粉噴樁處理黃土溝壑區濕軟地基的試驗研究

郭利平,劉軍營,張守一

(陜西省高速公路建設集團公司,陜西 西安 710086)

粉噴樁處理黃土溝壑區濕軟地基的試驗研究

郭利平,劉軍營,張守一

(陜西省高速公路建設集團公司,陜西 西安 710086)

粉噴樁復合地基加固技術作為一種成功的加固方法已在許多軟土地區廣泛應用,但涉及到黃土溝壑區濕軟地基處理的研究較少。以陜北黃土溝壑區某公路為實例,進行粉噴樁復合地基載荷現場試驗,并對加固前后地基土體的變形和強度進行對比分析。得到了地基承載力、樁間土承載力折減系數、樁土應力比、變形模量等有關參數。采用粉噴樁加固處理黃土溝壑區的濕軟地基,可以提高軟土地基的變形模量,從而較大程度的減小路基沉降,提高路基的整體穩定性。

路基工程;粉噴樁;黃土溝壑區;濕軟地基;載荷試驗

0 前 言

關于軟土地基處理,國內外已積累了相當的經驗[1～3]。如粉噴樁復合地基,由于其施工工期短、無公害、施工過程無噪音、不排污等優點,已在軟土地區廣泛應用,并取得良好的加固效果。關于黃土溝壑區濕軟地基,由于工程建設較少,理論研究也相對滯后,目前還沒有相應專著[4～8]。該地區濕軟地基形成于狹長溝谷底部,有著其獨特的工程性質。如形成時間較短,厚度變化大;同一地段土體性質沿深度變化不顯著,但不同地段土體性質差異明顯;土層的變形特性與周圍臨近地基土差異很大等等。目前在對之進行處理時,基本是借鑒其它軟土地區的成功經驗。但是否經濟適用,還有待于進一步的研究和驗證。

鑒于此,本文結合某黃土溝壑區高速公路濕軟地基粉噴樁復合地基處理進行載荷試驗研究,分析加固前后地基土體的強度和變形,為相應理論研究提供一定依據。

1 工程概況

公路沿線位于陜北黃土高原南部,屬典型的黃土臺塬、黃土梁峁及溝壑區,其中公路路線近40 km沿狹長溝底布設,分布有連續性差、層厚變化大及土體性質特殊的濕軟黃土地基。粉噴樁復合地基試樁區線路經過一級階地前緣,路基范圍內右幅壓溝。冬季地表滯水結冰,濕地凍溶泥濘。最大填方高度7.34 m。表層土體為褐黃色低液限黃土狀土Q4pl+al,厚度4.2～6.0 m,欠固結,含鈣質結核,飽和,呈軟塑—流塑狀態,基本物理力學性質指標:天然含水率w=29.5%,天然孔隙比e=0.887,液性指數IL=0.84,壓縮系數a=0.32,容許承載力[σ0]=50～70 kPa;下部為泥巖,容許承載力[σ0]＞220 kPa。地下水有一定埋深。Q4pl+al土質不均,結構疏松,工程性能差。

設計方案中對厚度大于4 m的濕軟地基進行粉噴樁復合地基處理。施工選用PH-5A型粉噴樁機,攪拌軸長18 m,攪拌葉片直徑50 cm,動力頭功率37kW。復合地基相應設計參數如下:樁長5.0～7.0m,樁徑50 cm,加固劑為325號普通硅酸鹽水泥,水泥摻入比15%,水泥土強度2.0MPa(90 d齡期),施工時水泥摻入量50 kg/m,停灰面以下對樁身上部1/2范圍內進行復攪,有效復攪深度3.5 m。樁按梅花形布置,間距1.0 m,面積置換率為24%。

2 現場地基載荷試驗

在試樁區分別進行天然地基、樁間土、單樁以及單樁復合地基載荷試驗。水泥土齡期大于25 d。試驗方法采用慢速維持荷載法。壓板底高程同設計標高。對天然地基,分別進行壓板面積為0.071、0.196、0.817 m2的載荷試驗,對樁間土分別進行壓板直徑為0.071、0.196 m2的載荷試驗,每種情況進行三組平行試驗,以分析壓板尺寸對地基承載力的影響。單樁載荷試驗壓板面積同單樁,為0.196 m2,單樁復合地基載荷試驗壓板直徑根據面積置換率確定,為0.817 m2。試驗過程中加卸荷及測讀程序的標準,成果曲線及荷載的判定均以《建筑地基處理技術規范》(JGJ79-2002)為依據。

載荷試驗結果見表1。載荷試驗P-S曲線見圖1。圖1中天然地基和樁間土載荷試驗曲線中由內至外分別為0.071、0.196、0.817 m2和 0.071、0.196 m2壓板對應試驗曲線,因同一壓板尺寸下的各組試驗數據相差甚微,為清楚反映壓板尺寸對地基承載力的影響,這兩類試驗的P-S曲線已用平均值表示。

表1 載荷試驗數據匯總表

3 試驗資料分析

3.1 復合地基承載力

如圖1,溝壑區濕軟地基粉噴樁復合地基承載力仍由樁體和樁間土共同承擔,符合其它軟土地區復合地基中樁與樁間土的受力原理,承載力可按下式求得:

式中:fsp、fp、fs分別為復合地基、粉噴樁單樁和樁間天然地基的承載力標準值,可根據現場載荷試驗確定;Ap為粉噴樁單樁截面積;m為粉噴樁的面積置換率;β為樁間土承載力折減系數。

以下分析中均按S-lgP曲線拐點確定的特征值進行。

圖1 載荷試驗P-S曲線

3.2 樁間土承載力

在對復合地基承載力進行理論分析時,常用天然地基承載力代替樁間土承載力,實際上經粉噴樁復合地基處理后,樁間土承載力將得到一定程度的加強。如表1、圖1所示,壓板面積為0.071 m2時,增加1.5倍(84.5 kPa/56.3 kPa);壓板面積為0.196 m2時,增加 1.3倍(91.8 kPa/68.9 kPa)。說明處理后,地基土體的強度得到加強。

隨承載板面積的增大,地基承載力標準值也相應增大,說明承載板的寬度將影響承載力結果。其工程意義在于載荷試驗中承載板的影響深度問題。根據表1中的數據,隨承載板面積的增大,承載力增大,引起的沉降也增大,由于試驗中所用的承載板寬度比路基寬度要小,所以試驗數據必然偏小,在施工設計過程中應注意到這一點,尤其當有軟弱下臥層時。

3.3 樁間土承載力折減系數β

樁間土承載力折減系數β是反映樁土共同工作的一個重要參數。β值的確定是各種復合地基所遇到的一個復雜問題。在具體應用時,常根據個人經驗選用,顯然會給設計和計算帶來一定誤差。本文根據粉噴樁單樁和復合地基載荷試驗資料的對比分析,反算求得β值(樁間土承載力取壓板面積為0.817 m2時的天然地基承載力,即73.4 kPa)。由公式(1),β值可按下式計算:

式中字母意義同公式(1)。求得 β=0.16。據文獻[1],系數β按下述規定取值:當樁端土未經修正的承載力特征值大于樁周土的承載力特征值的平均值時,可取0.1～0.4,差值大時取低值;當樁端土的未經修正的承載力特征值小于或等于樁周土的承載力特征值的平均值時,可取0.5～0.9,差值大時或設置褥墊層時均取高值。對于黃土山區溝壑地帶,由于硬層一般埋藏較淺,常屬于第一種情況,即β=0.1～0.4,因此,本文結果符合規范規定。

3.4 樁土應力比n

式中:n為樁土應力比,表示粉噴樁復合地基受力時樁體與樁間土所承擔的荷載之比,其它字母意義同前。根據公式(3),確定樁間土承載力折減系數β后,即可由復合地基,天然地基的相應承載力試驗值求得樁土應力比n。

求得n=8,按設計置換率及復合地基試驗資料,每平方米樁體承擔荷載140.82 kPa,樁間土承擔荷載 9.18 kPa,樁體面積只占24%卻分擔94%(140.82 kPa/150 kPa)的荷載,76%的樁間土面積承擔6%(9.18 kPa/150 kPa)的荷載,可見樁體承擔絕大部分荷載。

精確的樁土應力比應由試驗確定,本文中計算得出的樁土應力比只做定性分析參考。

樁土應力比是復合地基樁土共同承擔荷載的另一重要指標。將公式(1)變形,簡化后得到

3.5 變形模量

根據載荷試驗可確定地基的變形模量。公式如下:

式中:Es為變形模量(kPa);ω為表示壓板形狀的系數,方形壓板取0.88,圓形壓板取0.79;μ為土體泊松比,對粘土取0.42;p0為載荷試驗曲線上直線段終點對應荷載(kPa);s為載荷試驗曲線上p0對應沉降(cm);B為壓板直徑或邊長(cm)。

求得天然地基、樁間土以及復合地基的變形模量,見表1。對比天然地基與復合地基變形模量試驗值可見,粉噴樁復合地基加固后,天然地基的變形能力得到很大提高;同樣,由天然地基與樁間土變形模量試驗值,加固后不僅整個復合地基變形能力得到提高,而且地基土體做為復合地基的一部分,變形能力也得到加強。

4 結 語

通過以上分析可得到如下結論:

(1)黃土溝壑區粉噴樁復合地基承載力由樁體與地基土共同承擔,承載力標準值可按規范推薦公式計算。粉噴樁處理后,樁間土強度和剛度都得到加強,應進一步進行提高幅度的定量研究,以使設計更加經濟合理。承載板尺寸對承載力數值有一定影響,應考慮到載荷試驗結果比實際結果偏小。

(2)對樁間土承載力折減系數β,在黃土溝壑區,粉噴樁大多屬于摩擦支撐樁,β=0.1～0.4,本次試驗結果取其為0.16。

(3)粉噴樁復合地基的樁土應力比應通過試驗確定。上述通過計算確定得樁土應力比為8,可知復合地基中樁體承受絕大部分荷載。

(4)粉噴樁加固溝壑取濕軟地基,可以提高軟土地基的變形模量,從而較大程度的減小路基沉降,提高路基的整體穩定性。適合于處理溝壑區黃土濕軟地基。

[1]JGJ79-2002.建筑地基處理技術規范[S].北京:中華人民共和國建設部,2002.

[2]地基處理手冊編寫委員會.地基處理手冊(第二版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2000.

[3]南京水利科學研究院土工研究所.土工試驗技術手冊[M].北京:人民交通出版社,2002.

[4]葉萬軍,張永剛.基于模糊相似優先比的軟基沉降預測方法[J].水利與建筑工程學報,2007,5(3):7-10.

[5]折學森.軟土地基沉降計算[M].北京:人民交通出版社,1998.

[6]葉觀寶,司明強,趙建忠,等.高速公路沉降預測的新方法[J].同濟大學學報(自然科學版),2003,31(5):540-543.

[7]周煥云,黃曉明.高速公路軟土地基沉降預測方法綜述[J].交通運輸工程學報,2002,2(4):7-10.

[8]張慧梅,李云鵬,毛 成.人工神經網絡在軟土地基路基沉降預測中的應用[J].長安大學學報(自然科學版),2002,22(4):20-22.

Test Research on Application of Dry Jet Mixing Pile(DJMP)in Soft Soil Foundation in Loess Ravine Region

GUO Li-ping,LIU Jun-ying,ZHANG Shou-yi
(Shaanxi Expressway Construction Group Company,Xi'an,Shaanxi710086,China)

As a successful method,the dry jet mixing pile(DJMP)has been widely used to treat the soft soil foundation in many areas.Here,taking the construction of a certain highway in a loess ravine region for example,the field loading test is made for the composite foundation with DJMP,and the deformation and strength of the soil masses in the foundation before and after reinforcing are compared and analyzed,at last,some parameters are obtained,such as the foundation bearing capacity,the reducing coefficient of the soil bearing capacity between the piles,the stress ratio between the piles and soil,the deformation modulus and so on.The results show that this method could increase the deformation modulus,decrease the settlement and strengthen the stability of soft soil foundations.

subgrade engineering;DJMP;loess ravine region;soft soil foundation;loading test

U416.1

A

1672—1144(2010)02—0077—03

2009-12-07

2010-01-13

郭利平(1968—),男(漢族),山西河曲人,高級工程師,主要從事公路工程的研究及管理工作。