涵洞软土地基分析与处理

摘 要：涵洞软土地基比较常见，由于涵洞一般设置在既有河道位置上，河道常年淤积，地基基础一般稳定性，承载能力都比较差，软土地基的处理也就成为涵洞设计中较为普遍存在的问题。

关键词：软土地基;处理；涵洞设计

中图分类号：TU471.8文献标识码：A

在南京现代粮食中心市政配套设计SJ1合同段箱涵设计中，涵洞基础普遍存在软土地基，地基处理采用了木桩复合地基处理技术，一定程度上解决了涵洞基础位于高压缩性软土地基上的构筑结构设计问题。结合该项目，并借鉴以前专家对软土地基的处理设计与分析，本文对木桩复合地基的竖向承载力、沉降计算及有关施工方法作了一定的分析与设计；并对其他相关软土地基处理方法进行了比较与分析。

一、工程概述及工程地质条件

1、工程概述

龙潭物流园区是龙潭新城的重要组成部分，位于南京主城的东北部，距长江二桥约25公里；是以近洋国际物流为主的长江三角洲北翼国际物流节点；是辐射安徽、苏北、长江中上游等地区的重要区域物流园区；作为南京市现代物流产业发展先期重点建设的物流园区，依托龙潭港，将成为南京都市圈内重要的区域物流中心。

2、工程地质条件

2.1 工程场地属河漫滩地貌单元。场地内场地开阔。由于受人类活动影响，原地貌形态改变，现主要为农田及农村居民区，场地地势较平坦。

2.2 根据现有勘探成果，结合原位测试和室内岩土试验成果综合分析，本工程勘探深度范围内，地基土按成因年代、物理力学性质等自上而下分为2层（6个亚层）。

1-1层素填土:灰黄色、灰褐色，以粉质粘土为主，软塑，夹有少量砖屑、腐植物等，填龄小于10年，道路内普遍分布。厚度：0.20-1.90m,平均0.40m；层顶标高:5.26-7.10m,平均6.04m。

2-1层粉质粘土:灰黄色、灰褐色，软塑，局部流塑，结构较差，有铁锰浸染。道路内普遍分布，厚度:0.30-1.60m，平均1.00m；层顶埋深:0.20-1.90m，平均0.41m。

2-2层粉质粘土～淤泥质粉质粘土：灰色，流塑，局部软塑，偶见少量腐植物。该层场区内普遍分布，厚度:0.70-10.90m，平均5.64m；层顶埋深:0.70-2.50m，平均1.39m。

2-3层粉细砂：灰色，松散～中密，主要成份为石英、长石等，夹有云母碎片。场区内普遍分布，厚度:0.20-9.00m，平均3.42m；层顶埋深:1.60-12.80m，平均7.03m。

2-4层粉细砂：灰色，中密，主要成份为石英、长石等，夹有云母碎片。该层未揭穿，场区内普遍分布；层顶埋深:7.20-14.50m，平均11.13m。

2.3按《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85），综合确定的各土层承载力容许建议值见表2.1。

表2.1

2.4 各土层室内压缩试验试验e-p数据：

表2.2

2.4 工程区域属于长江漫滩地貌单元，第四系覆盖层主要为人工填土、粉质粘土、粉质粘土～淤泥质粉质粘土、粉细砂等。根据土层分布特点，地下水类型属潜水，赋存于1层人工填土中和2层土中，富水性上部一般，下部砂土中较强，主要接受大气降水和地下径流补给，以蒸发和径流方式排泄，水位随季节变化较明显。

二、涵洞软土地基处理方案比选

根据结构荷载计算出地基应力设计值Ｐ＝99 KPa，而基础落在2－2层上，地基承载力的设计值fao＝60KPa，地基承载力不足，且变形过大，不能满足结构和使用要求，故地基应进行处理。根据对多种地基处理设计方案作了认真优化比选，方案有：①换填法；②预应力管桩；③加固土桩；④钻孔灌注桩；⑤木桩复合地基。最终择优选择了方案⑤。其理由是：

⑴安全可靠。根据以前木桩应用经验和实际效果，如秦淮河上的几座古桥地基都采用了木桩处理；南京明代古城墙的地基也是采用了木桩处理。这些木桩基础历经几百年，上部结构安然无恙，从工程类比法上定性分析，足见其安全可靠，能够满足地基承载力、沉降和抗滑要求。

⑵施工简便。木桩施工可采用人工或半机械化即可完成，适合在狭长地段施工，相对方案①～④施工操作简便。

⑶方法实用。采用木桩一方面起着加固软土地基的作用，另一方面还可在结构底板两侧分别打１～２排木护桩，可以起着在施工期间防止原有护砌挡墙的滑移、挡水土堰的侧向加固及对木桩地基侧向保护的三重作用。

⑷满足工期。采用木桩复合地基，无需混凝土或水泥的龄期要求，木桩施工完毕，即可做垫层基础，为工程抢得至少３０ｄ以上的时间。

⑸造价较低。木桩复合地基的经济合理性是非常明显的。

三、木桩复合地基的内力分析与设计

1、木桩复合地基承载力的确定

木桩复合地基设计，首先是承载力的确定。由于采用木桩进行地基处理，目前，国家尚无设计规范可循，故在设计中，参照相关木桩复合地基资料设计方法，按照深层搅拌法方法进行计算。木桩平断面布置如图２所示。

1)木桩复合地基参照深层搅拌法进行计算：

（1）

式中：

ｆｓｐ，ｋ 为复合地基的承载力标准值（ｋＰａ）；

ｍ为面积置换率；

Ａｐ 为桩的截面积（m2）；

ｆｓ，ｋ为桩间天然地基土承载力标准值（ｋＰａ）；

β为桩间土承载力折减系数，当桩端土为软土时，可取0.5～1.0，本工程取0.6；

Ｒｋ为单桩竖向承载力标准值（ｋＮ）。

为偏于安全，木桩单桩竖向承载力标准值不计端阻力值，则有

（2）

式中：

uｐ为桩截面周长（ｍ），

ｑｓｉ为桩周第ｉ层土的侧阻力标准值（ｋＰａ），

ｌｉ为按土层划分的各段桩长（ｍ）。

已知：木桩直径d=15cm，桩距=80cm，桩长=500cm，平均qsi=30Kpa，=60Kpa

每排装的置换率0.022

2）荷载计算(取单位涵长计算)

(1)恒载

箱重力P箱=2×γ2×(δ×L+t×ho+C1×C2)=130.1 kN

基础重力P基=γ3×B×d=109.4 kN

填土重力P土=γ1×H×L=152.3 kN

水重力P水=γ水(Lo×ho-2×C1×C2)=79.6 kN

(2)车辆荷载

汽车等代土荷载近似按0.9m计。

竖向恒载标准值

3）基地应力

N=P箱+P基+P土+P水+P车=471.4 kN

σ=N/A+qv = 98.9 kPa≤ [σo]=107.17 kPa

基底应力满足设计要求。

2、木桩复合地基的沉降计算

木桩复合地基的沉降计算，目前尚无明确的计算公式，根据以前专家的设计经验，应用其相关计算方法及公式，得出了木桩复合地基的最终沉降量。

木桩复合地基沉降计算

木桩复合地基改变了土的孔隙比值，同时，也提高了土的压缩模量Ｅｓ值。根据复合地基变形协调的原则，木桩复合地基的最终沉降量由复合层的沉降变形和下卧层的沉降变形组成。沉降计算公式为

地基沉降按分层总和法计算

平均宽5m，长10m，基础底面处附加压力，土的压缩模量，沉降计算经验系数。

沉降设计参数为：；

）

式中：为复合地基压缩模量，为木桩压缩模量。

Zi为土层深度， αi 为应力系数，可查条形基础竖向应力系数表

关于木桩的的取值，因没有这方面的试验资料及计算公式，根据以前经验参照搅拌桩的压缩模量公式，其中为水泥桩抗压强度标准值，根据经验推算，取木桩，其中为木桩顺纹抗压强度设计值，，则

复合层的沉降为：

深度5～8ｍ时的沉降为：

深度8～11ｍ时的沉降为：

深度0～15ｍ时的沉降为

深度11～11.6ｍ时的沉降为

故木桩复合地基最终沉降量。

四、木桩复合地基在施工中的质量控制

1、施工排水措施质量控制

围堰排水法：涵洞施工所在河道常年水位较高，施工时需要进行围堰施工，采用潜水泵将基坑内积水抽到两边河道内，降低水位，满足施工要求。

对于围堰坝体的做法，采用较为实用的草包围堰加木桩加固法。

2、木桩材料的选择

经综合比较，采用杉木为木桩材料较为合适，杉木具有直径变化小，直度好，材质较硬，耐腐蚀性能高和价格适中等优点。

3、木桩施工质量的控制

⑴为了确保木桩施工质量，参考以前专家设计施工经验，结合本工程特点采用４０K自制落锤法施工方法；施工过程中结合人工打入方法，对自制落锤摸索出其相关的施工技术控制参数，确保了木桩的施工质量，工期与造价也得到有效的控制。

⑵木桩打入淤泥质粉质粘土层中5ｍ长，木桩顶部桩间铺设30cm级配碎石，其桩上部砌筑５0cm厚M10浆砌块石，且木桩头嵌入砌体垫层中，确保木桩复合地基与块石砌体基础有效共同作用。

五、其他相关软土地基处理方法比较与分析

1、软土地基处理方法中复合地基处理主要分为三类：

①粒料桩（如：碎石桩、砂桩等）

采用碎石、砂砾、废渣、砂等散粒材料做桩料，粒料桩对地基土起置换作用、竖向排水作用及应力集中作用，但不考虑它对地基土的挤密作用，桩体施工完毕还需预压一段时间

②加固土桩（如：粉喷桩、浆喷桩等）

利用专用机械将软土地基的局部范围（某一深度、某一直径）内的软土柱体用加固材料改良、加固而形成，与桩间软土形成复合地基。起到置换，应力集中，进而减小沉降，提高软基强度的作用。

③预应力管桩

利用专用机械将软土地基的局部范围（某一深度、某一直径）内的软土柱体用加固材料改良、加固而形成，与桩间软土形成复合地基。起到置换，应力集中，进而减小沉降，提高软基强度的作用。

2、各类复合地基工程特性及适用范围

①粒料桩（如：碎石桩、砂桩等）

施工工艺复杂，造价较高，粒料桩应打穿软土，到达相对较好的持力层。

适用于砂石料较为丰富地区，粒料桩施工完毕，其上须设置一垫层，能大幅度提高路基及基础的整体稳定性

②加固土桩（如：粉喷桩、浆喷桩等）

施工工艺成熟，造价较高，加固土桩应打穿软土，到达相对较好的持力层，每延米加固料的掺入量要通过室内试验确定。

适用于软土层底埋深不大于15米的软基，能大幅度提高路基的整体稳定性，减小总沉降量。

③预应力管桩

施工工艺成熟，造价较高，加固土桩应打穿软土，到达相对较好的持力层，每延米加固料的掺入量要通过室内试验确定。

适用于软土层底埋深大于10米的软基，能大幅度提高路基的整体稳定性，减小总沉降量。

六、结 语

箱涵设计是结构设计中较简单的一种，也是较为灵活的一种结构体，其在工程设计中应用较为广泛；但涵洞不像桥梁一样有稳固基础，所以其基础稳定性在设计中尤为重要，软土地基也是涵洞设计中较为常见一种地质情况，本文对软土地基处理中木桩复合地基处理进行了简单的分析和计算，希望可以给涵洞设计软土地基处理提供一点参考。