某公路路基工程深厚软土夹可液化砂土地基处治方案研究

张发如

张留俊

曹松傑

戚志博

引言

公路工程中一般把厚度超过15m的软土称为深厚软土，深厚软土常用的处理方法可分为两大类：一类是排水固结法，如塑料排水板、袋装砂井、真空预压等；第二类是复合地基法；如水泥搅拌桩、碎石桩、灰土桩、CFG桩、管桩等。以上地基处理方法也可以联合使用以增强地基处理效果或降低工程造价，常用的如塑料排水板+真空预压、塑料排水板+水泥土搅拌桩（长板短桩）、水泥搅拌桩+预应力混凝土管桩等。液化砂土的处理视其埋深由小到大可采用换填、振动挤密法、置换挤密法等。

福建沿海某一级公路地基淤泥质软土层与液化砂土层交错分布，平均厚度达到了20m，地基处理措施的选择受到多种因素制约，本文对项目区工程地质条件进行了深入分析，重点介绍了地基处理方案确定过程的思路和关键环节，并对设计参数和需要注意的问题进行了说明。

1 工程地质条件

1.1 工程概况

该道路为城市道路，设计车速60km/h，路基宽29.5m。项目区地貌属第四系冲海积平原、冲洪积平原区，地表较为平缓但地基土层复杂，地基土层中软土层就有2～3层，且软土层夹可液化的细砂层和粉砂层。项目区地震基本烈度为Ⅶ度，设计基本地震动峰值为0.15g，建筑抗震设防类别为“乙类”。图1和图2为现场典型路段地貌，大部分路段位于鱼塘或类似于沼泽的淤积地，地质条件很差，需要进行特殊地基处理设计。

1.2 工程地质条件评价

项目区地基土层自地表往下分布如下：

（1）淤泥层。层厚0.9～9.8m，流塑，成分以黏粉粒为主，含有少量有机质。

（2）细砂层。层厚1.7～13.0m，松散—稍密，成分以石英为主，级配较差。

（3）淤泥层。层厚2.1～13.9m，流塑，成分以黏粉粒为主，局部与砂呈互层状。

（4）粉砂层。层厚2.2～8.4m，稍密—中密，成分以石英为主，黏粉粒含量约28.70%。

（5）淤泥层。层厚2.1～11.1m，局部相变为淤泥质土，成分以黏粉粒为主。

（6）粉土层。层厚1.7～6.8m，稍密—中密，局部相变为粉质粘土，可作为一般路基持力层。

再往下地层为砾、卵石层或强风化花岗岩（Q^4al-pl）地基承载力较高。

确定地基处理方案之初，首先对地基土层的工程性质进行了详细分析，对不良土层的物理、力学指标进行了统计。路基段地基软土物理、力学指标统计结果见表1，砂土液化等级判定结果见表2。

结合以上统计结果可知：软土层平均厚11.7m，细砂层平均厚4.7m，粉砂层平均厚3.6m，全线不良土层平均厚度达到了20m。软土为工程性质很差的淤泥或淤泥质土，20m深度范围内砂土层均具有液化性，场地液化等级总体评价为严重液化场地。本项目特殊地基的处理面临深厚软基处理及可液化砂土处理的双重任务，具有一定的复杂性。

2 地基处理方案的确定

2.1 地基处理原则的确定

本项目所采用的方案要对深厚软土和液化砂土同时有效且便于施工，为此对多种方案进行了比选和论证。地基可液化细砂层位于淤泥层之下，平均埋深4.8m；可液化粉砂层的平均埋深为15.2m。一些适合单纯处理液化砂土的处理方式由于深度的限制或不适用于该项目的淤泥土处理而不宜采用：例如强夯，对于浅层液化砂土的处理具有效果好，工艺简单且费用低的优点，但其处理深度有限且不宜用于处理淤泥质土；又如振动沉管碎石桩是处理较深层液化砂土的常用方法，但是本项目第一层软土平均抗剪强度只有13.8kPa，成桩质量较难保证，其有效打设深度也难以满足软土处理要求；CFG桩的打设深度可达到30m，但也是在地基土的十字板抗剪强度不小于20kPa的情况下其成桩质量才较为可靠。

水泥搅拌桩和预应力混凝土管桩都是处理深厚软基经常采用的方法，在民用建筑领域用于处理液化砂土地基也比较常见。水泥搅拌桩处理液化砂土地基的作用机理为其侧向约束作用、置换作用及对桩周土的挤密作用；预应力混凝土管桩用于处理软土及液化砂土地基则靠其较高的承载力和抗剪强度。

本项目地基平均处理宽度49.5m，路基段地基处理长度就达到了4.6km，要全部消除砂土地基的液化将会使工程造价过于昂贵。合理的工程方案既要考虑技术因素，还要考虑工程造价，软土地基处理的好坏直接关系到路基的稳定性和通车后长期、持续的使用效果，而液化砂土一般在强震时才发生破坏，具有偶发性。《公路工程抗震设计规范》指出：“公路工程按本规范设计后，在发生与之相当的基本烈度地震影响时，位于软弱黏性土层或液化土层上的高速公路、一级公路工程，经短期抢修即可恢复使用”。这也是根据公路工程特点提出的，公路路基工程与工民建的建筑物或水利设施相比，施工面积较大但震害损失较小，修复工作也相对容易。综合考虑各种影响因素，确定以软土的处理作为重点，本着“安全、经济、合理”的基本原则进行特殊地基处理设计，首先要保证路基稳定和沉降计算结果满足要求，在进行路基稳定性验算时，依据“公路工程抗震设计规范”对液化土层进行了强度折减。从计算理论上来讲，即使发生了设计地震烈度或以下级别的地震，在砂土层的承载力部分丧失的情况下，路基整体稳定性也是有一定保证的，重点对桥涵构造物路段及填土较高路段的液化砂土进行处理。

2.2 地基处理方案的确定

路基填筑后在地基内产生附加应力，这个附加应力对砂土的液化具有抑制作用，路基填土越高，地基同样深度处附加应力越大，对砂土液化的抑制作用就越强，考虑路基填土后砂土的液化指数变化见表3。

从表3可以看出，路基填土越高，液化指数降低越多。填土4m时，液化指数平均值降低为天然地基的64%。项目地基从严重液化场地降为中等液化场地。本项目路基平均填土高度约3.3m，假设路基填土时间为2个月，按十字板抗剪强度计算的路基极限填高平均值约3m（液化砂土层的强度已按规范要求进行折减），如果采用造价较低，施工方便的排水固结法，在路基填土高度不超过4m的情况下，对深土层抗剪强度进行折减后，路基的稳定性和沉降量计算指标都能满足要求，结合计算和各方面影响因素分析，确定了以下地基处理方案：

（1）填土高度不大于4m的一般路段，采用一般预压+塑料排水板处理方案。

（2）填土高度大于4m的一般路段以及桥涵构造物处理范围内地基，采用双向水泥搅拌桩加固，个别路段由于软土层深厚，双向水泥搅拌桩不能满足稳定或沉降计算要求，采用预应力混凝土管桩处理。采用双向水泥搅拌桩时，砂土液化等级为中等—严重时，搅拌桩置换率不小于20%，同时满足“当液化等级为严重时，构造物基础下及两侧2m宽度范围内搅拌桩置换率不小于24%”这一要求。置换率的确定参考了房建工程中的经验：“当置换率不小于20%时，可以把中等液化降低为微弱液化，当置换率不小于24%时，可以把严重液化降低为微弱液化。桥涵构造物处理范围为：大中桥两侧各50m；箱涵及箱形通道中心线两侧各20m；圆管涵中心线两侧各15m。

2.3 设计参数

（1）塑料排水板。塑料排水板采用SPB-B型，正三角形布置，间距1.1～1.4m。塑料排水板一般穿透淤泥层，当淤泥层很深时，在满足稳定和沉降计算要求的前提下，也可以不穿透所有软土层，但应穿过不进行处理地基的计算滑弧最底面，塑料排水板平均打设长度23m，最大打设长度25m。塑料排水板处理段采用等载预压，预压期9个月。

（2）水泥搅拌桩。水泥搅拌桩采用双向搅拌桩，呈正三角形布置，桩径0.5m，间距0.9～1.4m。水泥搅拌桩应穿透20m深度范围内的液化砂土层，其平均打设长度21m，最大打设长度25m，桥涵构造物处理段的水泥搅拌桩以粉土或粉质黏土层为持力层，其余路段大部分以20m深度下的粉砂层作为持力层。

（3）预应力混凝土管桩。预应力混凝土管桩采用PC-400（95）AB型，桩径400mm，壁厚95mm，桩帽采用直径150cm，厚35cm的圆形桩帽。预应力管桩采用正三角形布设，桩间距2.5～2.8m。平均桩长31m，最大桩长35m，以砾石、卵石层或强风化花岗岩作为持力层，预应力管桩下端桩头进入持力层不小于50cm。

2.4 不均匀沉降的预防措施

常规设计对于路基沉降的考虑，一般按照规范要求以容许工后沉降进行控制，基本可以把桥涵构造物处理路段与一般路段的工后沉降前后平均纵坡差控制在0.4%以内。但是不同地基处理方式衔接的路段会存在差异沉降，引起局部沉降纵坡差过大，影响行车舒适性。本项目采取了以下措施以减轻不均匀沉降：第一是考虑不同桩体处理的地基沉降特性，避免管桩与塑料排水板处理段直接衔接，在中间设置水泥搅拌桩过渡；第二是合理调整桩长和间距，避免计算工后沉降接近容许值的上限，保证相邻路段之间计算的容许工后沉降不过分悬殊；第三是在不同地基处理方式衔接段铺设土工格栅，设置沉降过渡段，土工格栅铺设方法为：在管桩与水泥搅拌桩衔接路段，管桩处理段铺设10m，水泥搅拌桩处理段铺设15m；在水泥搅拌桩与塑料排水板衔接段，水泥搅拌桩处理段铺设15m，塑料排水板处理段铺设25m；第四是设置过渡路面。

3 液化砂土处理效果的评价

在地基处理大规模施工前，修筑试验段对设计方案进行验证，探索施工工艺，指导大面积施工。施工时除了做好地基的沉降观测和稳定观测工作外，对液化砂土处理效果的检验应注意以下问题。

塑料排水板主要靠提高地基土体排水固结速率来提高土层的整体强度，预压完成后随着固结度的提高，其液化势会有所降低，施工前在塑料排水板处理路段进行标贯试验，预压完成后在同样位置再进行一次标贯试验，研究塑料排水板对液化土层的改善效果，为本地区公路建设积累经验。

水泥搅拌桩用于桥涵构造物路段以及填方高度超出4m的一般路段，这些路段地基处理后液化势宜降低至微弱液化或得到消除。对处理效果的检验一般习惯于用标贯试验测试桩间土的标贯击数，用标贯击数计算地基液化指数来进行评定，但水泥搅拌桩桩间土中心位置是地基处理后的最薄弱位置，检测结果不太符合地基处理后复合地基整体液化指数的降低情况，应采用剪切波与标贯试验相结合的方法，结合平均剪切波速来评价地基液化土层的改善情况。

4 结语

深厚软土及可液化砂土是公路工程建设过程中经常遇到的不良地基土，但是本项目中软土与可液化砂土均呈多层交错分布的情况尚不多见。在确定本项目的地基处理方案时，综合考虑了规范要求、道路等级和使用条件以及工程造价等各种因素，设计时充分考虑了行业规范的指导原则，确定地基处理基本原则以稳定与沉降控制为主，在稳定验算时按照规范要求对液化砂土层进行强度折减，使路基整体稳定性在发生地震时也能得到保障，同时以地基液化指数这一判定指标考虑，尽量把重要路段（桥涵构造物路段及填方高度大于4m的路段）的砂土液化性降低至微弱液化或得到消除，其余路段砂土的液化势通过排水固结也能得到一定程度的降低。路基的稳定与沉降在设计时均经过了详细的计算验证，但对于砂土液化的改善情况当前没有办法通过计算得出，在施工时通过修筑试验段进一步进行检验。

参考文献

［1］JTG/T D31-02—2013公路软土地基路堤设计与施工技术细则［S］.北京：人民交通出版社，2013.

［2］尚学伟，李维平.水泥搅拌桩降低场地液化势的调查分析［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2003，6.

［3］羊晔.高速公路软土地基差异沉降规律与土工格栅处理方法研究.南京，东南大学，2009.