湖北咸宁三元路市政道路工程软基处理方法

刘 庭，万仁新，李 波

（中建三局工程设计有限公司，湖北 武汉 420023）

0 引 言

湖北地区由于地理位置特殊，江河湖泊众多，市政道路施工过程中软土路基较为常见，咸宁三元路市政道路工程地势较低，软基面积较大，选择较好的软基处理方式对节省工程造价以及取得较好的工程效果意义重大。目前，市政道路软基的处理方法主要有：水泥搅拌桩法、换填法、塑料排水板法、碎石桩法、CFG桩法、强夯法、预压法等[1]。文献[2-8]分别研究了水泥搅拌桩法、塑料排水板法、碎石桩法、CFG桩法、强夯法、预压法在市政道路软基路段的应用，分析了其软基处理机理、施工工法、工后检测及处理效果。

本文结合咸宁三元路市政道路工程软基路段地质情况，对比分析了浅层换填法、水泥搅拌桩、塑料排水板、碎石桩法、CFG桩等5种工法，提出了4种处理方案，根据经济技术比较，最终选择了“软基厚≤3 m时采用换填碎石土方法，软基厚＞3 m时采用水泥搅拌桩方法”作为软基处理方式。

1 软基处理方案对比分析

1.1 项目概况

咸宁三元路市政道路工程全长2.426 km，红线宽度48 m，为城市主干路，设计高程在22.898～24.62 m之间，全线为填方路段，填高为1.5～4.3 m。软土路基处理需满足《城市道路路基设计规范》6.2.8节要求，城市主干路涵洞、通道处容许工后沉降值为≤0.2 m，一般路段容许工后沉降值为≤0.3 m。

根据地勘报告，主要地层为：

（1）填土层

①素填土（Qml）：黄褐色、灰色，稍湿，以粉质黏土为主，局部为深灰色有机质土，表层 0.2～0.5 m为耕植土，靠近道路及房屋处含砖渣、碎石。该层普遍分布于场区地表，层厚0.50～2.60 m。土的侧阻力特征值为 8 kPa。沿线广泛分布，未经处理不能直接作路基持力层。

（2）第四系湖积层

②1淤泥（Q4l）：灰黑色，饱和，流塑，味臭、污手，富含有机质。该层主要分布于塘底及河沟表层，层厚0.90～3.90 m。承载力特征值及压缩模量分别为fak=45 kPa、Es=2.0 MPa，土的侧阻力特征值为 5 kPa。沿线局部分布，未经处理不能直接作路基持力层。

②2黏土（Q4l）：灰黑色，饱和，软塑，局部流塑，含有机质。该层主要分布于塘底及河沟下部，层厚0.80～4.70 m，层顶埋深0.50～5.00 m。承载力特征值及压缩模量分别为 fak=60 kPa、Es=3.0 MPa，土的侧阻力特征值为9 kPa。沿线局部分布，未经处理不能直接作路基持力层。

（3）第四系冲洪积层

③1粉质黏土（Q4al+pl）：黄褐色、灰色，湿，可塑偏软塑，土质较均匀。该层在场区范围内普遍分布，层厚0.30～3.90 m，层顶埋深0.60～5.00 m。承载力特征值及压缩模量分别为 fak=100 kPa、Es=5.5 MPa，土的侧阻力特征值为15 kPa。沿线广泛分布，可作为路基持力层。

③2粉质黏土（Q4al+pl）：黄褐色、灰黄色，稍湿，可塑偏硬塑，局部硬塑，含灰黑色铁锰质氧化物及灰白色高岭土条。该层在场区范围内普遍分布，层厚2.00～4.60 m，层顶埋深1.10～4.40 m。承载力特征值及压缩模量分别为 fak=190 kPa、Es=8.5 MPa，土的侧阻力特征值为25 kPa。沿线广泛分布，可作为路基持力层。

③3粉质黏土（Q4al+pl）：浅灰色，很湿，可塑偏软塑，局部软塑，含粉细砂，含量10%～20%。该层在场区范围内局部分布，层厚0.30～1.80 m，层顶埋深4.60～7.10 m。承载力特征值及压缩模量分别为fak=95 kPa、Es=4.5 MPa，土的侧阻力特征值为15 kPa。沿线广泛分布，可作为路基持力层。

④2圆砾（Q4al+pl）：杂色，饱和，稍密-中密，亚圆形为主，骨架颗粒主要为灰岩、砂岩，粒径一般2～10 mm，含量50%～60%，多为黏性土充填，局部砂砾充填。该层在场区范围内普遍分布，层厚0.20～3.40 m，层顶埋深5.00～8.90 m。承载力特征值及压缩模量分别为fak=300 kPa、Es=19 MPa，土的侧阻力特征值为50 kPa。沿线广泛分布，可作为路基持力层。

地下水位主要受气候因素的影响，大气降水、地表水为其主要补给来源，流动性差，主要以蒸发的方式排泄。勘察期间在钻孔内测得上层滞水水位埋深 0.10～1.50 m，承压水水头标高约 17.29～17.46 m，水位年变幅1.00～2.00 m。

根据地勘报告可知②1淤泥、②2黏土为软土，软土层部分路段深度达到 5.0～6.9 m，软土层具有的含水量和孔隙比较大、渗透系数比较小、较高的压缩性、很强的触变性和显著的流变性[9]，且地下水埋深较浅，软土路基处理的好坏将直接影响路基是否稳定。软土路基物理力学性质指标见表1，各岩层土层承载力基本容许值及压缩模量建议值见表2。

表1 软土路基物理力学性质指标Table 1 Physical and mechanical properties of soft soil subgrade

表2 各岩土层承载力基本容许值及压缩模量建议值Table 2 Basic allowable value of bearing capacity and recommended value of compression modulus of each layer

1.2 软基处理方案的选择

咸宁三元路市政道路K0+000～K0+211段软基最深为6.9 m，路基平均填高约3.5 m；K1+060～K1+146段软基最深为 5.3 m，路基平均填高约2.5 m；K1+294～K1+380.5、K1+396.5～K1+460段软基最深为5.0 m，路基平均填高约2.65 m。

软土路基常用处理方法对比分析如表3。

表3 地基处理方案比较一览表Table 3 Comparison of ground treatment schemes

（1）软基厚度≤3 m时处理方案的选择

当软基厚度较薄时（一般＜3 m），采用浅层换填法处理，可有效地置换不良地基土，彻底改善影响路堤稳定的不良地质因素。该法主要适用于处理浅层软弱土层、膨胀土、季节性冻土、素填土和杂填土等。由于本项目地势较低，地下水较高，本项目选用水稳性较好的碎石土（土石比4∶6）换填。

（2）软基厚度＞3 m时处理方案的选择

根据各种软基处理方式，当软基厚度＞3 m时选择了水泥搅拌桩、塑料排水板、碎石桩和 CFG桩4种处理方案，分别见图1～4。

图1 水泥搅拌桩处理横断面图Fig. 1 Cross section of cement mixing pile treatment

图2 塑料排水板处理横断面图Fig. 2 Cross section of plastic drainage board treatment

图3 碎石桩处理横断面图Fig. 3 Cross section of gravel pile treatment

图4 CFG桩处理横断面图Fig. 4 Cross section of CFG pile treatment

各种处理方案的设计：

a）水泥搅拌桩桩径采用0.5 m，桩间距1.3 m，采用等边三角形布置，桩体深入软土路基层以下不少于1 m，采用32.5硅酸盐水泥。

b）塑料排水板采用B型，正三角形布置，间距1.2 m，排水板打入软基以下不少于1 m。

c）碎石桩采用等边三角形排列，桩径为0.8 m，桩间距为 1.3 m，桩体深入软土路基层以下不少于1 m。

d）CFG桩桩径采用0.5 m，桩间距1.3 m，采用等边三角形布置，桩体深入软土路基层以下不少于1 m。

对4种方案做了技术经济等对比，见表4。

表4 处理方案经济技术对比Table 4 Economic and technical comparison of treatment schemes

水泥搅拌桩适宜处理深度＜14 m的软土路基，本项目软基最深为6.9 m，较适合水泥搅拌桩处理，处理后地基承载能力将会得到大幅度提高，稳定性得以保障，有效控制路基沉降，在道路施工中优势明显[2]。

塑料排水板法造价较低，但需结合堆载预压法使用，工期较长，且处理质量不易控制。该方案工后易形成不均匀沉降，增加后期修护费用，整体不经济。考虑到本工程工期较紧，软基处理范围大等实际情况，塑料排水板法占用场地面积大，且需大量的堆载预压用料等缺点，本项目不适宜采用塑料排水板法。

咸宁地区缺少碎石资源，采购运输等成本较高，造价较高。质量不易控制。

CFG桩相对于其他方案，处理效果最好，但造价较高，适宜处理软基厚度大于10 m的情况，否则不经济。

e）方案比较结论

水泥搅拌桩技术在公路、市政工程等软土地基加固方面应用广泛，且湖北地区使用广泛，工法较为成熟，质量较易控制。通过技术经济比较，选择水泥搅拌桩法处理软基厚度＞3 m的软土路基。

（3）三元路软基处理方式如下为：

K0+000～K0+211采用单根桩长8 m水泥搅拌桩处理，K1+060～K1+146、K1+294～K1+380.5、K1+396.5～K1+460采用单根桩长6 m水泥搅拌桩处理。其余路段全部采用换填碎石土方式处理，换填厚度为1.2～3 m。

2 水泥搅拌桩设计参数及施工工艺

选取最不利孔位SYK 04孔（桩号K0+160）计算单桩承载力以及复合地基承载力，该孔地质纵断面见图 5。根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012），单桩承载力以及复合地基承载力可按下式计算得到。

（1）单桩承载力

单桩承载力可根据以下两式（取小值）得到：

式中：桩周长up=1.57 m；桩面积Ap=0.196 m2；土的侧阻力特征值qsi根据地勘报告取值；桩端阻力发挥系数ap=0.6；fak桩端阻力特征值根据地勘报告取值；lpi桩长范围内第i层土的厚度。

计算结果为204.53 kN。

式中：边长70.7 mm的立方体标准养护条件下90 d的抗压强度平均值fcu=2.4 MPa；桩身强度折减系数η=0.25。

计算结果为117.6 kN。

单桩承载力取两式计算结果较小值，故单桩承载力取118 kN。

（2）复合地基承载力

式中：单桩承载力发挥系数 λ=1.0；面积置换率m=0.134；桩间土承载力发挥系数 β=0.25；桩间天然土承载力特征值为：

计算结果为 101.1 kPa，复合地基承载力取100 kPa。

根据计算结果，设计要求现场28 d水泥土搅拌桩桩身无侧限抗压强度不小于1.2 MPa，复合地基承载力不小于100 kPa，单桩承载力不小于118 kN。

（3）最不利断面的验算

根据《城市道路路基设计规范》（CJJ 194—2013），主干路路基允许工后变形应符合：桥台与路堤相邻处≤10 cm，涵洞通道处≤20 cm，一般路段≤30 cm。

根据地勘报告SYK 04孔（桩号K0+160）、SYK 35孔（桩号K1+432）地质情况较差，填高分别为3.2、3.32 m，软基深度分别为6.6、5.3 m，水泥搅拌桩桩长分别为8、6 m，见图5～6。

图5 SYK 04孔地质纵断面图Fig. 5 Geological profile of hole SYK 04

图6 SYK 35孔地质纵断面图Fig. 6 Geological profile of hole SYK 35

最不利断面验算采用理正岩土工程计算分析软件进行验算。工后14年内，SYK 04孔路基出现17.5 cm沉降，SYK 35孔路基出现15.3 cm沉降。这一数值低于一般路段30 cm的容许工后沉降值，同时也低于涵洞通道基础20 cm容许工后沉降值，符合标准要求。

（4）施工工艺

水泥搅拌桩试桩施工采用“二喷四搅”（喷浆法），工艺主要流程为如图7。

图7 水泥搅拌桩工艺流程图Fig. 7 Process flow chart of cement mixing piles

3 水泥搅拌桩工后检测结果分析

（1）检测手段

水泥搅拌桩工后主要做4项检测：a）轻型动力触探检测；b）开挖检测；c）取芯检验；d）静载试验检测。

（2）检测结果

K1+060～K1+146路段共有3 375根水泥搅拌桩，桩径为0.5 m，单根桩长为6 m，选择34根桩做静载试验，其中17根进行复合地基荷载试验（检测结果见表5），另外17根做单桩竖向抗压静载实验（检测结果见表6）。并另选17根桩进行取芯检验，芯样见图8，选择代表性的一根桩的检测结果。（检测结果见表7）。

图8 桩号14-29芯样Fig. 8 Core sample of pile No. 14-29

表5 复合地基荷载试验结果汇总表Table 5 Load test results of composite foundation

表6 单桩竖向抗压静载实验结果汇总表Table 6 Experimental results of vertical compressive static load of single piles

表7 取芯检测试验结果汇总表Table 7 Coring test results

通过轻型动力触探法、开挖法检测以及取芯检验，桩体成桩均匀性以及桩体直径均满足设计要求，28 d水泥土搅拌桩桩身无侧限抗压强度均远大于1.2 MPa，桩体强度符合设计及使用要求。

根据设计要求进行单桩荷载和复合地基荷载试验，检测各点复合地基承载力均大于 100 kPa，单桩承载力均大于 118 kN，均符合设计及使用要求，施工质量较好。

4 结 论

本文主要介绍了5种处理方式的原理、优缺点。结合咸宁三元路市政道路工程，当软基厚度＞3 m时提出了4种处理方案。

（1）结合三元路市政道路工程，本项目软土层部分路段深度达到5～6.9 m，必须处理后才能进行路基填筑。浅层换填、水泥搅拌桩、塑料排水板、碎石桩法、CFG桩5种工法可供选择，分析了其原理及优缺点，提出了4种软基处理方案，通过经济技术对比，认为“软基厚≤3 m时采用换填碎石土方法，软基厚＞3 m时采用水泥搅拌桩方法”为最优方案。根据地勘报告，选取2个地质情况不利孔位进行工后沉降验算，工后 14年内沉降均小于20 cm，满足规范要求，处理效果较为理想。

（2）工后通过轻型动力触探法、开挖法、取芯检验以及静载试验法对桩体进行工后检验，桩体质量较好，满足工程质量要求。

（3）通过研究可知，“软基厚≤3 m时采用换填碎石土方法，软基厚＞3 m时采用水泥搅拌桩方法”处理软基是可行的，该方案值得湖北地区同类工程借鉴，应用空间较大。但水泥搅拌桩处理软基深度不易过深，一般处理深度不能超过14 m，对于软基深度较深的情况，需慎重选择水泥搅拌桩方案。