市政道路深厚软土地基处理的设计与实践

2022-11-03肖时辉周波王虎周岳祝必仁李伟鹏

工程建设与设计 2022年19期

肖时辉，周波，王虎，周岳，祝必仁，李伟鹏

（1. 珠海大横琴股份有限公司，广东珠海510089；2. 中国铁建港航局集团有限公司，广东珠海510089；

1 引言

珠海地区广泛分布着海相沉积软土，其分布范围和厚度以珠海西区和横琴新区的滨海相软土最为突出[1]。该地区软土强度低、压缩性大、渗透性差[2]，且具有深厚的特点，这是该地区软土地基处理必须考虑的区域特性[3]，工程建设时必须妥善处理其强度、变形和稳定性问题[4]。

深厚软土作为路基的处理技术主要有排水固结法[5-6]和复合地基法[7]。排水固结法通过排除土体内孔隙水，增加土颗粒的接触，改善土体内部结构，事先使得软土排水固结，达到变形稳定和提高承载力的目的。复合地基法通过土体内设置桩体，如素混凝土桩[8]、水泥土搅拌桩[9]等，形成桩土共同受力，达到承载力要求，同时减小荷载作用下的变形。也有先采用排水固结法预处理，后再采用复合地基的处理方式。

本文以横琴新区国际居住区市政基础设施及配套工程（S3 片区）的3 条城市道路深厚软土路基处理为工程背景，阐述了真空联合堆载预压法和双向水泥土搅拌桩复合地基在深厚软土路基处理中设计、施工实践，并利用施工监测、土工试验和原位测试等手段分析评价了处理效果，可为深厚软土处理的设计施工提供一定的借鉴作用。

2 工程背景

项目位于横琴国际居住区S3 片区，区域包含3 条城市道路分别为D 路（次干路）、F 路（支路）和S 路（支路），道路总长为3.41 km。

场地地下水与河流水水力联系密切，旱季时，地下水补给河流，雨季时，河流补给地下水。根据岩土成因、地质年代、岩性和工程特性等，场地地层岩性可分为第四系人工填土层（Q4ml）、第四系海陆交互相沉积层（Q4mc）、第四系冲洪积层（Q4al+pl）、第四系残积层及燕山三期基层（γ52(3)）。由上到下依次描述如下：

第1-1 层素填土（Q4ml）：由砂土组成，局部地段含黏性土、粉土或少量碎块，新近人工填土，吹填年限＜1 年，未固结层，揭露平均厚度为3.38 m，标准贯入击数平均值为2.9 击。

第1-2 层杂填土（Q4ml）：主要由碎石土及抛石组成，充填砂土或黏性土，碎块及抛石粒径约2～15 cm，成分为砖块及混凝土等，新近人工填土，堆积年限＜1 a，未固结，揭露平均厚度为4.31 m。

第2-3 层淤泥（Q4mc）：灰黑色，深灰色，流塑状，竖向排水固结系数、径向排水固结系数分别为1.70×10-3cm2/s 和1.70×10-3cm2/s，揭露平均厚度为24.02 m。

第3-1 层粉质黏土（Q4al+pl）：土黄色，灰白色，灰黄色，褐红色等，可塑状，局部硬塑状，干强度中等，韧性中等，黏性较好，揭露平均厚度为4.33 m，标准贯入击数平均值为10 击。

第3-2 层淤泥质黏土（Q4al+pl）：灰黑色，深灰色，流塑状，局部软塑状，局部含少量粉砂，揭露平均厚度为4.87 m。

第5-2 层强风化花岗岩（γ52(3)）：褐黄斑色，灰白斑色，灰褐斑色等，半岩半土状，碎块状，岩石结构大部分被破坏，遇水易软化崩解，手折易断，为极软岩，揭露平均厚度5.57 m，标准贯入击数平均值为42.6 击。

其典型的地质剖面如图1 所示，场地分布深厚软土，平均厚度达到了24.0 m，深厚软土地基的强度和变形是本工程需要解决和控制的问题，也是珠江口西岸滨海地区进行市政建设面临的共同难点。

图1 工程场地典型的地质剖面

3 软土路基处理技术方案与施工

软土路基处理采用的技术标准：路面设计使用年限（15 a）内工后沉降≤50 cm；小型构筑物（箱涵、人行通道）工后沉降≤30 cm；淤泥固结度≥90%；地基承载力要求：道路≥100 kPa。

根据本工程不同路段软土路基的特点，具体的软土路基处治技术方案和施工如下。

1）一般路基段：真空联合堆载预压法处理

采用C 形塑料排水板，正方形布置，间距1.0 m，一般打设深度按软土层底标高控制，最大不超过25 m，处理宽度控制在道路红线以外10 m；膜下真空压力≥80 kPa，抽真空120 d 后利用路堤自重（≤3 m）作为预压荷载；密封墙采用双排黏土密封墙，具体设计如图2 所示。以F 路真空联合堆载预压为例，排水板打设深度最大25 m，在开始抽真空一周后膜下真空度稳定在88～89 kPa，抽真空时间从2019 年12 月9 日持续至2020 年6 月14 日。

图2 真空联合堆载预压处理断面设计

真空联合堆载预压期间在预压两侧布置的深层测斜管变形趋势表明其显著影响深度达到了12 m，累计深层水平变形达到了8～18 cm。同时布置了浅层沉降板对软基处理浅层沉降进行监测，根据三点法利用实测变形与时间关系曲线按下式可推算最终竖向变形量Sf：

式中，S1，S2，S3为加荷停止后时间t1，t2，t3相应的竖向变形量，且取t2-t1＝t3-t2。

通过真空联合堆载预压停止时的竖向变形量和推算的最终竖向变形差值可以预估软基处理后的工后沉降量，同时根据固结度的定义，可以得到通过真空联合堆载预压停止的固结度U，表达式为：

式中，St为真空联合堆载预压停止时的竖向变形量。

根据软土路基处理浅层沉降的监测结果，选用真空联合堆载预压后期的沉降监测数据，依据式（1）和式（2）推算出的最终变形量、工后沉降和固结度如表1 所示。监测点CJ01 和CJ02 固结度满足≥90%的要求，监测点CJ03 固结度为88%，接近固结度要求；预测的工后沉降全部满足≤50 cm 的设计要求。但应注意的是，该路段部分软土厚度超过25 m，排水板并没有打穿软土层，需要长期监测才能获得准确的工后沉降资料，且需关注其不均匀沉降情况。

表1 工后沉降和固结度分析

2）一般路基与现状构筑物过渡段：由于真空联合堆载预压会对临近构造物造成影响，在与现状道路相接处以及构造物附近采用复合地基；同时淤泥较深，且含水量均值达到了62.5%，十字板抗剪强度小于20 kPa，经分析采用CFG 桩成桩质量较差，而双向水泥搅拌桩处理深度较深，处理效果较单向水泥搅拌桩较好，因此采用双向水泥搅拌桩处理方案。

搅拌桩桩径50 cm，按正三角形布设，桩间距1.3 m，桩长平均18.6 m，设计要求28 d 单桩承载力不少于35 kN，90 d 单桩承载力不小于60 kN。所用水泥浆水灰比为0.60，水泥掺量19.7%，桩材料用量70 kg/m，满足设计基本要求，如图3 所示。

图3 双向水泥搅拌桩复合路基断面设计

3）小型构筑物（涵洞等）段，完成软土路基处理后再进行反开挖施工；在管线位置，桩顶标高在管线底标高以下0.5 m，搅拌桩实施完成后进行反开挖实施褥垫层、路基、路面。

4 处理效果分析

4.1 联合堆载预压法处理前后软土物理力学性能对比分析

软土路基处理后，在场地布置取样孔，每1.0 m 取样一个判别加固效果。真空联合堆载预压加固前后淤泥层物理力学指标如表2 所示，经过排水固结后淤泥层的定名由淤泥变为了淤泥质土，其含水率和孔隙比分别减小了31.88%和34.60%，黏聚力、内摩擦角和压缩模量分别增长了32.31%，109.68%和42.86%，加固效果明显。其中内摩擦角增长达到了一倍以上，这说明排水后孔隙比减小，固体颗粒接触增加显著。

表2 处理前后软土物理力学参数对比

对F 路真空联合堆载预压处理后软土路基进行十字板原位试验检测，从淤泥层顶面以下1 m 处开始，间隔1 m 进行测试。测试结果如表3 所示，根据JTG/T D31-02—2013《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》有关规定，处理后软土属中等灵敏性软土，软土路基应避免大幅扰动，特别是在路侧基坑作用下，应采取变形控制措施，防止过大变形的发生。

表3 处理后软土十字板测试结果

4.2 双向水泥搅拌桩的检测结果

双向水泥搅拌桩进行钻芯法和单桩承载力能力检测，钻芯法检测结果表明芯样呈柱状，大部分完整，局部破碎，桩身完整性类别为Ⅱ类，芯样试件抗压强度代表值为3.2～6.2 MPa，达到设计要求。双向水泥土搅拌桩在最大试验荷载120 kN 作用下，压力稳定，各桩桩顶总沉降量范围为0.78～29.18 mm，Q-s 曲线（压力-位移曲线）平缓，无陡降段，s-lg t 曲线（位移-时间对数曲线）呈平缓规则排列，单桩承载力特征值不小于60 kN，达到设计要求。