碎石桩加固松花江漫滩软土地基沉降特性分析

苏 涛，张亮亮，胡照广

(1.福建省交通建设质量安全监督局，福州 350001；2.黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院，哈尔滨150040；3.东北林业大学 工程咨询设计研究院，哈尔滨 150040)

随着我国基础工程建设的高速发展，各项工程建设中经常会遇到软弱土地基，软土地基处理得好坏直接影响到上部路基结构的稳定，采取什么样的办法可以更快更好地加固软土地基，成了当前该领域一直关注、研究的热点和难点问题[1-2]。碎石桩处理湿软地基技术在国外应用较早，加固效果主要表现为挤密、排水和支撑等方面，而其在我国的应用还不是很普及。目前对碎石桩复合地基的研究主要集中于承载力、沉降等的分析。2001年Han J和Ye S L提出了一种简化的碎石桩固结计算方法，对碎石桩复合地基的固结进行了理论分析[3]。2007年张建立通过对桩间土进行标贯试验和复合地基的承载力检测试验等，研究了碎石桩在沿海高速公路地基处理中的应用效果[4]。2011年蒋敏敏和肖昭然通过数值模拟分析了高速公路碎石桩复合地基在桩体施工、路堤填筑、运行期全过程问题和地震动荷载作用等问题[5]。

目前国内外对于碎石桩复合地基的应用和研究主要集中于由海相、湖相、沟谷相沉积形成软土地基，对于河漫滩区河滩沉积形成的软土地基处理应用较少[6-7]。本文以哈尔滨市松北区文化中心环路道路建设项目工程为依托，通过对试验路段沉降监测数据的分析，研究碎石桩复合地基在河漫滩区软土地基处理中应用效果，以为该类型地区软土地基处理的设计和施工提供技术参考。

1 现场工程地质条件

哈尔滨市松北区属河漫滩区，大量的软土地层使得该区域不良地质灾害现象显著。哈尔滨市松北区文化中心道路工程地基土中，有一定厚度的淤泥质土和含粘性土的粉砂土。试验路段位于松花江河漫滩区域，原始地貌为湿地，后采取“吹砂筑岛”施工工艺，利用绞吸式挖泥船获取的江沙从堤岸在道路工程位置筑起一条用于建设的“大岛屿”，在道路地基土中，有一定厚度的淤泥质粘土和含粘性土的粉砂土。在K1+020～K1+220路段，淤泥质粘土的厚度达2.0～3.0 m，含粘性土的粉砂土厚度达3.0～5.0 m，工程地质条件比较差。

为了确切掌握研究区工程地质情况，了解研究区地基地层分布及各个地层的岩土物理力学性质，在典型断面K1+100进行重点钻探勘察，并取现场土样进行室内试验研究，表1所示为研究路段软土物理力学指标统计值。

表1 研究路段软土物理力学指标统计值

由该路段软土物理力学指标可以看出，淤泥质粘土与粉砂土含水率高、空隙比大，天然含水率已接近或超过其液限含水率，说明土体处于软弱或流动状态；而两种土体的压缩模量、抗剪强度指标均较低，说明软土地基的承载力较低，如不采用有效措施对其进行处理，必然会影响路基的稳定。

2 碎石桩法及其原理

振冲碎石桩法是指用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石或砂挤压入土孔中，形成大直径的碎石或砂所构成的密实桩体[8]。碎石桩主要用于处理软土地基，属于散体材料类桩范畴。砂石桩的单桩承载力主要取决于桩周土的侧限压力，即桩间土的约束，与桩侧摩擦力和桩端阻力没有太大关系，这是碎石桩法与其它桩基增强体受力特点明显不同之处。如图1所示为研究路段碎石桩施工的图片。

为了研究碎石桩的承受荷载的性能，找出它的影响因素，南京水科院孟广讯等人及Hugers和Withers等都在室内进行了相应的碎石桩模型试验，发现随着桩的深度加深，桩体表面的荷载迅速衰减，当深度达到3d时，桩体垂直应力平均值只有桩体表面荷载的27.4%。Hugers和Withers也得出类似的结论，如图2所示。由上分析本文也可以得出影响碎石桩承受荷载的性能的因素主要有：一为碎石桩自身强度；另一方面由于桩间土的荷载在碎石桩桩体周围产生的围压和碎石桩状体本身的结构强度产生的约束力，对碎石桩的承载力性能的提高有巨大的作用[9-11]。

图1 碎石桩施工照片

为了得出对实际情况下桩体的荷载传递原理和变形特性比较吻合的具有实用意义的模型，研究砂石桩体和土体共同作用下的桩体的应力—应变关系尤为关键。特别是在研究高层建筑时，要考虑到在高层建筑结构与地基的协同作用下，基础和结构的内力受地基非线性的影响进行了重分布，研究起来更为复杂。从各种研究碎石桩桩土应力应变的关系试验中我们发现围压的大小对成桩后的碎石桩有着非常重要的作用。相关试验研究表明在围压σ3低于200kPa时，即低围压下，桩体应力应变关系与邓肯—张双曲线模型比较吻合，而当σ3大于200kPa时，桩体应力应变关系接近于理想弹塑性模型，如图3所示。在实际工程中的碎石桩，桩周土的侧向约束力大多处于低围压范围，即一般不大于200kPa，因此采用邓肯—张模型求取的相关参数计算得到的结果与实际情况比较接近。

图2 桩侧径向位移与深度的关系(d为桩的直径)

图3 碎石桩应力应变曲线

3 路段地基沉降特性分析

为了掌握碎石桩法处理前后地基的沉降特性，在研究区选定了具有代表性的断面K1+100，并在该断面路基的横断面布置三个测点，分别为道路的左路肩、中央和右路肩。监测方法为：以道路以外50 m位置的水准点为基准，该水准点埋深达3.0 m，不受季节性冻融的影响，可靠度可以，定期对K1+100断面的各个测点进行观测。

如图4所示为K1+100断面沉降曲线，沉降监测开始于2011年7月15日，测至2012年6月27日，共358 d，K1+100断面左路肩、道路中央和右路肩位置的总沉降量分别为35.1、38.8、35.5 cm。有曲线可知，从2011年7月15日至2011年10月6日，K1+100断面左路肩、道路中央和右路肩位置的总沉降量分别为12.1、13.8、11.5 cm；在2011年10月初，试验路段开始碎石桩作业，直至2011年10中旬结束，从2011年10月6日至2011年10月15日得时间内，K1+100断面左路肩、道路中央和右路肩位置的这9 d内的沉降量分别为13.3、14.8、15.5 cm，截至2011年10月15日，K1+100断面左路肩、道路中央和右路肩位置的总沉降量分别为25.3、28.8、27.5 cm；从2011年11月末至2012年4月初，由于冬季停止施工，道路的沉降量很小；从2012年4月末至2012年7月初，道路沉降量为3 cm。

由K1+100断面的沉降规律可知：碎石桩施工过程中，道路沉降速率非常大，在短短的9 d内，道路的沉降量可达12～18 cm，由此可鉴碎石桩不仅加强道路的地基承载力，同时也加速了道路的沉降固结，使得软土地基在较短时间内快速加固、固结沉降；碎石桩施工以后，道路的沉降速率大大减小。但是，从2012年4月末至2012年7月初，道路沉降量达3 cm，工后沉降量偏大，在碎石桩加固软基以后应对路基采取超载预压，加速路基土固结，以使后期路基更加稳定。

4 结论与建议

本文通过对黑龙江省哈尔滨市松北区文化中心环路道路地基的沉降监测，研究振冲碎石桩法加固松花江漫滩区软土地基的应用效果，从观测的沉降数值曲线可以得知，振冲碎石桩施工过程中，道路沉降速率较大，在9 d内道路的沉降量达12～18 cm，碎石桩加速了道路软基的固结；碎石桩施工以后，道路的沉降速率显著减小。碎石桩法加固软土地基以后，应对路基采取超载预压，加速路基土固结，以使后期路基更加稳定。研究结果可以作为该类型地区软土地基处理的设计和施工技术参考。

图4 试验路段K1+100断面沉降曲线

【参 考 文 献】

[1]何 群，冷伍明，魏丽敏.软上抗剪强度与固结度关系的试验研究[J].铁道科学与工程学报，2005，2(2)：51-54

[2]赵彦旭，张虎元，吕擎峰，等.压实黄土非饱和渗透系数试验研究[J].岩土力学，2010，31(6)：1809-1812

[3]Han J，Ye S L.Simplified method for consolidation rate of stone column reinforced foundations [J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2001，127(7)：597-603.

[4]张建立.夯扩挤密碎石桩在沿海高速公路地基处理中的应用[J].公路交通科技，2007，4(2)：8-10

[5]蒋敏敏，肖昭然，蔡正银.高速公路碎石桩复合地基加固数值模拟[J].岩土工程学报，2011，33(S2)：475-479

[6]折学森.软土地基沉降计算[M].北京：人民交通出版社，1998.

[7]高大钊，袁聚云.土质学与土力学[M].北京：人民交通出版社，2001.

[8]王晓谋，袁怀宇，高等级公路软土地基路堤设计与施工技术[M].北京：人民交通出版社，2001.

[9]苏 涛，董平洋，胡照广.松花江河漫滩相软土的岩土工程性质试验研究[J].森林工程，2014，30(4)：138-140.

[10]李选民.软土路基排水固结研究与有限元分析[D].长沙：中南大学，2007.

[11]梁钟琪.土力学及路基[M].北京：中国铁道出版社，2006.