沿海吹填造陆软土地基加固组合式地基处理方法

沿海吹填造陆软土地基加固组合式地基处理方法

周炜   ,曾宪国

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摘要：研究项目为沿海吹填造陆软土地基，表层存在新近冲填的松散状的中粗砂层、砂混淤泥层以及流塑状的淤泥混砂和淤泥质粉质黏土层，这类土的工程特性为压缩性高、强度低，并且地下水位一直处于高位，属于对建筑物抗震不利的地段。单一的地基处理方式例如强夯、沉管碎石桩、水泥搅拌桩在效果和时间上无法满足地基承载力和变形要求，本文主要介绍采用碎石桩联合强夯施工后再结合水泥搅拌桩联合加固地基的方法，可以达到理想的处理效果。

关键词：碎石桩；强夯；水泥搅拌桩；联合加固地基；

1.引言

某LNG接收站建设项目储罐区工程（以下简称该工程）重要性等级属一级工程，场地为填海造陆，造陆冲填材料以中粗砂、砂混淤泥和淤泥混砂为主，部分地段存在淤泥质粉质黏土，填筑材料中存在软弱土层。

1.1 不良地质作用

存在的不良地质作用主要为地面沉降、砂土液化和软土震陷。

（1）地面沉降

该工程为填海造地形成的陆域，填筑材料中存在软弱土层，大面积填方引起地面沉降。现有工程场地为大面积冲填砂填海形成，冲填厚度8～11m，标高约+6.00～+7.90m，并且软弱土层多在厚度 3～8m区段。场地未进行地基处理时，大面积填土荷载将引起软土层（主要的压缩层）的压缩固结，形成地面沉降，由于软土分布和厚度不均匀，极有可能产生不均匀沉降。

（2） 地震液化和软土震陷

场地20m以内存在的中粗砂、砂混淤泥、中粗砂层在VII度地震作用力下，存在砂土液化可能。液化等级多为中等～严重，局部轻微。

场地表层存在人工冲填的淤泥混砂、淤泥质粉质黏土，在VII度地震作用力下，存在震陷的可能。

1.2常见地基处理方法及组合式地基处理方法

常用的地基处理方法有沉管碎石桩、强夯、水泥搅拌桩等。

振冲沉管碎石桩在复合地基中主要起到挤土、置换与加筋作用，对于沉降要求较高的重要工程，碎石桩施工工艺无法满足复合地基处理要求。强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土和粘性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土地基等，但是对于含水率高的饱和细粒土地基，强夯过程中如果液体无法有效排出，可能导致土壤液化而产生破坏作用，无法实现预期地基处理效果。

沿海地区的淤泥质土、松散的粉细砂与粉土等软土地基处理过程中，碎石桩或强夯单独用于处理高饱和细粒土地基时效果较差，然而用碎石桩加强夯联合工法处理该类地基，能得到很好的加固效果。强夯沉管碎石桩施工后，再施工水泥搅拌桩进行联合加固地基处理，进一步使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，达到施工现场要求的地基承载力及压缩模量等。复合地基检测结果显示，与传统、单一的地基处理方式相比，该工程因地制宜综合利用不同复合地基处理方案进行联合加固地基，工法选型正确，施工达到预期处理效果，而且有效缩短了工期。

2.地基处理工程目的

该工程地基处理设计要求如下：

（1）地坪以下深度不小于10m的砂土，满足在抗震设防烈度为7度、设计基本地震加速度为0.01g时消除场地砂土液化的要求；

（2）有效加固深度不小于4.5m，宜为6m;有效加固深度范围内土层的地基承载力特征值不小于200Kpa，土层压缩模量不小于13Mpa;

（3）场地工后残余沉降不大于300mm，并且处理后淤泥混砂、淤泥质粉质黏土层的固结度不小于90%。

3.复合地基联合工法设计

复合地基联合工法设计即对现有处理方案进行优化，考虑工程建设周期，根据实际情况选择适合的地基处理方案并组合起来施工，合理设置施工顺序及工序间歇期，优化设计参数，不仅要确保地基处理整体安全度，同时也要坚持变形控制和变形协调的原则，减少不均匀沉降。

3.1沉管碎石桩、强夯联合工法的优势

碎石桩的作用机理除挤土、置换和加筋形成复合地基外，由于其颗粒粗、孔隙大、渗透性好、密度大等特点，在与强夯组成联合工法时，还可起重要的排水、提效、隔振聚能和压重作用。

（1）碎石桩能加快土层孔隙水的排出

由于高饱和细粒土地基在冲击荷载作用下很容易液化。强夯施工时，在夯锤冲击力作用下地基土很快液化 ，土中的孔隙水找不到出路而和细粒土拌和在一起呈流动状态。夯锤在一个位置夯击时，液化土体挤入周围的土体之中，使地表产生隆起变形，锤底土体并未得到有效加固。若强夯前预先在地基中打入碎石排水桩，将大大缩短孔隙水在低渗透性土中的排水路线

（2）联合施工可提高强夯施工工效

碎石桩与强夯联合使用时，土中的孔隙水能够就近迅速排出，土体在强夯过程中得到一定程度的固结，土体孔隙率降低，含水量减小，密实度增加。下一次夯锤冲击夯坑时更有利于夯能的竖直向下传播，提高了强夯效率，因此随着强夯击数的增加，高饱和细粒土的加固机理将逐渐由以动力固结为主转化为以动力压密为主[2]。

（3）碎石桩能起到隔振聚能的作用

由于碎石桩的组成材料是粗颗粒的碎石，一般的强夯冲击并不能使粗颗粒碎石产生往复振动而形成波动，因此细粒土中的振动波传至碎石桩处将被反射回来，聚集在夯柱附近。碎石桩的隔振聚能作用限制了夯击能的分散传播，减小了能量传播的衰减损失，集中优势能量用于加固夯柱附近的地基，提高了夯点附近地基土的加固效果。

（4）在强夯施工中，碎石桩还起着压重作用。

碎石桩的压重作用限制了夯击能向上传播，加强了夯击能对地基的加固作用，减弱了夯击能对地基加固的破坏作用[3]。

3.2 强夯沉管碎石桩联合水泥搅拌桩工法的优势

水泥搅拌桩也称为深层搅拌水泥土桩法，水泥深层搅拌桩通过水泥的水解和水化反应、水泥水化物与土颗粒之间的离子交换和团粒化作用、凝硬作用、碳酸化作用等一系列化学反应而成为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩体。

强夯沉管碎石施工后在桩间区域再施工水泥搅拌桩，不仅增强土体横向稳定性，同时促使水泥搅拌桩施工区域形成硬壳层，复合地基整体刚度大大提高，后期施工的桩基工程水平承载力也得以保证。

4.强夯沉管碎石桩和水泥搅拌桩联合工法施工工艺

4.1施工顺序

首先进行振动沉管碎石桩施工，其次进行强夯加固地基施工，最后进行水泥搅拌桩施工，工序衔接需保证施工间歇期符合要求。

4.2振动沉管碎石桩施工

4.2.1 振动沉管碎石桩简介及作用机理

振动沉管碎石桩属于干法碎石桩，对于砂土、粉土等的作用主要为挤密、振密及排水，对粘性土主要为置换、排水。通过振动沉管碎石桩对地基的处理，可以有效的减少深层土体的沉降量，处理后的地基整体性较强，复合地基承载力显著提高。

振动沉管碎石桩加固机理：沉管在振动打入过程中对周围土层进行侧向挤密，管内填料振动拔升时，管内碎石在重力作用下落在地基土中形成碎石桩身，通过反插使得碎石桩体直径扩大并达到桩体密实，按一定间距重复施打，又使桩与桩之间的土层越发密实。碎石桩体内部因为碎石粒径较大，桩体本身竖向排水效果较好。地基处理后表层通常设置0.5m厚的砂褥层，处理后土体中的水渗出进入竖向排水通道，再进入砂褥层中水平方向排出，地基中超孔隙水压力及时消散，固结过程中，桩体本身及桩间土层承载能力得到提高，碎石挤密桩增强体与砂土、粉土地基等共同承担荷载作用，形成碎石挤密桩复合地基。

振动沉管碎石桩工艺具有设备简单、操作方便、成本低、施工快、无污染等特点，在软土地基处理中应用广泛。

4.3强夯施工

4.3.1强夯法简介及作用机理

强夯法施工是夯架将夯锤起吊一定高度后自由落下，给地基土以强大的冲击能量的夯击，促使土粒重新排列，进一步压密到达固结，从而提高地基承载力，降低土的压缩性等。一般可用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土和粘性土等。

而对于非饱和土，与非饱和土土壤间隙大部分都是气体不同，饱和土的土壤间隙中充斥着大量的液体。气体可以通过加压液化成液体，从而达到减少气体体积的作用。但是液体不能够通过继续加压而用于减小体积，进一步加压会因土壤液化而产生破坏作用，动力大多被浪费。因此对于饱和土的土壤夯实，就选择考虑将液体引流排出。
   强夯法作用机理是首先通过动力固结，在强大的动力下产生了巨大的动力冲击波，冲击波会对土壤产生巨大的动能，迫使土层空隙压缩，土体局部液化，在夯击点周围产生裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水和气体逸出，使土粒重新排列，增加了土壤颗粒的密度，达到夯实土层的目的。

4.4三轴水泥土搅拌桩施工

4.4.1水泥搅拌桩简介及作用机理

水泥搅拌桩法是利用水泥等材料作为固化剂，通过搅拌桩机在地基深处就地将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物理-化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基强度和增大变形模量[4]。

水泥深层搅拌桩加固机理是通过水泥的水解和水化反应、水泥水化物与土颗粒之间的离子交换和团粒化作用、凝硬作用、碳酸化作用等一系列化学反应而成为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩体。[5]

水泥搅拌桩适用性广、施工技术成熟、工期短、处理效果较好等优点，在实际工程中使用广泛。水泥搅拌桩根据施工工艺不同，分为三轴搅拌桩和单轴搅拌桩。

（1）三轴搅拌桩特点

三轴搅拌桩施工桩架搅拌钻头为三根钻头，钻头呈现螺旋交叉叶片，能够到达立体搅拌的效果，搅拌均匀充分，搅拌施工同时空压机加压喷气，水泥浆液更容易穿透周围土层，不仅成桩质量好，施工速度也更快。

与双轴搅拌桩机相比，三轴搅拌桩机施工效率高，单次作业即可完成一幅搅拌桩施工，一般1幅桩由3根桩组合而成，有利于缩短施工工期。

（2）单轴搅拌桩特点

单轴搅拌桩施工桩架一般为双轴搅拌桩机，双轴搅拌桩机单次作业完成2根水泥搅拌桩的施工，搅拌钻头为“十字型”四块叶片，搅拌不够均匀，需重复搅拌施工，因此施工效率较低，成桩质量不如三轴搅拌桩成桩质量稳定。

5.地基处理后检测效果

通过标准贯入试验、地基土圆锥动力触探试验、桩体重型圆锥动力触探试验、单桩复合地基静载试验、单桩竖向抗压静载试验及钻芯试验的结果综合对比分析，得到下面结论：

（1）根据单桩复合地基静载试验结果，该区域复合地基承载力特征值≥200kPa。

（2）根据单桩竖向抗压静载试验结果，该区域单桩竖向抗压承载力特征值≥60kN。

（3）该区域各土层地基承载力特征值及压缩模量建议值见表1：

表1 各土层地基承载力特征值及压缩模量建议值

（4）单轴搅拌桩区域的地基土有效加固深度不小于5m；三轴搅拌桩区域的地基土有效加固深度不小于9.5m，有效加固深度范围内的地基承载力特征值建议值为200kPa，压缩模量建议值为13MPa。

（5）根据钻芯试验结果，检测桩的成桩质量较好，桩身水泥土强度为0.82～28.39MPa，满足设计要求。

（6）该区域经沉管碎石桩+强夯处理后，在地震烈度为 7 度（0.1g）时，检测深度范围的地基土均不液化。

6.结论

该工程根据实际情况因地制宜，对复合地基处理方案持续进行优化，最终证明强夯沉管碎石桩和水泥搅拌桩联合加固地基的方法，整体处理效果较好，满足设计要求。类似地层适宜采用此组合式地基处理方法。

参考文献：

[1]杨建永，蔡美峰.强夯联合工法中碎石桩的加固机理分析[J].《建筑技术》- 2007-03-15.

[2]杨建永，蔡美峰.碎石桩在强夯处理高饱和细粒土地基中的聚能和隔振作用[J].《中国钨业》- 2006-10-30.

[3]杨建永，蔡美峰.强夯联合工法中碎石桩的加固机理分析[J].《建筑技术》- 2007-03-15.

[4]赵剑波.高速公路软路土基处理中几种常用方法对比分析[J].《交通世界(运输.车辆)》- 2013-09-23.

[5]水泥搅拌桩和CFG桩复合地基在软土路基处理的工程应用及对比分析[J].《互联网文档资源（ http://wenku.baidu.c ）》.