桩网复合地基处理城市道路深层软土路基

张宏云 ZHANG Hong-yun

（昆明市政工程设计研究院（集团）有限公司，昆明 650228）

0 引言

随着社会经济的飞速发展，国家的道路建设得到迅速发展，道路建设越来越多的遇到深层软土路基。软土是软弱粘性土的简称，主要是海相、河相、湖相的沉积物，基本处于饱和状态，含水量大于液限。软土的特点是：含水量高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高、渗透系数小，具有灵敏性和触变性，物理力学性质变化大。

软土的抗剪强度低，填土后受压，可能产生地基剪切破坏或较大的沉降，从而导致路基的破坏。因此，需要对软土路基进行适当的处理，以增加其稳定性、减小沉降。软土路基的处理主要有两类：加速固结沉降或减小沉降量的沉降处理类；提高路基稳定性的稳定处理类[1]。软土路基处理方法的选择是关乎整个工程的质量、进度和投资的重要一点，快速、有效、经济的软土路基处理方法能够使工程获得良好的社会、经济效益。

目前我国常见的软土路基处理方法有：堆载预压法、排水固结法、真空联合堆载预压法、粉喷桩和水泥搅拌桩加固法、CFG桩加固法等。

1 软土路基处理现状

我国针对在软弱地基上修建道路开展了大量的研究工作，形成了多种各种软基处理的工法和技术，如：堆载预压法、排水固结法、真空联合堆载预压法、粉喷桩和水泥搅拌桩加固法、CFG桩加固法等，这些方法在提高道路路基稳定性及控制道路工后沉降变形方面取得了较好的成果，但仍存在以下一些问题[2]：

1.1 差异沉降控制困难

道路是一种线形空间体，不可避免的出现地形及地质条件多样性，因此对于一条道路而言，不同段落的路基会根据工程实际采用不同的处理方法，这就导致不同处理方法必然会产生不一致处理效果，针对沉降控制而言，将会出现不同段落处的差异沉降，例如软土地基路段的桥台处产生的“桥头跳车”这一典型问题，就是由于桥梁桩基的沉降远远小于道路沉降导致的。

1.2 投资大

目前，对于道路软土路基处理采用的竖向增强复合地基法而言，其设计理念是由桩与土共同承担上部荷载，由于软土的承载力较低、压缩性较高，因此，采用复合地基处理软土路基时，不可避免的需要提高单桩承载力、桩间距来满足设计要求，由于桩的造价较高，这样就会导致工程投资增大，根据统计，对于道路工程，复合地基处理软土路基的费用在单位里程的投资占总投资的30%-40%。

1.3 工期长

采用堆载预压等加速排水固结的方式时，可以加速地基沉降，较好的控制道路工后沉降，但是通常需要较长的堆载预压的时间，对于工期较紧张的项目，该法往往受到较大的制约。

2 桩网复合地基

复合地基有两种形式：采用加筋材料作为增强体的水平向增强体复合地基；采用各类型的桩作为增强体的竖直向增强体复合地基，桩网复合地基是将水平向增强体复合地基与竖直向增强体复合地基结合的一种复合地基形式，桩网复合地由刚性桩、桩帽、加筋层和垫层构成。网（即加筋层）与土之间形成的加筋土存在存在“张力膜”效应，这种由界面摩阻力（咬合力+摩擦力+粘着力）来实现共同作用使得网处于受拉状体，能够减少上部土体传来的荷载，提高整个体系的承载力，减少沉降及差异沉降[3]。同时桩和土共同承担上部荷载，大大提高了整个体系的承载能力并能减小工后沉降。（图1）

图1 桩网复合地基示意图

桩网复合地基桩型可采用预制桩、就地灌注素混凝土桩、套管灌注桩等。刚性桩桩顶应设桩帽，形状可采用圆柱体、台体或倒锥台体。桩帽直径或边长宜为1.0~1.5m，厚度宜为0.3~0.4m，宜采用水泥混凝土现场浇筑而成。桩帽顶上应铺设具有一定厚度、强度、刚度、完整连续的柔性土工合成材料加筋垫层。

在桩网复合地基中，由于其上部荷载是通过土拱将桩帽以上的荷载转移至桩帽上，为此必须保证土拱的形成，而土拱的形成需要有一定的填土高度，为确保土拱的形成，充分发挥土拱效应，避免桩（帽）土顶面的差异沉降反射到路面而出现蘑菇状高低起伏的现象，要求刚性桩处理路段的路堤高度宜大于1.4（S-b）（其中S为桩间距；b为桩帽的宽度，按一般填料计算，通常计算后最小路堤高度在2m以上才能确保土工形成）。鉴于土拱形成高度与填料内摩擦角关系密切，必须严格控制填料质量。

3 实例分析

3.1 工程地质概况

云南某城市新建道路，道路全长0.8km，红线宽度24m，位于湖湘沉积地带，道路工程地地质情况如下：

根据钻孔所揭露地层分析，场地表层为耕土及近期回填素填土，其下主要为第四系全新统冲湖积成因的粘性土、泥炭黏土，淤泥质黏土及粉细砂层，在ZK21附近揭露基岩（砂岩）。根据地层的成因、物理力学性质等分为6个大层及相应的亚层，现自上而下分述如下：

①素填土：灰黄、褐黄、紫红、褐红色，干～湿。由圆砾及粉质粘土组成。为近期回填分布北斗路及规划路附近。层厚：0.50～4.00m。

①1层，耕土：灰褐、褐红色，干～湿，结构松散。由黏土及粉质黏土组成，软塑，其中夹大量的植物残体。分布红山路节点桥及规划路附近，层厚：0.40～0.60m。

②层，粘土：褐灰色、褐黄、褐红，湿，软至可塑状态。切面光滑、稍有光泽，韧性中等，干强度中等，具高压缩性，偶夹植物残体。分布在场地上部，以层状形式产出，整块场地均有分布，层厚0.70～3.00m。

③层，淤泥质粉质粘土：红褐、褐灰色，湿，软塑状态。切面光滑、稍有光泽，韧性一般，干强度高，具高压缩性。局部夹植物残体及螺蛳壳碎屑。该土层分布在场地中上部，以层状形式产出，整块场地均有分布，层厚：4.50～7.70m。

③1层，泥炭质黏土：黑灰、褐灰色，湿，软至流塑状态，具高压缩性。含有机质25%，可见大量完全分解和未完全分解的植物残体。以夹层状、透镜体形式在③层淤泥质粉质粘土产出，最大层厚：1.50m。

④1层，淤泥质粉质粘土：蓝灰、褐灰色，湿，软塑状态。切面光滑、稍有光泽，韧性一般，干强度高，具高压缩性。偶夹螺蛳壳碎屑。该土层分布在场地中下部，以层状形式产出，整块场地均有分布，层厚：3.50～12.30m。

④层，粉细砂：褐灰、灰色，饱和状态，结构稍至中密。偶含少许砾石颗粒。该层分布在场地下部，本次勘察未揭底。

⑤层，粉质粘土：蓝灰、褐灰色，湿，可塑状态。切面稍粗糙、稍有光泽，韧性中等，干强度中等，具中压缩性。分布于红山路节点桥场地下部，本次勘察未揭底。

⑤1层，粉细砂：灰色，饱和状态，结构稍至中密，偶含少许砾石颗粒。该层在⑤层粉质粘土以夹层状产出，层厚：0.60～2.30m。

根据地质勘查资料揭示，道路下伏深层软土，层厚可达10m以上，需对其进行处理。

表1 各土层主要物理力学指标及承载力特征值建议表

3.2 桩网复合地基处理

本项目桩网复合地基中，刚性桩采用素混凝土桩，正四边形布置。桩身材料选用C20混凝土，桩径40cm，桩间距2.5m。桩顶设置正方形桩帽，桩帽采用C25钢筋砼，桩帽边长1.2m。桩顶水平加筋体采用80*80kN土工格栅，褥垫层采用30cm碎石垫层。

3.2.1 承载力计算

对于本项目桩体可以穿透软土层到达较好的持力层粉细砂层，属于端承桩，桩的竖向抗压承载力特征值：

Ra：单桩竖向抗压承载力特征值（kN）；

A：单桩承担的地基处理面积（m2）；

Pk：相应于荷载效应标准组合时，作用在地基上的平均压力值（kPa）。

fspk：复合地基承载力特征值（kPa）；

fsk：桩间土地基承载力特征值（kPa）；

βp：桩体竖向抗压承载力修正系数，可取1.0；

βs：桩间土地基承载力修正系数，端承桩可取0.1-0.4；

m：复合地基置换率。

3.2.2 土拱高度

h：土拱高度（m）；

s：桩间距（m）；

a：桩帽边长（m）；

φ：填土的摩擦角（°），粘性土取综合摩擦角；（填料按土夹石考虑，内摩擦角30°）

根据计算本项目最小土拱高度1.592m。

3.2.3沉降计算

桩网复合地基沉降量由加固区复合土层压缩变形量S1（mm），加固区下卧层压缩变形量S2（mm）以及桩帽以上垫层和土层的压缩变形量S3（mm）组成：

本项目采用刚性桩，加固区复合土层压缩变形量S1可忽略不计，加固区下卧层压缩变形量S2按下式计算：

ΔPi：第层土的平均附加应力增量（kPa）；

Esi：基础底面下第层土的压缩模量（kPa）；

li：第i层土的厚度（mm）。

φs2：复合地基加固区下卧土层压缩变形量计算经验系数（m）。

加固区下卧层压缩变形量S2（mm）计算中，作用在复合地基加固区下卧层顶部的附加压力对于刚性桩采用等效实体法进行计算

pz：软弱下卧层顶面处的附加压力值（kPa）；

L：基础底边的长度（m）；

B：基础底边的宽度（m）；

h：复合地基加固区深度（m）；

a0：基础长度方向桩的外包尺寸；

b0：基础宽度方向桩的外包尺寸；

p0：复合地基加固区顶部的附加压力（kPa）；

f：复合地基加固区桩侧摩阻力（kPa）。

处理松散填土层、欠固结土层、自重湿陷性土等有明显工后沉降的地基时，桩帽以上的垫层和土层的压缩变形量s3，可按下式计算：

Δ：加筋体的下垂高度，可取桩间距的1/10，最大不宜超过0.2m。

表2为特征断面的沉降计算结果。

表2 桩网复合地基处理后特征断面的沉降计算

3.2.4 经济分析

采用桩网复合地基，本项目工程量如下：①C20素混凝土桩：62145m；②桩帽C25砼：6905个；③钢塑格栅（50×50kN）：29178m2；④垫层30cm碎石：6819m3；工程地基处理造价估算990万元。

3.3 CFG桩复合地基处理

3.3.1 承载力计算

对于CFG桩复合地基，根据地质勘查资料，根据规范采用下述公式对单桩承载力进行预估。

Ra：单桩竖向抗压承载力特征值（kN）；

AP：单桩截面积（m2）；

up：桩的截面周长（m）；

n：桩长范围内所划分的土层数；

qsi：第层土的桩侧摩阻力特征值（kPa）；

qp：桩端土地基承载力特征值（kPa）；

α：桩端土地基承载力折减系数，可取1.0。

fspk：复合地基承载力特征值（kPa）；

fsk：桩间土地基承载力特征值（kPa）；

βp：桩体竖向抗压承载力修正系数，可取1.0；

βs：桩间土地基承载力修正系数，端承桩可取0.1-0.4；

m：复合地基置换率。

复合地基承载力特征值按照式3.2.2计算。

本项目取桩径0.5m，桩间距1.8m，正三角形布置，置换率为0.07。

按照不同的土层分布选取有典型意义的断面对其进行了计算。利用上述公式对CFG桩单桩极限承载力和复合地基极限承载力进行了计算。

3.3.2 沉降计算

刚性桩复合地基沉降量由加固区复合土层压缩变形量S1（mm），加固区下卧层压缩变形量S2（mm）组成：

加固区复合土层压缩变形量S1按下式计算：

φp：刚性桩桩体压缩经验系数，一般可取1/2—1/3；

Q：刚性桩桩顶附加荷载（kN）；

l：刚性桩桩长（m）；

Ep：桩体压缩模量（kPa）。

加固区下卧层压缩变形量S2按式3.2.5计算。

表3为特征断面的沉降计算结果。

表3 CFG桩复合地基处理后特征断面的沉降计算

3.3.3 经济分析

采用CFG桩复合地基，本项目工程量如下：①CFG桩长：90297m；②褥垫层30cm厚：6819m3；③钢塑格栅（50×50kN）：29178m2；工程地基处理造价估算1078万元。

4 结论

通过以上两种处理方案的分析可以看出，桩网复合地基和CFG装复合地基在处理深层道路软土地基时，桩网复合地基在桩体数量及桩径较CFG桩复合地基为小的情况下，在控制道路沉降及造价方面，较CFG桩复合地基处理效果好。因此，桩网复合地基在处理深层软土路基方面，在工程效果及工程造价方面均有优势，在今后的工程中，有较好的应用前景。