挖填的方量較大，施工期長，投資大。（3）粉噴樁方案：該方案很好的解決了護(hù)岸邊坡及河床下淺埋粉砂液化層的穩(wěn)定，但施工難度大，周期長，投資很高。（4）強(qiáng)夯置換：先在河床底拋石擠淤，再鋪設(shè)砂卵石墊層后強(qiáng)夯，強(qiáng)夯過程中在夯坑中填卵石置換軟土，夯實(shí)深度3m～6m。此方案施工快捷，投資較省，能明顯提高地基承載力及減小地基沉降變形。（5）砂石樁：砂石樁法是指利用振動(dòng)或沖擊方式，在軟弱地基中成孔后，填入砂、礫石、卵石、碎石等材料并將其擠壓入土中，形成較大直徑的密實(shí)砂石樁的地基處理方法。主要包括砂樁（置換）法、擠密砂樁法和沉管碎石樁法等。

3　地基處理方案

由河床下臥土層按照分類應(yīng)屬于軟粘土，它是第四紀(jì)后期形成的河流沖積物，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1.0。當(dāng)天然孔隙比大于1.5時(shí)，稱為淤泥；當(dāng)天然孔隙比界于1.0與1.5之間時(shí)，稱為淤泥質(zhì)土。這類土的特點(diǎn)是天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低、壓縮系數(shù)高、滲透系數(shù)小。在荷載作用下，軟粘土地基承載力低，地基沉降變形大，容易產(chǎn)生較大的不均勻沉降。針對本工程特定的地質(zhì)條件，選定兩種地基處理方案作為比較對象，加以詳述。

表1　地基主要處理土層物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

表2　強(qiáng)夯置換法加固地基實(shí)例

圖1　河道地質(zhì)橫斷面剖面圖

3.1 強(qiáng)夯置換法。普通強(qiáng)夯法的工程實(shí)踐證明，該方法加密軟土地基效果不明顯，且施工很困難，夯擊2～3錘夯坑就達(dá)1m～2m，夯錘往往拔不出來。強(qiáng)夯置換法不是利用強(qiáng)夯來加密軟土，而是利用強(qiáng)夯作為置換軟土的手段，即利用強(qiáng)夯排開軟土，夯入塊石、碎石、砂或其它粗顆粒材料，最終形成塊（碎）石墩（樁），塊（碎）石墩（樁）與周圍混有砂石的夯間土形成復(fù)合地基。經(jīng)強(qiáng)夯置換法處理的地基，既提高了地基強(qiáng)度，又改善了排水條件，有利于軟土的固結(jié)。強(qiáng)夯置換的加固原理相當(dāng)于下列三者之和：強(qiáng)夯（加密）+碎石墩+特大直徑排水井。因強(qiáng)夯置換在兩遍夯擊之間不必留出孔隙水壓消散的時(shí)間，從而施工速度快，目前已成為處理軟土地基（河道、沼澤等）的一種好方法。強(qiáng)夯及強(qiáng)夯置換法加固地基的相關(guān)實(shí)例及其加固后的效果見表2：

3.1.1強(qiáng)夯置換法設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)。（1）強(qiáng)夯夯擊能量：從效率及經(jīng)濟(jì)角度考慮，對于本工程可采用2000kN·m～3000kN·m的單位夯擊能，夯錘可選用直徑為2.5m的錘。（2）夯點(diǎn)間距：建議4.5m～6m，第二遍可適當(dāng)加密。（3）夯點(diǎn)的布置：正方形布置，隔行跳打。（4）夯擊次數(shù)及遍數(shù)：每個(gè)夯擊點(diǎn)夯擊次數(shù)7～12次，夯完一次后在夯坑中填入卵礫石，再夯下一次，同時(shí)滿足最后兩擊的夯沉量不大于50mm；夯擊2遍，最后一遍以800kN·m能量滿夯。（5）處理深度及寬度：通過邊坡形式與地基的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，得出其合適的處理深度為4m，寬度為24m。

3.1.2 強(qiáng)夯置換法加固地基后的參數(shù)變化。下面給出ZK18詳細(xì)計(jì)算過程（計(jì)算簡圖如圖2）。如圖2 所示0.5m厚的淤泥粉質(zhì)粘土，γ=15.8kN/ m3，Es1=3.87MPa；下面是2.5m的粉砂，γ=17.5kN/m3，Es2=3.2MPa；第三層為淤泥粉質(zhì)粘土，γ=15.8kN/m3，Es3=3.87MPa?；氐膲毫?70kPa，基地附加應(yīng)力=70-γ×0.5=62.1kPa?；A(chǔ)寬度b=3.4m，暫取基礎(chǔ)寬度L=10.88m?；A(chǔ)埋深為0.5m。

（1）地基受壓層計(jì)算深度Zn

Zn=b（2.5-0.4lnb）Zn=3.4（2.5-0.4ln3.4）=6.8m

通常對于多分類任務(wù)解決的基本思路是將多分類問題拆解為多個(gè)二分類任務(wù)進(jìn)行求解。具體來說，是先對多分類問題進(jìn)行拆分，然后為拆出的每個(gè)二分類任務(wù)訓(xùn)練一個(gè)分類器；在測試時(shí)，對這些分類器的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行集成以獲得最終的多分類結(jié)果。通常采用兩種經(jīng)典且容易實(shí)現(xiàn)的拆分策略，即一對一(OVO)和一對多(OVA)。

L/b　z/b a 3.2　z0/b=0/3.4=0　1.000 3.2　z1/b=3/3.4=0.882　0.834 3.2　z2/b=5.5/3.4=1.618　0.654 3.2　Z3/b=6.8/3.4=2　0.584

（2）a取值（3）求ψS由

A1＝（1＋0.834）×3/2=2.751

A2＝（0.834+0.654）×2.5/2=1.86 A2＝（0.654+0.584）×1.3/2=0.805 ψS=1.40-0.1×1.111/1.5=1.326 （4）沉降量S

=1.326×62.1×[0.834×3/3.87+ （0.654×5.5-0.834×3）/3.2+ （0.584×6.8-0.654×5.5）/3.87]=8.9cm。

（5）當(dāng)?shù)鼗?jīng)過處理后，Es1＝7.11MPa，計(jì)算的沉降量為5.1cm，即工后沉降得到了有效的的控制。

3.2 碎石樁法。該方法全稱振動(dòng)沉管擠密碎石樁，是指采用沉管或其它方法在地基中設(shè)置碎石樁，在成樁過程中對周圍土層產(chǎn)生擠密，被擠密的樁間土和碎石樁形成復(fù)合地基，達(dá)到提高地基承載力和減小沉降的目的。對于飽和土，在碎石樁施工結(jié)束以后，在上覆土壓力作用下，通過碎石樁良好的排水作用，樁間粘性土發(fā)生排水固結(jié)，同時(shí)由于粘性、水分子、離子之間重新形成新的穩(wěn)定平衡體系，使土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得以恢復(fù)。因此，從碎石樁和土組成復(fù)合地基角度來看，碎石樁處理飽和軟弱粘土地基，主要有兩個(gè)作用。一是置換作用，碎石樁與樁間土共同形成復(fù)合地基，其主要起墊層的應(yīng)力擴(kuò)散和均布作用，從而提高地基承載力，減小沉降量。地基承載力增大率與沉降量的減小率均和置換率成正比關(guān)系。二是排水作用，不是影響粘性土性質(zhì)的主要因素之一，粘性土地基性質(zhì)的改善很大程度上取決于其含水量的減小。由于碎石樁縮短了排水距離，從而可以加快地基的固結(jié)沉降速率。

3.2.1 碎石樁設(shè)計(jì)施工的要點(diǎn)。（1）樁徑：對于淤泥質(zhì)等飽和土應(yīng)采用較大的直徑，如500mm～800mm，這里取d=800mm。（2）樁長：規(guī)范要求不應(yīng)小于最危險(xiǎn)滑面以下2m的深度，一般不小于4m，按照前面強(qiáng) 夯地基的處理深度及搜索的滑面，本工程樁長可定為5m。（3）樁距：均取1.5m，按正方形布置。（4）墊層：樁頂1m范圍內(nèi)應(yīng)碾壓夯實(shí)，再鋪設(shè)300 mm～1000mm厚的墊層，并夯實(shí)，作為構(gòu)筑物的基礎(chǔ)。

3.2.2 碎石樁地基加固后參數(shù)變化。對淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土面層：容許承載力50kPa，壓縮模量2.13MPa，內(nèi)聚力1.4kPa，內(nèi)摩擦角4.5度。碎石樁置換率，de為一根樁分擔(dān)的地基處理面積的等效圓直徑，對正方形布樁de=1.13s，s為樁距。d=0.8m，de=1.13s=1.13 X1.5=1.695m，按常規(guī)的樁體承載力fak=300-600kPa，安全起見這里取300kPa。參照振沖樁復(fù)合地基承載力計(jì)算，樁土應(yīng)力比n=300/50=6，fspk=[1+m（n-1）]fsk≥[1+0.22（6-1）]× 50=105kPa。再按復(fù)合地基公式計(jì)算壓縮模量，Esp=[1+m（n-1）]Es≥[1+0.22 （6-1）]×2.13=4.473MPa，雖然處理效果不及強(qiáng)夯明顯，但亦能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 地基處理方案比選。碎石樁與強(qiáng)夯置換相比，有兩個(gè)弱點(diǎn)，一是在浸水地區(qū)，其排水固結(jié)作用受到抑制；二是對樁間土的擠密作用不及強(qiáng)夯明顯。因此，從可靠性角度上說，推薦采用強(qiáng)夯置換法進(jìn)行地基處理。

結(jié)語

單就地基承載力而言，砂卵石層經(jīng)夯實(shí)后遠(yuǎn)大于100kPa的最低要求，因此對于軟弱淤泥質(zhì)土，強(qiáng)夯置換地基處理技術(shù)是可行的。至于沿河道縱橫向的不均勻沉降問題，強(qiáng)夯能夠?qū)⒔^大部分沉降量先期處理掉，使得工后沉降盡可能小，而擠淤后形成的砂卵石墩能約束地基的不均勻沉降以及水平的位移。從技術(shù)分析上看，強(qiáng)夯置換能滿足工程技術(shù)需要，另外強(qiáng)夯法施工機(jī)具簡單、節(jié)省材料、工程造價(jià)低、施工快捷，所以推薦方案是地基采用強(qiáng)夯置換法處治。

圖2　計(jì)算簡圖

[1] JGJ79-2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[2] GB50021-2001（2009版），巖土工程勘察規(guī)范[S].

[3]《建筑施工手冊》（第四版）編寫組.建筑施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[4]《地基處理手冊》編寫委員會(huì).地基處理手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.

[5] GB50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

TU471

A

劉玉國，1975.02.08 ，漢，籍貫為四川隆昌，中國石油工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，工程師，碩士，巖土工程勘察與設(shè)計(jì)。1999年7月畢業(yè)于成都理工大學(xué)建筑工程專業(yè)本科，2007年7月獲得成都理工大學(xué)巖土工程專業(yè)碩士學(xué)位。