用土工织物散体桩加固季节冻土地区沼泽软土地基1)

蔡滢玉　焦红　　　　胡照广　单炜　郭颖

(东北林业大学，哈尔滨，150040)　　　　　(寒区科学与工程研究院(东北林业大学))



用土工织物散体桩加固季节冻土地区沼泽软土地基1)

蔡滢玉焦红胡照广单炜郭颖

(东北林业大学，哈尔滨，150040)(寒区科学与工程研究院(东北林业大学))

摘要以同抚公路青龙山农场支线试验路段为对象，研究土工织物散体桩加固季节冻土地区沼泽软土地基的应用效果。采用现场钻探得到试验路段沼泽软土的分布厚度，并对在不同深度取得土样进行室内物理力学试验；采用动力触探仪测试土工织物散体桩处理前后的试验路段地基土的强度变化。结果表明：在散体桩施工后，动力触探锥头阻力由0.5～5.0 MPa提升到5～10 MPa，复合地基桩间土的软土地基强度有了明显提升。在试验路段选择2个监测断面，在每个断面两侧路肩、中线位置设置沉降标，监测土工织物散体桩加固处理和路基填筑前后测点地基沉降量。结果表明：绝大部分沉降量发生在土工织物散体桩施工过程中和路基填土施工过程中，在路基填筑施工完成，并经历一个冻融循环后，地基沉降量明显减小，说明试验路段所采用的土工织物散体桩加固处理地基措施效果良好。

关键词土工织物散体桩；公路；路基；季节冻土区；三江湿地

土工织物散体桩是一种新型的软土地基加固处理技术方法，其主要原理是采用碎石或砂砾等散体材料外套土工织物筒形成基桩，对地基软土进行置换、挤密、排水固结和传递承载力，具有施工速度快、处理效果好等优点，目前已经得到应用[1-3]。刘柱[4]应用简化计算法和有限元法，对在软土地基中工作的土工织物散体桩的受力特性进行分析，结果表明，在软土地基中格栅筒对碎石桩起到了明显的加筋作用，当有格栅筒存在时，桩中的应力集中显现明显，地基的极限承载力提高。陈为平[5]采用FLAC3D对地震作用下碎石桩加固液化砂土地基进行数值模拟分析，证实了碎石桩具有显著的排水效果。张京京等[6]研究了土工织物散体桩加固粉土路基的效果，结果表明，在粉土软基处理时，土工织物散体桩的单桩承载力比相同条件下的碎石桩承载力提高50%，土工织物散体桩复合地基承载力比相同条件下的碎石桩复合地基承载力提高25%。国内虽然有一些土工织物散体桩处理软土地基应用研究成果，但是，缺乏对其施工前后路基沉降量监测对比研究方面报道，尤其对东北寒冷地区沼泽软土地基加固处理应用和研究还没有成功的先例。

依托同抚公路青龙山农场支线公路工程建设项目，运用动力触探仪测试土工织物散体桩加固处理前后的试验路段地基土的强度的变化。同时，监测试验路段土工织物散体桩加固处理和路基填筑施工前后地基沉降量，分析该处理方法在三江平原沼泽软土地基处理中的应用效果，并研究其适用性。

1研究区概况

1.1自然地理概况

研究区位于黑龙江省东北部的三江平原，是由黑龙江、松花江、乌苏里江冲积形成的低平原[7-9]。地势西南高、东北低，广阔的冲积低平原和河流形成阶地，河漫滩上广泛发育着沼泽和沼泽化草甸[10]，区域地貌单元属于三江冲积低平原区沼泽化湿地，地表覆盖有2～4 m厚的沼泽土，成分以草甸土、沼泽软土和黑土为主，工程地质条件较差。路线所处地理坐标在东经132°79′～133°19′和北纬47°69′～47°91′之间，如图1所示。

图1　试验路段地理位置

研究区属寒温带大陆季风气候区，有明显的大陆性季风气候特点，四季分明，春季风力大，降水少；夏季气温高，降水集中；秋季降温快，时有霜冻；冬季漫长，寒冷干燥[11-12]。年平均气温为2.5 ℃，极端最高气温为38 ℃，极端最低气温为-37 ℃；年平均降水量为560 mm，降水期集中在6—8月份；无霜期平均144 d，全年有5个月地温低于0 ℃，通常在10月下旬开始封冻，到翌年6月上旬结束，历时7个多月；冻土层厚1.5～2.0 m，最深达230 cm。

根据《中国季节性冻土标准冻深线图》，公路线路所在区域季节性冻土标准冻深为2.20 m[13]。

1.2工程地质条件

公路沿线位于三江冲积低平原区，区内地层主要有中更新统冲洪积、冰水沉积层、上更新统冲积湖积层。

该工程项目共有两处沼泽软土地基路段，分别位于K3+100～K3+900和K6+300～K6+950路段。

于2013年8月25—30日对研究区进行了野外地质调查及工程地质勘查。根据本次勘察钻孔揭露的地层资料，按试验路段软土地层分布厚度和地层特征的差异描述如下：①地表土，0～0.5 m，灰黑色或灰黄色，湿、较松散，主要由细粒土组成，含大量植物根系，有机质含量较高；②草甸、沼泽土，0.5～2.5 m，灰黑色或灰黄色，湿、可塑，有机质含量较高；③)低液限黏土，2.5～4.0 m，灰黑色或灰色，可塑；④粉质黏土，4～10 m，灰黑色或灰色，硬塑或可塑，局部含小块石。

勘察中采取原状土试样，按照土工试验规程对所取土样进行室内物理力学性质实验，得到各地层物理力学试验指标如表1所示。

表1　试验路段地基土层物理力学指标汇总表

2研究方法

2.1试验路段土工织物散体桩设计参数

该工程软土地基路段采用土工织物散体桩地基加固处理方案，清除地表土，换填0.5 m厚碎砾石材料，其下用直径0.5 m的土工织物散体桩处理。设计散体桩长4.5 m，各桩按正三角形布置，桩间距1.5 m。桩体材料为采用含泥量不超过5%的碎石、卵石，颗粒一般粒径2～5 cm，最大粒径不大于7 cm。

2.2可变能量动力触探

为了了解试验路段地基地层结构和各土层的地基强度变化，应用法国sol-solution公司生产的PANDA2可变能量贯入仪，对试验路段地基强度进行测定。PANDA2可变能量贯入仪具有操作简单、携带方便、效率高、对路基损坏小等优点[14]。以K3+755断面为例，在K3+755断面同一位置、不同时间做动力触探，两次触探分别为土工织物散体桩施工前和散体桩施工后，图2为试验仪器照片，图3为贯入试验现场照片。图4和图5分别为土工织物散体桩施工前和施工后地基土的动力触探锥头阻力变化曲线图。

图2　PANDA2动力触探仪器

图3　PANDA2动力触探贯入试验现场照片

2.3沉降监测

通过现场勘察，根据工程要求、现场地质条件和施工工艺等因素，选定了两个具有代表性的断面，分别为K3+550和K6+750，并在各个路基的横断面布置3个测点，位置分别为道路的左路肩、中线和右路肩，如图6所示。

图4　散体桩施工前地基土动力触探锥头阻力变化曲线

图5　散体桩施工后桩间土动力触探锥头阻力变化曲线

图6　沉降监测断面观测点布置示意图

临时水准点设在距离道路以外50 m的位置，水准点基础埋深3.0 m，保证该水准点不受季节性冻融的影响。在各观测点位置设置沉降标，定期对K3+550和K6+750断面测点进行观测，结果如图7、图8所示。

图7　K3+550断面沉降曲线

图8　K6+750断面沉降曲线

3结果与分析

3.1动力触探数据分析

对比图5和图6可知，在土工织物散体桩施工后，复合地基中桩间土的软土层(沼泽土和低液限黏土)的地基强度有了很明显的提升。如图9所示为散体桩施工前后触探值变化曲线，横坐标表示为散体桩施工后触探值减去施工前触探值的差值。可知，散体桩施工后桩间土的动力触探锥头阻力由0.5～5.0 MPa提升到5～10 MPa，表明土工织物散体桩施工后，软土地基强度显著提升。

3.2沉降数据分析

如图7所示，K3+550断面沉降监测开始于2013年8月26日，至2014年8月26日结束，监测时间为一年，K3+550断面左路肩、道路中线和右路肩位置的总沉降量分别为37.8、39.1、36.8 cm。

K3+550试验路段于2013年10月10日开始土工织物散体桩打桩作业，于2013年10月20日作业结束。从2013年10月10日—20日，K3+350断面路基左、中、右位置沉降量分别达18.0、19.9、17.1 cm，其总沉降量分别为20.9、23.0、19.8 cm。K3+550试验路段在2013年10月23日—11月13日期间路基填土作业4次，填土总高度为1.7 m，在这期间，K3+350断面路基左、中、右位置的沉降量分别为13.0、13.2、13.1 cm，其总沉降量分别为33.9、36.2和32.9 cm。从2013年11月末—2014年5月初，由于冬季停止施工，道路的沉降量很小。K3+550试验路段于2014年5月13日—6月13日期间进行路基填土和路面铺筑，路基高度增加至2.6 m；在这期间，K3+350断面路基左、中、右位置的沉降量分别为1.6、1.4、1.6 cm，其总沉降量分别为37.5、39.0、36.5 cm；道路于2014年6月中旬修筑完毕，在此之后道路投入运营，K3+550试验路段于2014年6月17日—8月26日期间的沉降量不足0.5 cm，路基趋于稳定。

如图8所示，K6+750断面沉降监测开始于2013年8月26日，至2014年8月26日结束，监测时间亦为1 a，K6+750断面左路肩、道路中线和右路肩位置的总沉降量分别为34.1、35.2、33.1 cm。K6+750试验路段于2013年10月10日开始土工织物散体桩打桩作业，并于2013年10月20日作业结束，从2013年10月10日—20日的时间内，K6+750断面路基左、中、右位置沉降量分别达14.4、19.0、13.1 cm。道路于2014年6月中旬修筑完毕，在此之后道路投入运营，K6+750试验路段于2014年6月17日—8月26日期间的沉降量不足0.5 cm，路基趋于稳定。K6+750断面的沉降值曲线的沉降规律与K3+550断面相似。

由K3+550和K6+750两个断面的沉降规律可知：道路施工过程中，土工织物散体桩施工前，由于换填施工，道路路基左路肩、道路中线和右路肩位置产生小量沉降；在土工织物散体桩施工过程中，道路路基左、中和右位置的沉降速率均较大，沉降量可达16～20 cm，可知，土工织物散体桩的排水固结作用明显。土工织物散体桩施工后，进行路基填土施工，施工加载使得软土层进一步排水、固结。在此过程中，道路的沉降值也较大，达10～14 cm。由于路基在土工织物散体桩和路基填土施工过程中沉降量很大，在此期间，基本完成排水固结过程。在冬季，因没有施工加载过程，道路路基沉降较小；在第二年春季的路面铺筑施工过程中，道路的沉降值很小，最大不足2 cm；在道路投入运营以后的3个多月内，道路路基的沉降量不足0.5 cm，路基趋于稳定。

图9　散体桩施工前后动力触探锥头阻力变化曲线

由同抚公路至青龙山农场支线公路工程建设项目K3+550和K6+750试验路段土工织物散体桩法加固处理沼泽软土地基沉降观测结果可知，工程采用土工织物散体桩法加固处理沼泽软基效果良好，试验路段地基的沉降量绝大部分发生在土工织物散体桩施工过程和道路路基填土施工过程中，路基填筑完成，并经历一个冻融循环后，工后沉降量很小，完全满足规范要求。结果表明：土工织物散体桩在加固道路的地基承载力的同时，还起到加速软土地基的排水、固结等作用，从而加速的道路路基的沉降固结，使得路基的沉降固结在土工织物散体桩施工过程和路基填土施工过程中完成，以大大减少路基的工后沉降。

4结论

在土工织物散体桩施工后，动力触探锥头阻力由0.5～5.0 MPa提升到5～10 MPa，复合地基中桩间土的软土层地基强度有了明显提升，加固地基效果明显。地基沉降观测数据表明，道路路基的沉降量绝大部分发生在土工织物散体桩施工过程中和道路路基填土施工过程中，在路基填筑完成后的工后沉降量很小，表明试验段所采用的土工织物散体桩加固沼泽软基方法应用效果良好。土工织物散体桩在三江平原沼泽软土地基处理中应用结果表明，该方法可加速软基排水固结，具有在寒区沼泽软土地基处理应用推广价值。

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Reinforcing the Marsh Wetland Foundation in Seasonal Frozen Area with Geotextiles Repose of Pile

Cai Yingyu, Jiao Hong

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China); Hu Zhaoguang, Shan Wei, Guo Ying(Institute of Cold Regions Science and Engineering, Northeast Forestry University)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(6)：84-88.

Taking Qinglongshan Farm subcircuit regional test section of Tongfu Road as the research object, we studied the application effect of geotextiles medium pile reinforce the foundation in seasonal frozen soil area swampy ground. Using the in-situ drilling exploration and dynamic sounding survey, we obtained area distribution of soft soil thickness swamp, and did indoor physical and mechanical test of soil sample on every depth. We used dynamic sounding survey to test the road foundation soil strength changes before and after the geotextiles medium pile treatment. After the repose of pile construction, the dynamic cone head resistance was raised from 0.5-5 MPa to 5-10 MPa, and the strength of soil in the soft layer between piles in composite foundation was improved significantly. We chose two monitoring sections on the road, set monitoring piles on the each section in settlement of subgrade center line and on both sides of the road shoulder to monitor the monitoring piles foundation settlement before and after reinforcement and roadbed filling. The foundation settlement occurred in geotextiles repose of subgrade filling pile construction process and construction process for the most part, the settlement was small after roadbed filling completion, and the adoption of geotextiles repose of the pile foundation reinforcement treatment effect was good by the embankment test section.

KeywordsGeotextiles repose of the pile; Road; Subgrade; Seasonal frozen area; Sanjiang marsh

第一作者简介：蔡滢玉，女，1993年12月生，东北林业大学土木工程学院，硕士研究生。E-mail：1339910119@qq.com。 通信作者：郭颖，寒区科学与工程研究院(东北林业大学)，高级工程师。E-mail：samesongs@163.com。

收稿日期：2016年1月29日。

分类号U416.1+68

1)黑龙江省科学技术研究项目(12533017)。

责任编辑：戴芳天。