挤密砂桩在长沙滨江新城道路建设中的应用

申抚兵，袁腾方，刘小平

(1.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000;2.桂武高速公路建设开发有限公司，湖南郴州 423000)

长沙滨江新城片区位于长沙市区湘江西侧，片区呈南北狭长形，原为长沙市近郊片区，居民居住用地、厂房、农田菜地夹杂，片区现作为大河西先导区核心区之一，已进入大面积开发建设时期。

北津城路为滨江新城片区内东西走向次干道，为片区首期启动项目之一，路基范围内分布有大范围且层厚较深的杂填土、素填土等土层，根据以往工程经验，若对杂填土、素填土处理不当，其特殊的水文及工程地质条件将导致路基沉降及路面破坏等病害，因此，对杂填土、素填土进行科学合理的地基处理对该工程乃至滨江新城片区其他道路建设提供指导意见具有重要意义。

1 工程地质概况

1.1 路基土层分布及岩性特征描述

1)人工填土:按其组成成分可分为如下两亚层:

①杂填土1:杂色，主要由建筑垃圾、生活垃圾组成，混有10% ～15%粘性土、砂土等，成分杂乱，结构松散。层厚0.40～10.00 m。

②素填土2:褐红、灰褐、黄褐、紫红色，主要由粘性土组成，局部混有10% ～15%强风化岩块及少量建筑垃圾，其岩块块径一般为2～4 cm;稍湿～湿，为近期堆填，结构松散。层厚0.50～7.20 m。

2)第四系冲积粉质粘土:褐黄、灰白色，稍湿～湿，可塑～硬塑状态。切面稍光滑，其干强度及韧性中等，摇震无反应。层厚0.90～6.60 m。

1.2 土层物理力学性质指标

本工程沿线土层物理力学性质指标见表1。

表1 土层物理力学性质指标

2 地基处治方案设计

2.1 加固方法选用

通过对袋装砂井、塑料排水板、石灰桩、粉体喷射搅拌桩、浆体喷射搅拌桩、高压旋喷桩、碎石桩及砂桩的适用性和价格分析，结合本工程工期紧且片区紧邻湘江，河沙丰富，经技术经济综合分析比较，最后选定采用砂桩法加固处理本工程特殊路基。

2.2 地基加固机理

在砂桩成桩施工时对周围砂层或产生挤密作用或同时也产生振密作用，还有一定的抗液化作用。所谓挤密作用，是在采用冲击法或振动法往松散砂土中下沉桩管和一次拔管成桩时，由于桩管下沉对周围松散砂土产生很大的横向挤压力，桩管就将地基中同体积的松散砂土挤向周围的砂层，使其孔隙比减小，孔隙水排出，有效应力增大，密度也增大，地基承载力也随之提高。振密作用是在沉管特别是采用垂直振动的激振力沉管时，桩管周围的土体受到挤压，同时，桩管的振动能量以波的形式在土体中传播，引起桩四周土体的振动，在挤压和振动的双重作用下，土的结构逐渐破坏，孔隙水压力逐步增大。由于土结构的破坏，土的颗粒重新进行排列，并向具较低势能的位置移动，从而使土由较松散状态变为密实状态。随着孔隙水压力的进一步增大，达到大于主应力数值时，土体开始液化成流体状态，流体状态的土变密实的可能性较小，但如果有排水通道(如砂石桩)时，土体中的水就能够沿砂石桩这个排泄通道排出，达到消散孔隙水压力的作用，同时土的颗粒重新排列、固结，形成新的结构土体。使土体的孔隙比降低，密实度增大，从而达到加固地基之目的。抗液化作用首先是可液化的土层在受到挤密作用和振密作用后，土层的密实度增加，结构强度提高，从而提高土层本身的抗液化的能力，这可以从标准贯入试验击数的增大而得到验证。其次砂石桩也起到排水通道的作用，能够加速挤压和振动作用产生的超孔隙水压力的消散，降低孔隙水压力上升的幅度，提高桩间土的抗液化能力。

2.3 加固要点

1)上层杂填土或素填土杂乱松散，在重荷下难以稳定，因此须清除。

2)根据土层物理力学性质指标，结合工程施工周期，考虑到软土的固结情况和预压期限，采用合理的桩径、桩距。

3)软土层较厚，下层为粘土层及风化岩层。因此砂桩宜贯穿软土层至持力层，提高复合地基的承载能力，在砂桩上铺砂砾垫层，加强横向连接并提高横向排水能力。

2.4 加固方案(图1)

1)桩体材料:使用中粗混合砂，含泥量不大于5%。砂砾石级配范围见表2。

表2 砂砾石级配范围

2)桩径:根据地基土质情况和成桩设备等因素，本工程砂桩桩径采用30 cm。砂桩孔位采用等边三角形满堂布置。

3)桩长:本工程主要的不良土层为杂填土及素填土层，最大层厚在10 m左右，其下为风化岩及可塑～硬塑状态的粘土层持力层。砂桩桩底置入风化岩或硬塑状粘土不小于0.5 m，砂桩设计桩长为5～10.5 m。

4)桩距:对于杂填土可根据要求的孔隙比进行计算，按正三角形布置时，桩距L计算公式如下:

式中:d为直径，cm;e0为天然孔隙比;e1为要求达到的孔隙比。

根据计算，L=1.53 m，桩距取整1.5 m。

图1 加固示意

5)垫层:砂桩顶部铺设40 cm厚砂砾垫层。砂砾垫层采用分层铺设，即砂石桩施工完毕上面铺20 cm厚砂砾嵌压，然后再在上面铺一层土工格栅，再铺20 cm厚砂砾层，然后回填素土填筑路基。

6)成桩方法:砂桩施工可采用振动成桩法和冲击成桩法。振动成桩法分一次拔管法、逐步拔管法和重复压拔管法;冲击成桩法分单管法和双管法。

本工程考虑到土质条件及施工质量控制，采用逐步拔管振动成桩法施工。即往打入土层的桩管中灌砂后，边振动边拔桩管，拔起一定高度后暂停，待振动若干秒后，再拔起一点，如此反复，直到桩管全部拔出地面。

7)砂桩施工顺序:施工应背离建(构)筑物方向进行，挤密砂桩施工工艺应按以下程序进行:整平原地面→机具定位→桩管沉入→加料压密→振动拔管→机具移位。

软基处理属地下隐蔽工程，质量控制人为占主要因素，因而在施工中每台桩机每班安排1名现场施工技术人员跟班作业，并做好值班记录，随时掌握施工动态:监督中粗砂的投放量、拔桩的速率及桩管垂直度等技术参数。

3 挤密砂桩处理效果检测与监控情况

为了检验砂桩加固处理效果，为设计和施工提供可靠依据，据设计和业主要求，施工后1个月湖南中大工程检测有限公司对本工程砂桩进行了8个点的复合地基平板载荷试验，压板面积为1 m×1 m，最大试验荷载为200 kPa，试验F—S曲线、S—lgF曲线平缓圆滑，未出现拐点，土体未破坏，S—lgt曲线呈平行排列。试验结果见表3。

表3 复合地基平板载荷试验结果

试验结果表明，经砂桩加固处理后的复合地基承载力均大于130 kPa，试验最大沉降量均小22 mm，试验最小沉降量仅为4.4 mm，说明经砂桩加固处理后的复合地基沉降量显著减少，降低其压缩性，提高地基强度，改善地基的整体稳定性，满足设计要求。由此可见，在本工程采用砂桩法是正确的，起到了显著的加固作用，达到了预期的目标。

4 结语

本工程原地基承载力在80 kPa左右，通过挤密砂桩处理后的复合地基承载力提高到132～151 kPa，地基承载力明显提高，处理效果明显满足了设计的需要，表明挤密砂石桩法是处理素填土及杂填土路基行之有效的方法。特别对于长沙市滨江新城这种城郊结合的改造片区道路工程，地质情况以杂填土素填土居多且层厚较大的情况下采用挤密砂桩法加固地基处理是一种技术可靠，施工简便，经济合理的有效措施。

［1］《地基处理手册》编委会.地基处理手册(第二版)［M］.北京:中国建筑工业出版社，2000.

［2］JGJ 79－2002，建筑地基处理技术规范［S］.

［3］龚晓南.复合地基理论及工程应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［4］叶书麟.地基处理工程实例应用手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1998.

［5］丁如珍，张义贵，缪林昌.挤密砂桩加固软弱地基的承载性能研究［J］.公路交通科技，2004(7).