复合多桩在软土地基处理中的应用

苏 鹏

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

高速公路受到路线走向、造价控制以及地质条件等因素限制，局部路基段不可避免地会通过软土地基，软土地基具有天然含水率高、孔隙比大、承载能力低、压缩系数大等特点，处治不当会产生较大沉降，造成路基路面结构的整体破坏[1]。软土地基采用单一桩基础处理时往往不能同时兼顾安全和经济，因此需要采用多种桩型组合处理软土地基，制定既安全又经济的软土地基处治方案[2]。

1 工程概况

1.1 项目简介

某高速公路K27+020—K27+540段路基，填方高度12 m，地基地下水位较高，距原地面1 m，且地下水位下存在一层较软的粉质黏土，厚度10 m，该层粉质黏土层埋深浅、厚度大、含水量大、压缩性高严重影响该路段路基的地基稳定性。

1.2 地层岩性

该高速路K27+020—K27+540段，位于岚水河Ⅰ级阶地区，地势平坦。地层岩性从上至下为：

a）素填土（Q42ml）褐黄色，主要由粉土、粉质黏土组成，局部夹粉砂，稍湿，稍密，厚度0.5～1.0 m。

b）粉土 黑褐色，可塑，厚度8～9 m，qsi=15 kPa。

c）卵石 灰褐色，稍密，潮湿-饱和，颗粒成份以砂岩为主，混合土充填，一般粒径0.3～3.0 cm，最大5 cm，局部夹薄层细砂及黏性土，厚度 5～9 m，qp=400 kPa。

1.3 水文条件

拟建公路K27+020—K27+540段，位于岚水河Ⅰ级阶地区，地势稍有起伏；勘探揭露的场地地下水类型为潜水。拟建场地地下水主要受河流径流、大气降水补给，以地下径流、蒸发等方式排泄，勘察期间为丰水期，适逢雨季，受降雨影响较大。

2 处治方案确定

2.1 比选方案

b）根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）表7.7.1-2，高速公路桥台与路堤相邻处容许工后沉降≤0.1 m，涵洞、箱涵、通道处容许工后沉降≤0.2 m，一般路段容许工后沉降≤0.3 m，沉降需进行控制[3]。

c）由于该段路基原地基承载能力低，且紧邻桥台工后沉降控制严格，拟采用以下两个方案：

（a）方案一 采用直径500 mm的CFG桩和直径500 mm的振冲碎石桩正方形布置形成复合多桩地基进行处理，桩长均嵌入卵石层0.5 m。

（b）方案二 采用直径500 mm的CFG桩和直径500 mm的高压旋喷桩正方形布置形成复合多桩地基进行处理，桩长均嵌入卵石层0.5 m。

2.2 承载能力计算

a）通过对第②层粉土进行现场取样，通过原位试验测试其物理指标如下：γw=20 kN/m3，γd=16 kN/m3，w=25%，e=0.7，Es=5.2 MPa，ωp=17%，ωl=27%，IP=9.8，Il=0.65，fak=100 kPa。

b）复合地基承载能力计算公式如下[4]：

（a）方案一 具有黏结强度的桩和散体材料桩组合形成的复合地基承载能力计算公式见式（1）～式（3），不同桩间距承载能力计算结果见表1。

表1 CFG+碎石桩不同桩间距承载能力计算表

式中：m1、m2分别为桩 1、桩 2 的面积置换率；λ1、λ2分别为桩1、桩2的单桩承载能力发挥系数；Ra1、Ra2分别为桩1、桩2的单桩承载能力特征值，kN；Ap1、Ap2分别为桩1、桩2的截面积，m2；β为桩间土承载力发挥系数；fak为原地基桩间土承载力特征值；fsk为处理后地基桩间土承载力特征值；fspk为多桩型复合地基承载能力特征值；n为复合地基桩土应力比。

由计算结果可知，采用CFG+碎石桩组合形成复合地基时，桩间距s=1.65 m，复合地基承载能力fspk=232.2＞226.1 kPa，承载能力即可满足设计要求。

（b）方案二 具有黏结强度的两种桩组合形成的复合地基承载能力计算公式见式（4）～式（6），不同桩间距承载能力计算结果见表2。

表2 CFG+旋喷桩不同桩间距承载能力计算表

式中符号意义同上。

由计算结果可知，采用CFG+旋喷桩组合形成复合地基时，桩间距s=2.25 m，复合地基承载能力fspk=232.3＞226.1 kPa，承载能力即可满足设计要求。

2.3 工后沉降计算

工后沉降采用e-p曲线法，计算公式见式（7）～式（9），工后沉降变形计算结果见表3。

表3 工后沉降变形计算表

式中：s为最终沉降量，m；n为土的分层；hi为土的分层厚度，m；Δpi为应力增量，kPa；fak为原地基桩间土承载力特征值；fspk为多桩型复合地基承载能力特征值；Es为原地基压缩模量，MPa；Esp为多桩型复合地基压缩模量，MPa。

由沉降计算可知：

a）采用CFG+碎石桩组合形成复合地基时，桩间距 s=1.65 m时，复合地基承载能力fspk=232.2 kPa＞226.1 kPa满足设计要求，沉降0.20 m＞sf=0.15 m＞0.10 m，满足一般路段和通道涵洞处容许工后沉降设计要求，不满足桥台与路堤相邻处容许工后沉降。当桩间距s=1.25 m时，复合地基承载能力fspk=330.0 kPa＞226.1 kPa满足设计要求，沉降sf=0.10 m≤0.10 m，满足全部路段容许工后沉降设计要求。

b）采用CFG+旋喷桩组合形成复合地基时，桩间距 s=2.25 m时，复合地基承载能力fspk=232.3 kPa＞226.1 kPa满足设计要求，沉降0.20 m＞sf=0.15 m＞0.10 m，满足一般路段和通道涵洞处容许工后沉降设计要求，不满足桥台与路堤相邻处容许工后沉降。当桩间距s=1.5 m时，复合地基承载能力fspk=397.8 kPa＞226.1 kPa满足设计要求，沉降sf=0.09 m≤0.10 m，满足全部路段容许工后沉降设计要求。

3 经济效益分析

采用CFG+碎石桩组合形成复合地基时，分别对桩间距s=1.65 m和s=1.25 m进行经济效益分析，采用CFG+旋喷桩组合形成复合地基时，分别对桩间距s=2.25 m和s=1.5 m进行经济效益分析，通过对两种桩型组合进行经济效益分析，确定最经济方案。经济效益分析对比表见表4。

表4 经济效益分析对比表

采用CFG+碎石桩组合形成复合地基时，总预算为2324.1+578.5=2902.6万元；采用CFG+旋喷桩组合形成复合地基时，总预算为1847.6+593.9=2441.5万元。采用CFG+旋喷桩组合形成复合地基时比采用CFG+碎石桩组合形成复合地基节省造价461.1万元，节省比例18.9%.最终采用CFG+旋喷桩组合。

4 结语

a）对于高速公路软土地基处理时，不仅要满足地基承载能力的要求，而且要满足工后沉降变形的要求。在满足承载能力和工后沉降变形要求的前提下，高速公路软土地基处理要结合现场地质情况，进行技术和经济的多方案比选，最终确定最优方案。

b）对于填土高度为12 m的高速公路路堤，在满足地基承载能力和工后容许沉降的情况下，采用CFG桩和高压旋喷桩形成复合多桩地基比采用CFG桩+振冲碎石桩更加经济合理。