沿海地区深厚软土地基处理方案研究＊

周凯，王伟军

［1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，广东珠海 519075；2.珠海市勘察设计研究院有限公司，广东珠海 519015］

0 引言

软土一般是指滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高的细粒土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土。软土地基成为路基持力层之前一般需要进行处理，以提高地基承载力，增强地基稳定性，减小工后沉降。国内外较成熟的深层软土地基处理方式主要有排水固结法、水泥搅拌桩、水泥粉煤灰碎石桩（Cement Fly-ash Gravel，CFG）桩、预应力管桩等［1-2］。珠海横琴新区作为滨海围垦区，陆地多为海相沉积软土层，软土较深厚，地基处理难度较大。对于陆海相沉积的厚层软土层的地基处理方法，学者们进行了大量的研究。其中，龚晓南等［3］采用真空预压法处理软土地基，提出了真空渗流场的理论；章定文等［4］研究连云港沿海软土的固结、抗剪及流变等特性，并针对工程进行了有效的地基处理；唐育同［5］、邰勇［6］分别对公路软土路基的治理开展研究，提出超载预压等多项处理措施。CFG 桩应用于地基处理具有高效、便捷的特性，但容易出现断桩等病害［7-8］。现有文献对软土地基的处理大多针对浅薄层的土体，提出了较多的地基处理方法。然而，针对沿海相沉积的深厚软土地基处理的研究不多，而传统的浅薄层软土处理方法难以应用于深厚软土地基。

本文结合珠海横琴新区某新建场地厚层软土地基处理工程，综合适用性、可行性及经济性等方面的考量，经过对比传统主流的4 种软土处理方案，选择三轴水泥搅拌桩法作为新建场地的特殊路基处理方法，并且调整和优化既有处理方案，采用成桩现场检测反馈方法，评价地基处理的成效，探索沿海地区深厚软土地基土体处理方法及其评价机制。

1 工程概况与地基处理方案比选

1.1 工程概况

该新建查验场地位于横琴海关，当前的地面高程约4 m，场地平整标高为2.5 m，淤泥顶部高程为-0.5～-8.23 m，底部高程为-21.89～-25.46 m，层厚11.2～23.10 m。既有查验场地已进行软基处理，其中入岛货检查场地和出岛货检查验场地采用的是真空联合堆载预压，其余区域采用CFG 桩进行软基处理，处理深度均为28 m。改造时不再对既有场地进行软基加固，仅对新建场地进行软基处理。

新建查验场地现状为休闲公园，场地处理边界距查验场候车厅（待改建）约15 m；往南依次存在DN800污水管、3.2 m×1 m的雨水箱涵及9.4 m宽的综合管廊；北侧处理边界存在中压燃气管。

1.2 工程地质情况

珠海横琴新区某新建场地项目工程主要是对现状海关监管作业场所的设施和设备进行地基处理，本工程为新建海关汽车查验场，根据勘察结果，该查验场下存在厚层的软土，测算划定该地特殊路基处理范围约7 144 m2。由于该查验场主要用作进出口汽车的查验场地，根据检测设备的精度、行车坡度及场地排水等要求，设计使用了与场区外主干路道路等级相同的沉降要求，即工后允许沉降≤30 cm。根据工程勘察结果，各岩层的岩土物理力学参数建议值见表1。场地的地层划分为4 个大层、9 个亚层，详细地层信息如下。

表1 岩土物理力学参数建议值

（1）①1素填土：褐黄色、灰黄色，主要由花岗岩风化土、中风化花岗岩碎块石等堆填而成，土质不均匀，堆填年限为5～10年，基本完成自重固结，稍压实，土质稍湿；层底标高为-4.43～1.10 m。

（2）①2冲填土：灰黑色为主，岩性主要为细砂，人工吹填形成，分选性好，级配较差，土质饱和、松散；层底标高为-9.91～-5.99 m。

（3）②1淤泥质土：灰黑色，岩芯呈泥柱状，上部填土自重固结以淤泥质土形式产生，呈饱和流塑状；层底标高为-12.80～-3.70 m；淤泥质土平均含水率为50.5%。

（4）②2淤泥：灰黑色，岩芯呈泥柱状，难以直立，呈饱和流塑状；层底标高为-25.46～21.89 m。

（5）②3粉质黏土：灰黄夹褐红色，主要由粉黏粒组成，韧性及干强度中等，土质湿、可塑；层底标高为-26.19～-19.20 m。

（6）②4粗砂：灰白、黄褐色，岩性主要为粗砂，局部为细砂，分选性差，级配较好，砂质饱和、稍密；层底标高为-29.88～-24.30 m。

（7）②5淤泥质土：灰黑色，岩芯呈泥柱状，直立易倒；层底标高为-31.64～-26.2 0 m。

（8）③砾质黏性土：灰白、浅黄、砖红等花斑杂色，由花岗岩风化土残积形成，土质硬塑；层底标高为-28.49～-30.43 m。

（9）④1全风化花岗岩：灰白色为主，岩芯呈土柱状，原岩结构和层理尚可分辨，遇水易软化，岩质坚硬状；层底标高为-35.23～-28.53 m。

1.3 地基处理设计方案比选

项目场地范围内淤泥、淤泥质土较深厚，深厚软土的处理方案一般可采取以下4种方式。

（1）真空堆载预压。采用“D”形排水板，呈正方形布置，间距为1 m；排水板不穿透淤泥层，板长约27.5 m。

（2）水泥搅拌桩。常规单轴、双轴水泥搅拌桩处理深度多为20 m，处理深度不能穿透淤泥层，而采用三轴水泥搅拌桩实际处理深度可达30 m；桩径选用650@450 mm，咬合20 cm，呈正方形布置，间距为2.4 m，穿透软土层厚度不小于1 m，桩长29 m。

（3）CFG 桩。采用C20混凝土桩身，桩径为0.5 m，呈正方形布置，桩间距为1.8 m，穿透淤泥层不小于1 m，桩长29 m。

（4）预应力管桩。采用高强预应力管桩，桩径为0.4 m，呈正方形布置，桩间距为2.5 m，穿透淤泥层不小于1 m，桩长29 m。

以上4 种软基处理施工方案的特征汇总见表2。考虑新建场地软基处理边界距既有候车厅、综合管廊等构筑物较近，如果采用真空堆载预压处理方式，单价虽然较低，但是处理工期较长，对周边现状构筑物存在拉裂性破坏，因此不宜采用；如果采用CFG桩、预应力管桩等处理方式，2种桩均为刚性桩，挤土效应强，容易对周边构筑物产生挤压破坏，而且造价较高。三轴水泥搅拌桩作为柔性桩，挤土效应弱，在工期、造价方面均符合设计目标（其特殊路基处理横截面图和平面示意图如图1和图2所示）。

图1 特殊路基处理横断面图

图2 特殊路基处理平面示意图

表2 4种软基处理施工方案的特征汇总

2 三轴水泥搅拌桩设计参数及施工工艺

横琴大桥通道新建场地以DCZK5 孔位（地质纵断面见图3）为最不利孔位，根据该孔位计算单桩承载力、复合地基承载力及工后沉降。本次采用桩径为650@450 mm 的水泥搅拌桩，呈正方形布置，间距为2.4 m。桩顶标高为2.0 m，桩底标高为-26.96 m，有效桩长约29 m。三轴咬合桩可换算为桩间距为2.4 m、直径为1.05 m的水泥搅拌桩。

图3 DCZK5地质纵断面

2.1 单桩竖向承载力特征值计算

单桩竖向承载力特征值的计算参照《公路软土地基处治工程技术规范》（DB45_T 1972—2019）中的式7.1.5-3：

其中：up为桩的周长，up=3.299 m；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa；lp为第i层土的厚度，m，按勘察报告取值；ap为桩端阻力发挥系数，α=0.40；qp为桩端地基土未经修正的承载力特征值，qp=700 kPa；Ap为桩的截面积，Ap=0.866 m2。将各项数值代入公式（1）可得：Ra1=3.299×（2.86×16+3.2×14+21.4×8+1.5×32）+0.40×700×0.866=1 264 kN

参照《公路软土地基处治工程技术规范》中的式7.3.3：

其中：fcu为90 d 桩身水泥土无侧限抗压强度，fcu=1.6 MPa；h为桩身强度折减系数，h=0.25。将数值代入公式（2），可得Ra2=0.25×1 600×0.866=346.4 kN。因此，单桩竖向承载力特征值取值为350 kN。

2.2 复合地基承载力计算

《公路软土地基处治工程技术规范》中复合地基承载力的计算公式为

其中：fspk为复合地基承载力特征值（kPa）；λ为单桩承载力发挥系数，λ=1；m为面积置换率，m=15%；Ra为单桩竖向承载力特征值，Ra=350 kN；b为桩间土承载力折减系数，b=0.4；fsk为处理后桩间土承载力特征值（kPa），取天然地基承载力特征值，fsk=90 kPa。将各项数值代入公式（3），可得fspk=1×0.15×350÷0.866+0.4×（1-0.15）×90=91.22 kPa。复合地基承载力取值fspk=100 kPa，满足地基承载力要求。根据理正岩土工程计算工后15年内的沉降约为0.132 m，满足一般路段道路沉降要求。

2.3 深厚软土地基三轴水泥搅拌桩施工原理及工艺

由于沿海地区的软土层深厚，承载力有限，重载荷作用下土体的累计总变形较大，严重超过设计及建筑的沉降要求。采用三轴水泥搅拌桩施工处理深厚软土可以有效解决软土硬化的问题。深厚软土地基采用三轴水泥搅拌桩的基本原理为将工程建筑范围内软土体的上层进行注浆硬化，由于该工程的土层深厚，普通作业方式难以进行较大深度的注浆作业，因此根据该工程的特点，采用成桩孔位间距加密、深度加深的作业方案，该作业方式可形成一层压缩性较小的偏刚性土层，提高混合土层的刚度，降低上层土体的变形程度。由于施工的桩体密度较大，可以等效为一个近似刚性的“筏板”覆盖在深厚的软土层上，在构筑物载荷作用下，“筏板”增加了载荷的作用面积，能有效地降低土体受到的应力，进而满足构筑物对沉降的要求。针对本工程所处的工程地质环境及构筑物对沉降的要求，深厚软土三轴搅拌桩施工工艺设计如下。

（1）三轴搅拌桩桩体水泥掺量为310 kg/m（水泥重量与被加固的软土重量之比暂定为22%左右），水泥等级为42.5，水灰比为0.5～0.6。根据工程场区内水泥与软体的拌和试验及试桩等强度测试，以及考虑到该工程的软土强度较低，应适当增加水泥的用量，因此该工程所采用的水灰比为0.5，其中水泥的使用量按照公式（4）进行验算：

其中：M表示单排桩水泥用量（单排桩为咬合的三排桩），t；H为桩基长度，m；S为单排桩截面积，取值1.6m2；P为本工程被搅拌土体密度；I为水泥添加量，取值20%。

（2）三轴水泥搅拌桩采用“二搅二喷”的施工工艺，具体工艺流程如下：搅拌机械就位、调平→顶搅下沉至设计加固深度→边喷浆边搅拌提升，直至预定的停浆面→重复搅拌下沉至设计加固深度→根据设计要求，喷浆或仅搅拌提升，直至预定的停浆面→关闭搅拌机械。

3 三轴水泥搅拌桩质量检测与评价

为了有效地评价三轴水泥搅拌桩的地基处理效果，本研究针对工程的特点对成桩质量进行评价，确保地基处理的效果满足工程建筑的载荷要求。

（1）检测内容：桩长、桩身完整性、28 d 桩身无侧限抗压强度、地基承载力。

（2）检测频次：抽芯（桩总数量的0.5%，不少于3根）、静载试验（桩总数量的0.1%，不少于3根）。

（3）检测面积和数量：三轴搅拌桩场地处理面积约7 144 m2，三轴搅拌桩数量为952 根，选择5 根抽芯，判定桩身完整性、桩长、无侧限抗压强度等；选择3根抽芯检测地基承载力。

（4）检测成果：根据抽芯、静载试验等检测方式中90 d 水泥搅拌桩桩身无侧限抗压强度满足不小于1.6 MPa的设计要求，可反算单桩承载力均大于350 kN；检测点最大沉降及残余沉降符合沉降要求，复合地基承载力不小于100 kPa，满足承载力要求，抽芯芯样及抗压强度检测结果见表3，地基承载力静载试验结果见表4。同时，进行抽芯检验发现，芯样完整，呈柱状，水泥分布基本均匀，成桩质量较好。

表3 抽芯芯样及抗压强度

由典型搅拌桩检测成果可知，所有检测的桩体成桩质量良好，没有出现断桩及严重蜂窝麻面的病害，满足桩体完整性的要求；地基承载力静载试验的检测桩体承载力同样满足要求。此外，桩体在极限载荷作用下，其沉降变形最大仅有4.04 mm，远远满足查验场所限定的小于30 cm 的要求。综上桩体检测成果可以评估，本次查验场厚层软土三轴水泥搅拌桩地基处理优化方案具有的优势体现如下：满足强度及沉降的基本要求，处理过程对周边建筑及构造物的影响较小，工程造价相对较低。

4 结语

本研究以珠海横琴新区某“二线”海关查验场项目为例，根据场地厚层软土地基的工程概况，分析4种软土地基处理的优点和缺点，最终选用了三轴搅拌桩作为处理措施并进行优化。该方法在厚层软基处理过程中具有挤土效应弱、处理深度较大、沉降较小等优势。经质量检测，处理深度≥25 m 时采用三轴搅拌桩ϕ650@450 mm 水泥搅拌桩可保证桩身抗压强度、地基承载力等满足工程要求。在适用水泥搅拌桩处理的情况下，三轴水泥搅拌桩为深厚软土层的处理提供了可行方案，本研究可为类似工程提供设计经验和参考。