長(zhǎng)塑料排水板聯(lián)合短攪拌樁加固深厚軟土地基試驗(yàn)研究

陳尚勇

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

將塑料排水板和攪拌樁聯(lián)合起來(lái)處理軟土地基是地基處理的一種新方法，一般有兩種處理工法:一種是塑料排水板和攪拌樁間隔布置，兩者處理深度一致，即“2D”工法，劉松玉等［1-4］對(duì)該工法做了細(xì)致研究;二是塑料排水板與攪拌樁間隔布置，但是塑料排水板的處理深度大于攪拌樁的處理深度，即“長(zhǎng)板+短樁”工法，葉官寶等［5-10］對(duì)該工法進(jìn)行了研究。目前，在鐵路軟土地基加固中采用塑料排水板聯(lián)合攪拌樁技術(shù)還處于探索階段，中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司在甬臺(tái)溫鐵路中［11］進(jìn)行了長(zhǎng)塑料排水板聯(lián)合短攪拌樁處理深厚海相軟土地基的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明地基的工后沉降仍然較大。本文開(kāi)展的長(zhǎng)塑料排水板聯(lián)合短攪拌樁試驗(yàn)研究［12］，處理對(duì)象不同于前面文獻(xiàn)所述純軟土地基，短攪拌樁用來(lái)處理淺層松軟的粉質(zhì)黏土、粉土，以提高地基承載能力，加快施工進(jìn)度，又不致產(chǎn)生較大的刺入變形;深層軟土地基采用長(zhǎng)塑料排水板處理，形成排水通道，加快軟土固結(jié)變形。

1 試驗(yàn)工點(diǎn)概況

試驗(yàn)工點(diǎn)位于京滬高速鐵路虹橋動(dòng)車(chē)所北咽喉北端高速動(dòng)車(chē)進(jìn)段線(xiàn)，路堤高0.5～2.8 m，位于深厚軟土地基。考慮到排水固結(jié)法穩(wěn)定問(wèn)題及工后沉降控制效果，以及深厚軟土地基“懸浮攪拌樁”的工后沉降較大的問(wèn)題，在該段采用了長(zhǎng)塑料排水板聯(lián)合短攪拌樁的方式處理地基，以求達(dá)到既減少地基總沉降，增加淺層地基的承載力和穩(wěn)定性，又加快深層地基土的固結(jié)，減小工后沉降的目的。

1.1 工程地質(zhì)條件

試驗(yàn)工點(diǎn)處濱海沖-海積平原區(qū)，地層為第四系地層，軟土發(fā)育，地層如下:①人工雜填土，雜色，松散，稍濕;②粉質(zhì)黏土，褐灰色，軟塑;③粉土，灰色，稍密，飽和，夾薄層黏性土;④淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，灰色，流塑;⑤粉質(zhì)黏土，灰色，軟塑。地基土物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 地基土基本物理力學(xué)參數(shù)

1.2 地基處理方案

設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)塑料排水板聯(lián)合短攪拌樁進(jìn)行地基處理。塑料排水板長(zhǎng)20.0 m，間距1.2 m，正方形布置;攪拌樁長(zhǎng)8.0 m，間距1.2 m，正方形布置，采用 P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥摻入比≥15%。試驗(yàn)段地基處理設(shè)計(jì)示意見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)段地基處理平面示意(單位:m)

地基處理施工完畢，攪拌樁28 d齡期鉆芯取樣檢測(cè)結(jié)果，所有試樣的抗壓強(qiáng)度為1.12～1.51 MPa，平均抗壓強(qiáng)度為1.29 MPa;復(fù)合地基荷載試驗(yàn)結(jié)果，地基承載力為172～270 kPa，平均為216 kPa，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

2.1 地基表面沉降

兩個(gè)斷面監(jiān)測(cè)得到的荷載-時(shí)間-沉降變化曲線(xiàn)如圖2所示。至2010年7月16日，GDJK3+535斷面樁頂最大沉降量為105 mm(C1-1)，樁間土最大沉降量為116 mm(C1-2);GDJK3+570斷面樁頂最大沉降量為78 mm(C2-3)，樁間土最大沉降量為85 mm(C2-4)。2010年1月5日預(yù)壓土開(kāi)始卸載后，沉降速率大大減小，至2月，部分沉降板監(jiān)測(cè)的沉降發(fā)生回彈，回彈量1～4 mm;3月以后，沉降基本穩(wěn)定。

圖2 荷載-時(shí)間-沉降變化曲線(xiàn)

橫向，樁間土沉降出現(xiàn)中間大、兩邊小的盆形沉降，但路肩和路基中心相差甚小，其差異沉降率(中心-路肩沉降差與距離的比值)為0.18% ～0.39%，遠(yuǎn)比單純塑料排水板處理地基的小，表明經(jīng)攪拌樁處理后，可以大大減小地基橫向不均勻沉降，這對(duì)防止路堤填料開(kāi)裂、提高路堤填筑質(zhì)量，保證砂墊層中水的順利排出是非常有利的。

2.2 樁土差異沉降

分別將測(cè)試斷面對(duì)應(yīng)的3對(duì)樁、土沉降標(biāo)的沉降量取差值，可得到各斷面各代表位置的樁土差異沉降量，如圖3所示。樁土差異沉降主要發(fā)生于上部填土的施工時(shí)期，填筑完成以后，樁土差異沉降趨于穩(wěn)定，此時(shí)，樁與樁間土將共同承擔(dān)上部填土荷載。GDJK3+535斷面樁土差異沉降最大值約為11 mm，GDJK3+570斷面最大差異沉降量約為14 mm，最終穩(wěn)定在5～10 mm。

圖3 荷載-時(shí)間-樁土差異沉降曲線(xiàn)

2.3 深層沉降

在測(cè)試斷面中心位置布置深層沉降管，進(jìn)行地基深層沉降觀測(cè)，兩斷面各埋設(shè)深層沉降環(huán)22個(gè)，監(jiān)測(cè)得到的深層沉降曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。GDJK3+535斷面0 m深度磁環(huán)最大沉降值為115 mm，相對(duì)應(yīng)樁間土沉降板C1-4的沉降量為103 mm;GDJK3+570斷面深0 m深度磁環(huán)最大沉降值為97 mm，相對(duì)應(yīng)樁間土沉降板C2-4沉降值為85 mm。0 m深度磁環(huán)測(cè)出的沉降量與地表沉降量基本相當(dāng)，其測(cè)量值與沉降板的測(cè)量結(jié)果比較接近，兩種測(cè)試方法沉降測(cè)試較吻合。

從時(shí)間方面看，隨著時(shí)間的推移，各深度的沉降速率逐漸減小，卸載后深層沉降曲線(xiàn)基本重合，表明地基土深部的沉降已基本穩(wěn)定;GDJK3+570斷面卸載后還發(fā)生了回彈現(xiàn)象，回彈量2～6 mm。

圖4 深層沉降曲線(xiàn)

兩個(gè)斷面反映出的深層沉降規(guī)律基本一致。在攪拌樁加固深度范圍(8 m)內(nèi)，土體壓縮量較小，分別為12.1、7.5 mm，占總沉降的10.5%、7.7%，表明攪拌樁加固范圍內(nèi)形成了復(fù)合地基，該區(qū)域的抗變形能力有較大提高。攪拌樁深度以下排水板深度范圍內(nèi)(8～20 m)，土體各深度的沉降量隨著深度的增加而減小。GDJK3+535斷面該范圍內(nèi)的沉降量為65.9 mm，占總沉降的57.3%，GDJK3+570斷面該范圍內(nèi)的沉降量為59.5 mm，占總沉降的61.4%。排水板深度以下土體的壓縮量，GDJK3+535斷面該范圍內(nèi)的沉降量為37 mm，占總沉降的32.2%，GDJK3+570斷面該范圍內(nèi)的沉降量為30 mm，占總沉降的30.9%。地基深層各部分沉降量占總沉降量的比例匯總見(jiàn)表2。

2.4 水平位移

在GDJK3+535斷面右側(cè)和GDJK3+570斷面左側(cè)分別埋設(shè)水平位移監(jiān)測(cè)管各一根，測(cè)試水平位移值見(jiàn)圖5。

表2 深層沉降占總沉降比例

從圖5中可以看出，水平位移主要產(chǎn)生于塑料排水板加固區(qū)，GDJK3+535斷面最大水平位移值為14.0 mm，深度為地表以下14 m處;GDJK3+570斷面最大水平位移值為12.2 mm，深度為地表以下10 m處。處理后，地基的側(cè)向變形很小，由側(cè)向剪切變形引起的附加沉降量也將大大減小。

圖5 水平位移曲線(xiàn)

2.5 超孔壓

超孔壓的消散可以反映深部土體在路堤荷載作用下的固結(jié)過(guò)程，在測(cè)試斷面布置孔隙水壓力計(jì)，孔壓計(jì)的埋設(shè)間距2 m。圖6為測(cè)試斷面荷載-時(shí)間-超孔壓變化曲線(xiàn)。總體來(lái)講，各測(cè)點(diǎn)的超孔壓都比較小，最大只有31.5 kPa，遠(yuǎn)小于相應(yīng)位置的附加應(yīng)力，說(shuō)明排水板的排水效果良好。比較而言，④層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中的超孔壓相比其他位置要大一些。GDJK3+535斷面超孔壓在14、16 m和18 m深度處較大，最大值為18.2 kPa;GDJK3+570斷面的超孔壓在16、18 m和20 m深度處較大，最大值為31.5 kPa。在攪拌樁加固范圍，超孔壓很小，在10 kPa以?xún)?nèi)，除了排水板的排水作用以外，還因?yàn)楹奢d很大一部分由攪拌樁承擔(dān)，土體僅承受部分附加應(yīng)力的緣故。

圖6 荷載-時(shí)間-超孔壓變化曲線(xiàn)

根據(jù)塑料排水板處理區(qū)孔隙水壓力的測(cè)試結(jié)果，可以計(jì)算該區(qū)的固結(jié)度。圖7為測(cè)試斷面塑料排水板處理區(qū)超孔隙水壓力/附加應(yīng)力-深度曲線(xiàn)，據(jù)此可以計(jì)算超孔壓面積和附加應(yīng)力面積。附加應(yīng)力按Boussinesq解，固結(jié)度等于有效應(yīng)力面積與附加應(yīng)力面積的比值。經(jīng)計(jì)算，填筑到位時(shí)，排水板加固區(qū)綜合固結(jié)度約為80%;預(yù)壓2.7個(gè)月后，塑料排水板加固區(qū)綜合固結(jié)度達(dá)到88%左右，處理效果良好。

2.6 樁土壓力比

在測(cè)試斷面布置土壓力計(jì)來(lái)對(duì)土體進(jìn)行土壓力觀測(cè)，在每一斷面各埋設(shè)了6個(gè)土壓力盒(樁頂3個(gè)，樁間3個(gè))。圖8為各組土壓力盒編號(hào)的示意。

圖9為荷載-時(shí)間-樁土應(yīng)力曲線(xiàn)。在上部填土荷載作用下，樁頂上的土壓力明顯大于樁周土所承受的土壓力。在監(jiān)測(cè)開(kāi)始時(shí)，樁頂和樁間土上的土壓力同時(shí)提高，樁頂上的土壓力提高速率更快。當(dāng)上部填土施工完成時(shí)，樁頂與樁周土上的土壓力都不再發(fā)生變化，樁土應(yīng)力比基本保持在一個(gè)定值。上部填土荷載卸除后，樁頂和樁間土的壓力又會(huì)減小。

圖7 超靜孔隙水壓力/附加應(yīng)力-深度曲線(xiàn)

圖8 土壓力盒編號(hào)示意

經(jīng)計(jì)算分析，各斷面的樁土應(yīng)力比隨路堤填筑高度增加而增大，在上部填土完畢后，樁土應(yīng)力比基本趨于穩(wěn)定，說(shuō)明填筑時(shí)荷載主要先由樁承擔(dān)，隨著樁、土、土工格柵變形的協(xié)調(diào)，荷載逐漸向土體轉(zhuǎn)移。填筑到位后，樁土應(yīng)力比基本穩(wěn)定，形成了穩(wěn)定的復(fù)合地基。表3為樁土應(yīng)力比統(tǒng)計(jì)表，樁土應(yīng)力比變化范圍為1.3～3.1，平均2.1左右。

表3 樁土應(yīng)力比統(tǒng)計(jì)

3 沉降計(jì)算方法

3.1 總沉降計(jì)算方法

總沉降計(jì)算時(shí)，攪拌樁復(fù)合地基及下臥層中的附加應(yīng)力均按Boussinesq解，攪拌樁加固區(qū)壓縮模量取復(fù)合模量(攪拌樁Es取80 MPa)，沉降計(jì)算方法采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的分層總和法，沉降計(jì)算深度取至附加應(yīng)力為自重應(yīng)力0.2倍處。為更直觀地反映各層沉降對(duì)總沉降的貢獻(xiàn)大小，對(duì)每層按壓縮模量分別取沉降修正系數(shù)。地基各層理論計(jì)算沉降與實(shí)測(cè)推算沉降對(duì)比見(jiàn)表4，理論計(jì)算值地基土的沉降主要發(fā)生在塑料排水板加固區(qū)，其次為下臥層，攪拌樁+塑料排水板加固區(qū)的沉降量很小。

圖9 荷載-時(shí)間-樁土應(yīng)力變化曲線(xiàn)

表4 路堤+預(yù)壓荷載作用下地基各層理論計(jì)算沉降與實(shí)測(cè)推算沉降對(duì)比

圖10為GDJK3+535斷面分層沉降理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)推算值比較，由圖10可知，理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)推算值的主要差別在于塑料排水板處理區(qū)的沉降，理論值約為實(shí)測(cè)推算值的約2倍左右，這主要是由于攪拌樁復(fù)合地基的限制作用，致使該層的水平位移很小，由橫向剪切變形引起的附加沉降較小。因此，建議該層的沉降量取《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》理論計(jì)算值的50%。

圖10 GDJK3+535斷面分層理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)推算值比較

3.2 工后沉降計(jì)算方法

工后沉降的計(jì)算，需要計(jì)算預(yù)壓土卸載時(shí)地基土沉降完成的比例。攪拌樁+塑料排水板加固區(qū)屬于復(fù)合地基，加上淺層孔隙水容易排出，在超載預(yù)壓的情況下，可將總沉降的0～10%作為殘余沉降計(jì)入工后沉降。

塑料排水板處理區(qū)，按塑料排水板排水固結(jié)理論計(jì)算，預(yù)壓3個(gè)月后塑料排水板加固區(qū)的綜合固結(jié)度為96.1%，按實(shí)測(cè)孔隙水壓力反算的綜合固結(jié)度為88%，可將總沉降的10%～20%作為殘余沉降計(jì)入工后沉降。

下臥層內(nèi)部無(wú)排水通道，預(yù)壓期完成的固結(jié)度很小，可將下臥層總沉降的90～100%計(jì)入工后沉降。

4 結(jié)論

(1)GDJK3+535、GDJK3+570測(cè)試斷面，荷載大小分別為104.5、95.0 kPa，樁間土最大沉降量為116、85 mm，沉降控制效果良好。

(2)樁土差異沉降5～10 mm;攪拌樁深度以下排水板深度范圍內(nèi)沉降量為地基主要沉降變形區(qū)域;水平位移主要產(chǎn)生于塑料排水板加固區(qū)，最大水平位移值分別為14.0 mm和12.2 mm;超孔隙水壓力主要產(chǎn)生于地基土體的④層——淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，預(yù)壓2.7個(gè)月后，塑料排水板加固區(qū)綜合固結(jié)度達(dá)到88%左右，處理效果良好。

(3)測(cè)試斷面的樁土應(yīng)力比隨路堤填筑高度增加而增大，樁土應(yīng)力比變化范圍為1.3～3.1，平均樁土應(yīng)力比為2.1左右，與以往測(cè)試攪拌樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比基本一致。

(4)總沉降計(jì)算方法采用分層總和法并乘以相應(yīng)修正系數(shù)，其中攪拌樁+塑料排水板處理區(qū)的壓縮模量取樁土復(fù)合模量，塑料排水板處理區(qū)沉降量取理論值的50%;超載預(yù)壓3個(gè)月以上的情況下，建議各層總沉降按以下殘余沉降比例計(jì)入工后沉降:攪拌樁處理區(qū)0～10%，攪拌樁+塑料排水板處理區(qū)10% ～20%，下臥層90% ～100%。

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