党 东

中铁十六局集团第一工程有限公司

1 引言

地基处理是工程项目建设过程中的基础性工作，需要打牢稳固的基础实现对高层建筑的可靠承载。工程建设过程中，涌现出了多种地基处理技术，其水平的高低直接影响着建筑物的建设质量和寿命长短。地基处理方法的选择要根据其上建筑物或道路的建设要求对地基的要求来选择，常用的方法有孔内深层强夯法、换填垫层法、水泥土搅拌法、灰土挤密桩法等，这些方法的共同特点是对地基进行必要的加固或改良，提高地基的承载力和稳固性，消除不同程度的湿陷性。这些地基处理方法在应用的时候，仅在水平方向上加筋或者仅在垂直方向上加筋，能够最大限度降低施工成本，也能够满足一般的使用需求。

“土工格室+石柱桩（geocell+stone column）”的双向加筋复合地基处理技术是在单向加筋地基处理技术的基础上发展起来的，近年来在道路工程建设过程中获得了广泛的应用。这种地基处理技术是在石柱复合地基顶部铺设土工格室并附加加筋碎石垫层，既具有水平加筋的优点，又能发挥垂直加筋的作用，在高速公路路基修筑、恶劣黄土沉降地基处理的方面，都取得了比较好的应用效果。

这种双向加筋复合地基处理技术需要的沉降观测理论和承载力计算理论更加复杂，目前还没有精确的框架体系，需要结合地基受力分析结果不断进行完善。本文结合传统的地基处理单向加筋理论，在详细论述“土工格室+石柱桩”双向加筋复合地基处理技术的工作原理与施工方法的基础上，结合具体工程案例，研究了这种技术在道路工程建设过程中的应用。

2 工作原理与施工方法

2.1 工作原理

“土工格室+石柱桩”双向加筋复合地基处理技术中，由单层土工合成材料（如土工织物、土工格栅、土工格室等）或多层土工合成材料组成的土工合成材料加筋层铺设在砾石垫层上，发挥着水平加筋层的作用，并具有其他一些特殊的性能，比如对侧向土壤产生约束、分散上部应力，同时还起着净吊索和隔离的作用；石柱作为竖向加筋层，进一步提高了地基的承载力，并有效减少了路堤的位移；同时，两者相互作用，还能够发挥限制水土流动的作用，进一步提升地基的支承能力。

有学者指出，这种双向加筋地基处理技术在水平方向上有效利用了土工合成材料的张拉膜效应、在垂直方向上有效利用了石柱对土工材料的支撑作用，因此，可以最大限度提高地基的承载和支撑能力。有工程项目利用这种处理技术上对地基进行处理后设计了双向排水系统，这种排水系统由石柱和土工合成材料加筋砾石垫层组成，达到了稳固地同时向两个方向进行排水的设计目的。因此，采用“土工格室+石柱桩”双向加筋技术处理地基，可以获得以下明显的优势：（1）同时发挥桩（如石柱）和垫层（如土工格室+碎石垫层）的综合作用，有利于降低预算开支；（2）有效降低侧向土压力，减少侧向土移动的可能性，获得良好的地基固定效果；（3）具有更大的桩距，与常规桩复合地基相比更具竞争力。

2.2 施工方法

在“土工格室+石柱桩”双向加筋复合地基处理技术中，土工格室和石柱桩共同发挥着提高地基承载力和支承力的作用。

2.2.1 土工格室的设计和制作

一般根据地基承载力的设计值和路堤位移偏差的控制值来选择土工格室的规格，一般控制在10cm~15cm高度之内。有时，为了进一步提升土工格室的水平承载力，可以对土工格室进行分层填充，比如填充最大粒度＜3cm的粗粒骨料，并且分别在上下格室铺设厚度为10cm~20cm 的沙砾垫层，以此来提高承力强度。

2.2.2 石柱桩的设计和制作

（1）做好石柱桩的几何尺寸的设计。一般需要根据施工设备工作能力和软土地基强度等数据来选择石柱桩径，一般控制在Φ280~Φ510范围内；根据需要加固的软土土层厚度选择石柱桩长，有时标准桩长满足不了使用需求，可以采用分段控制的方法来进行处理。进行分段控制时，首先对软土层的厚度进行测量，一般以8m 厚度作为判断标准，当软土层厚度小于8m 时，桩体应垂直穿过软土，否则应该取长度为8m的多根桩进行分段穿插。（2）做好石柱桩的平面布置设计。石柱桩在施工过程中一般布设成等边三角形或者正方形的形式，三角形或正方形的边长（也就是桩间距）需要对承载力进行计算后确定，同时还应该适当考虑到桩的变形尺寸。一般来说，桩间距通常控制在1.1~1.5m 的范围内。另外，石柱桩的布设应沿路线向前方向超出设计钢筋长度2~3行，并沿道路横截面方向超出基础宽度2行。（3）做好石柱桩的材料选择。通常根据设计要求，选择Φ＜50mm的沙子（如中等粗砂和砾石砂，其泥浆含量一般小于5%）、石头（如砾石、卵石、碎石）等材料混合后浇注石柱桩，这样浇注出的石柱桩具有良好的自稳定性，并且通过控制浇注过程中的水量还可以控制石柱桩的硬度。

2.2.3 施工操作要点

完成了土工格室和石柱桩的设计和制作之后，这种双向加筋复合地基处理技术一般按照图1中所示的流程进行施工。

图1 施工流程

按照以上流程进行施工的过程中，为防止桩身破碎和颈缩，应设置合理的插补量，合理地分组管理桩料，并保证桩体的圆满。同时，不宜采用提速快的管道，以免影响桩身的压实和成桩质量，应在振动较大的情况下将其缓慢拉起，拉管速度应控制在1m/min以内，振动时间应控制在1min以上。为确保土工格室填筑物完全压实，应从土工格室侧向中间输入填土物，并避免在行驶时设备破坏土工取消网格。石柱桩连接的接头形式需要考虑到操作的灵活性和承力特性，一般可以采用现场焊接接头、现场环铆接接头、穿孔倒缝接头、专用插入式接头等的形式。在施工过程中，应控制渗透性，使用黏土含量和有机物含量经检测均合格的垫层材料，且垫层表面应光滑无坑。另外，砂砾石垫层的底部需要设置向外的横降，确保横向斜率≥3%。

2.2.4 施工质量控制措施

（1）按照规范进行成桩试验，对设计参数进行验证，并获得大面积正式施工前的进料厚度、振动时间、上水速度等施工工艺控制参数。（2）在进行土工格施工时，确保土工格以最佳压实度填充土工格，并确保土工格的张力达到所需的尺寸。（3）为保证路堤稳定性和承载力要求，应采取有效减少地下水的排水措施，在地下水位较高的情况下，应根据当地实际情况和有关标准设计结构，以保证排水不会淹没或冲击路基，也不会反向灌溉。

3 工程应用案例

3.1 项目概况

某高速公路项目地处山西省北部，围绕汾河流域建设，全长52km，其中很大一部分路线修建在河水冲积地带上，属于典型的软土性质地基，在建设过程中需要对地基采用可靠的加固方式进行处理，才能满足设计要求。

3.2 软土地基基本情况

该段施工区域经过地质勘测后，发现地基软土分布范围广、深度差异大，同时经过测算发现承载力较小、在设计载荷作用下软土形变较大，不能满足使用要求。另外，沿线软土大都位于黄土高原或山间河谷中，冲洪积或地下水浸泡成因较多，软土地层的物理力学指标变化较大，其含水量较低，内摩擦角偏高，具有分布不均、含有机质及含砂夹层等特点。

选取某一段路基进行采样开挖，可以发现这种地基土层分布由上而下依次是：地表下0.3m~0.6m属于厚耕植土，含有较深色软土，越往下深度持续增加，有机质变多，大约在1m处开始出现含水量较大的砂卵石层。

采用仪器对该段软土土质进行测量并计算，可以得到软土质量如表1所示。

表1 软土土质抽样

根据以上软土土质抽样数据，经过现场分析，最终确定采用“土工格室+石柱桩”双向加筋复合技术对软土地基进行处理。

3.3 软土处理方案

结合“土工格室+石柱桩”双向加筋复合技术的特点，该项目确定的施工方案如下。

（1）对于软土深度沿路基横剖面方向分布均匀的软土层：①当纵向深度小于5m 时，采用土工格室垫层或碎石桩处理；②当纵向深度大于5m时，根据具体工程地质勘测情况采用不同长度碎石桩配以土工格室垫层的方法进行处理。

（2）对于软土深度沿路基横剖面方向分布不均匀的软土层：①当纵向深度小于3m 时，采用挖土换填的方式进行处理；②当纵向深度在3m到4m之间时，采用上部不换填、下部利用碎石桩或者土工格室垫层的方式进行处理；③当纵向深度大于4m 时，采用上部不换填、下部集中采用碎石桩并辅以土工格室垫层的方式进行处理。

振动沉管碎石桩的布置范围：沿路线方向应超出设计加固长度2~3排，沿道路横断面应超出基底宽度2排。桩的平面布置形式采用正三角形，梅花形布置。桩长采用分段控制的方法。如果地基软土深度≤8m，碎石桩应穿过软土层，达到持力层，建议进入持力层20cm~40cm，如果地基软土深度>8m,碎石桩桩长为8m。采用直径325桩管施工，配385的大头型活瓣式桩尖。桩间距为1.5m。振动沉管碎石桩桩体材料采用未风化干净砾石。砾石粒径为20mm~40mm，自然级配，含泥量<5%。

3.4 软土处理效果

采用以上软土地基处理方法后，结合工程现场测量的各种数据，可以发现，处理之后的地基无论是碎石桩的平均应力还是地基承受载荷的能力都得到了很大提升，能够满足公路建设的指标要求。

4 结语

“土工格室+石柱桩”双向加筋复合地基处理技术在实际中获得了越来越广泛的应用，尤其能够最大限度发挥水平方向上土工合成材料的张拉膜效应、垂直方向上石柱对土工材料的支撑作用有关。本文在对“土工格室+石柱桩”双向加筋复合地基处理技术的工作原理和施工方法进行论述的基础上，结合具体项目，分析了这种技术的应用步骤和效果，为类似工程项目的实施提供了理论上的借鉴。