沿海地區深厚軟土地基處理方案研究＊

周凱，王偉軍

［1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，廣東珠海 519075；2.珠海市勘察設計研究院有限公司，廣東珠海 519015］

0 引言

軟土一般是指濱海、湖沼、谷地、河灘沉積的天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪強度低、壓縮性高的細粒土，包括淤泥、淤泥質土、泥炭、泥炭質土。軟土地基成為路基持力層之前一般需要進行處理，以提高地基承載力，增強地基穩定性，減小工后沉降。國內外較成熟的深層軟土地基處理方式主要有排水固結法、水泥攪拌樁、水泥粉煤灰碎石樁（Cement Fly-ash Gravel，CFG）樁、預應力管樁等［1-2］。珠海橫琴新區作為濱海圍墾區，陸地多為海相沉積軟土層，軟土較深厚，地基處理難度較大。對于陸海相沉積的厚層軟土層的地基處理方法，學者們進行了大量的研究。其中，龔曉南等［3］采用真空預壓法處理軟土地基，提出了真空滲流場的理論；章定文等［4］研究連云港沿海軟土的固結、抗剪及流變等特性，并針對工程進行了有效的地基處理；唐育同［5］、邰勇［6］分別對公路軟土路基的治理開展研究，提出超載預壓等多項處理措施。CFG 樁應用于地基處理具有高效、便捷的特性，但容易出現斷樁等病害［7-8］?，F有文獻對軟土地基的處理大多針對淺薄層的土體，提出了較多的地基處理方法。然而，針對沿海相沉積的深厚軟土地基處理的研究不多，而傳統的淺薄層軟土處理方法難以應用于深厚軟土地基。

本文結合珠海橫琴新區某新建場地厚層軟土地基處理工程，綜合適用性、可行性及經濟性等方面的考量，經過對比傳統主流的4 種軟土處理方案，選擇三軸水泥攪拌樁法作為新建場地的特殊路基處理方法，并且調整和優化既有處理方案，采用成樁現場檢測反饋方法，評價地基處理的成效，探索沿海地區深厚軟土地基土體處理方法及其評價機制。

1 工程概況與地基處理方案比選

1.1 工程概況

該新建查驗場地位于橫琴海關，當前的地面高程約4 m，場地平整標高為2.5 m，淤泥頂部高程為-0.5～-8.23 m，底部高程為-21.89～-25.46 m，層厚11.2～23.10 m。既有查驗場地已進行軟基處理，其中入島貨檢查場地和出島貨檢查驗場地采用的是真空聯合堆載預壓，其余區域采用CFG 樁進行軟基處理，處理深度均為28 m。改造時不再對既有場地進行軟基加固，僅對新建場地進行軟基處理。

新建查驗場地現狀為休閑公園，場地處理邊界距查驗場候車廳（待改建）約15 m；往南依次存在DN800污水管、3.2 m×1 m的雨水箱涵及9.4 m寬的綜合管廊；北側處理邊界存在中壓燃氣管。

1.2 工程地質情況

珠海橫琴新區某新建場地項目工程主要是對現狀海關監管作業場所的設施和設備進行地基處理，本工程為新建海關汽車查驗場，根據勘察結果，該查驗場下存在厚層的軟土，測算劃定該地特殊路基處理范圍約7 144 m2。由于該查驗場主要用作進出口汽車的查驗場地，根據檢測設備的精度、行車坡度及場地排水等要求，設計使用了與場區外主干路道路等級相同的沉降要求，即工后允許沉降≤30 cm。根據工程勘察結果，各巖層的巖土物理力學參數建議值見表1。場地的地層劃分為4 個大層、9 個亞層，詳細地層信息如下。

表1 巖土物理力學參數建議值

（1）①1素填土：褐黃色、灰黃色，主要由花崗巖風化土、中風化花崗巖碎塊石等堆填而成，土質不均勻，堆填年限為5～10年，基本完成自重固結，稍壓實，土質稍濕；層底標高為-4.43～1.10 m。

（2）①2沖填土：灰黑色為主，巖性主要為細砂，人工吹填形成，分選性好，級配較差，土質飽和、松散；層底標高為-9.91～-5.99 m。

（3）②1淤泥質土：灰黑色，巖芯呈泥柱狀，上部填土自重固結以淤泥質土形式產生，呈飽和流塑狀；層底標高為-12.80～-3.70 m；淤泥質土平均含水率為50.5%。

（4）②2淤泥：灰黑色，巖芯呈泥柱狀，難以直立，呈飽和流塑狀；層底標高為-25.46～21.89 m。

（5）②3粉質黏土：灰黃夾褐紅色，主要由粉黏粒組成，韌性及干強度中等，土質濕、可塑；層底標高為-26.19～-19.20 m。

（6）②4粗砂：灰白、黃褐色，巖性主要為粗砂，局部為細砂，分選性差，級配較好，砂質飽和、稍密；層底標高為-29.88～-24.30 m。

（7）②5淤泥質土：灰黑色，巖芯呈泥柱狀，直立易倒；層底標高為-31.64～-26.2 0 m。

（8）③礫質黏性土：灰白、淺黃、磚紅等花斑雜色，由花崗巖風化土殘積形成，土質硬塑；層底標高為-28.49～-30.43 m。

（9）④1全風化花崗巖：灰白色為主，巖芯呈土柱狀，原巖結構和層理尚可分辨，遇水易軟化，巖質堅硬狀；層底標高為-35.23～-28.53 m。

1.3 地基處理設計方案比選

項目場地范圍內淤泥、淤泥質土較深厚，深厚軟土的處理方案一般可采取以下4種方式。

（1）真空堆載預壓。采用“D”形排水板，呈正方形布置，間距為1 m；排水板不穿透淤泥層，板長約27.5 m。

（2）水泥攪拌樁。常規單軸、雙軸水泥攪拌樁處理深度多為20 m，處理深度不能穿透淤泥層，而采用三軸水泥攪拌樁實際處理深度可達30 m；樁徑選用650@450 mm，咬合20 cm，呈正方形布置，間距為2.4 m，穿透軟土層厚度不小于1 m，樁長29 m。

（3）CFG 樁。采用C20混凝土樁身，樁徑為0.5 m，呈正方形布置，樁間距為1.8 m，穿透淤泥層不小于1 m，樁長29 m。

（4）預應力管樁。采用高強預應力管樁，樁徑為0.4 m，呈正方形布置，樁間距為2.5 m，穿透淤泥層不小于1 m，樁長29 m。

以上4 種軟基處理施工方案的特征匯總見表2?？紤]新建場地軟基處理邊界距既有候車廳、綜合管廊等構筑物較近，如果采用真空堆載預壓處理方式，單價雖然較低，但是處理工期較長，對周邊現狀構筑物存在拉裂性破壞，因此不宜采用；如果采用CFG樁、預應力管樁等處理方式，2種樁均為剛性樁，擠土效應強，容易對周邊構筑物產生擠壓破壞，而且造價較高。三軸水泥攪拌樁作為柔性樁，擠土效應弱，在工期、造價方面均符合設計目標（其特殊路基處理橫截面圖和平面示意圖如圖1和圖2所示）。

圖1 特殊路基處理橫斷面圖

圖2 特殊路基處理平面示意圖

表2 4種軟基處理施工方案的特征匯總

2 三軸水泥攪拌樁設計參數及施工工藝

橫琴大橋通道新建場地以DCZK5 孔位（地質縱斷面見圖3）為最不利孔位，根據該孔位計算單樁承載力、復合地基承載力及工后沉降。本次采用樁徑為650@450 mm 的水泥攪拌樁，呈正方形布置，間距為2.4 m。樁頂標高為2.0 m，樁底標高為-26.96 m，有效樁長約29 m。三軸咬合樁可換算為樁間距為2.4 m、直徑為1.05 m的水泥攪拌樁。

圖3 DCZK5地質縱斷面

2.1 單樁豎向承載力特征值計算

單樁豎向承載力特征值的計算參照《公路軟土地基處治工程技術規范》（DB45_T 1972—2019）中的式7.1.5-3：

其中：up為樁的周長，up=3.299 m；qsi為樁周第i層土的側阻力特征值，kPa；lp為第i層土的厚度，m，按勘察報告取值；ap為樁端阻力發揮系數，α=0.40；qp為樁端地基土未經修正的承載力特征值，qp=700 kPa；Ap為樁的截面積，Ap=0.866 m2。將各項數值代入公式（1）可得：Ra1=3.299×（2.86×16+3.2×14+21.4×8+1.5×32）+0.40×700×0.866=1 264 kN

參照《公路軟土地基處治工程技術規范》中的式7.3.3：

其中：fcu為90 d 樁身水泥土無側限抗壓強度，fcu=1.6 MPa；h為樁身強度折減系數，h=0.25。將數值代入公式（2），可得Ra2=0.25×1 600×0.866=346.4 kN。因此，單樁豎向承載力特征值取值為350 kN。

2.2 復合地基承載力計算

《公路軟土地基處治工程技術規范》中復合地基承載力的計算公式為

其中：fspk為復合地基承載力特征值（kPa）；λ為單樁承載力發揮系數，λ=1；m為面積置換率，m=15%；Ra為單樁豎向承載力特征值，Ra=350 kN；b為樁間土承載力折減系數，b=0.4；fsk為處理后樁間土承載力特征值（kPa），取天然地基承載力特征值，fsk=90 kPa。將各項數值代入公式（3），可得fspk=1×0.15×350÷0.866+0.4×（1-0.15）×90=91.22 kPa。復合地基承載力取值fspk=100 kPa，滿足地基承載力要求。根據理正巖土工程計算工后15年內的沉降約為0.132 m，滿足一般路段道路沉降要求。

2.3 深厚軟土地基三軸水泥攪拌樁施工原理及工藝

由于沿海地區的軟土層深厚，承載力有限，重載荷作用下土體的累計總變形較大，嚴重超過設計及建筑的沉降要求。采用三軸水泥攪拌樁施工處理深厚軟土可以有效解決軟土硬化的問題。深厚軟土地基采用三軸水泥攪拌樁的基本原理為將工程建筑范圍內軟土體的上層進行注漿硬化，由于該工程的土層深厚，普通作業方式難以進行較大深度的注漿作業，因此根據該工程的特點，采用成樁孔位間距加密、深度加深的作業方案，該作業方式可形成一層壓縮性較小的偏剛性土層，提高混合土層的剛度，降低上層土體的變形程度。由于施工的樁體密度較大，可以等效為一個近似剛性的“筏板”覆蓋在深厚的軟土層上，在構筑物載荷作用下，“筏板”增加了載荷的作用面積，能有效地降低土體受到的應力，進而滿足構筑物對沉降的要求。針對本工程所處的工程地質環境及構筑物對沉降的要求，深厚軟土三軸攪拌樁施工工藝設計如下。

（1）三軸攪拌樁樁體水泥摻量為310 kg/m（水泥重量與被加固的軟土重量之比暫定為22%左右），水泥等級為42.5，水灰比為0.5～0.6。根據工程場區內水泥與軟體的拌和試驗及試樁等強度測試，以及考慮到該工程的軟土強度較低，應適當增加水泥的用量，因此該工程所采用的水灰比為0.5，其中水泥的使用量按照公式（4）進行驗算：

其中：M表示單排樁水泥用量（單排樁為咬合的三排樁），t；H為樁基長度，m；S為單排樁截面積，取值1.6m2；P為本工程被攪拌土體密度；I為水泥添加量，取值20%。

（2）三軸水泥攪拌樁采用“二攪二噴”的施工工藝，具體工藝流程如下：攪拌機械就位、調平→頂攪下沉至設計加固深度→邊噴漿邊攪拌提升，直至預定的停漿面→重復攪拌下沉至設計加固深度→根據設計要求，噴漿或僅攪拌提升，直至預定的停漿面→關閉攪拌機械。

3 三軸水泥攪拌樁質量檢測與評價

為了有效地評價三軸水泥攪拌樁的地基處理效果，本研究針對工程的特點對成樁質量進行評價，確保地基處理的效果滿足工程建筑的載荷要求。

（1）檢測內容：樁長、樁身完整性、28 d 樁身無側限抗壓強度、地基承載力。

（2）檢測頻次：抽芯（樁總數量的0.5%，不少于3根）、靜載試驗（樁總數量的0.1%，不少于3根）。

（3）檢測面積和數量：三軸攪拌樁場地處理面積約7 144 m2，三軸攪拌樁數量為952 根，選擇5 根抽芯，判定樁身完整性、樁長、無側限抗壓強度等；選擇3根抽芯檢測地基承載力。

（4）檢測成果：根據抽芯、靜載試驗等檢測方式中90 d 水泥攪拌樁樁身無側限抗壓強度滿足不小于1.6 MPa的設計要求，可反算單樁承載力均大于350 kN；檢測點最大沉降及殘余沉降符合沉降要求，復合地基承載力不小于100 kPa，滿足承載力要求，抽芯芯樣及抗壓強度檢測結果見表3，地基承載力靜載試驗結果見表4。同時，進行抽芯檢驗發現，芯樣完整，呈柱狀，水泥分布基本均勻，成樁質量較好。

表3 抽芯芯樣及抗壓強度

由典型攪拌樁檢測成果可知，所有檢測的樁體成樁質量良好，沒有出現斷樁及嚴重蜂窩麻面的病害，滿足樁體完整性的要求；地基承載力靜載試驗的檢測樁體承載力同樣滿足要求。此外，樁體在極限載荷作用下，其沉降變形最大僅有4.04 mm，遠遠滿足查驗場所限定的小于30 cm 的要求。綜上樁體檢測成果可以評估，本次查驗場厚層軟土三軸水泥攪拌樁地基處理優化方案具有的優勢體現如下：滿足強度及沉降的基本要求，處理過程對周邊建筑及構造物的影響較小，工程造價相對較低。

4 結語

本研究以珠海橫琴新區某“二線”海關查驗場項目為例，根據場地厚層軟土地基的工程概況，分析4種軟土地基處理的優點和缺點，最終選用了三軸攪拌樁作為處理措施并進行優化。該方法在厚層軟基處理過程中具有擠土效應弱、處理深度較大、沉降較小等優勢。經質量檢測，處理深度≥25 m 時采用三軸攪拌樁?650@450 mm 水泥攪拌樁可保證樁身抗壓強度、地基承載力等滿足工程要求。在適用水泥攪拌樁處理的情況下，三軸水泥攪拌樁為深厚軟土層的處理提供了可行方案，本研究可為類似工程提供設計經驗和參考。