剛?cè)嵝蚤L短樁處理高速公路軟土地基的應(yīng)用研究

岳建東

(河北省高速公路邢衡籌建處)

1 引言

復(fù)合地基處理技術(shù)自20世紀60年代提出以來，以其良好的應(yīng)用效果，得到廣泛發(fā)展。多元復(fù)合地基應(yīng)用技術(shù)是基于復(fù)合地基理論及應(yīng)用研究發(fā)展而產(chǎn)生的，它解決了單一樁型復(fù)合地基難以同時滿足特殊地基承載力和變形要求的缺陷，豐富了復(fù)合地基處理技術(shù)，鄭俊杰曾對多元復(fù)合地基的承載力計算及檢測方法進行研究。長短樁復(fù)合地基作為多元復(fù)合地基的一種類型，以其設(shè)計的靈活性、處理效果明顯性和經(jīng)濟性而得到廣泛引用，長樁以控制沉降為主，一般選用剛性樁，短樁作用為提高淺層地基承載力，多為柔性樁，因此又可稱之為剛?cè)嵝蚤L短樁復(fù)合地基。馬驥曾提出長短樁復(fù)合地基的設(shè)計思想，對長短樁復(fù)合地基的承載力及變形的計算方法進行了介紹，并對設(shè)計中的有關(guān)參數(shù)進行了分析。閆明禮對多樁型復(fù)合地基及復(fù)合模量的基本概念進行了討論，并提出了多樁型復(fù)合地基承載力及變形的計算方法。徐日慶曾以某七層建筑地基處理為依托，通過現(xiàn)場試驗及有限元分析等手段，對剛?cè)嵝詷稄?fù)合地基工程特性及設(shè)計計算理論進行了系統(tǒng)研究。

2 工程概況

邢衡高速公路一期工程包括棗園樞紐互通段和衡水南繞城段，全長18.684 km。本項目跨越衡水湖湖泊相軟土地區(qū)，地基土體具有孔隙率高，含水率大，壓縮性大，承載力低等特點，因此，如何采用合理有效的地基處理方法解決湖泊相軟土地基引起的高速公路路基工后沉降過大的問題，成為工程建設(shè)的重點。針對這一問題，選取ZK2+030～ZK2+407里程段作為試驗段，包括橋頭10 m、過渡段20 m、路基段347 m，提出采用剛?cè)嵝蚤L短樁復(fù)合地基處理技術(shù)進行處理。

3 設(shè)計思路

3.1 作用機理

(1)剛性長樁作用。通過在復(fù)合地基中設(shè)置剛性長樁，分擔(dān)基礎(chǔ)底部的作用荷載，提高地基承載力;同時由于剛性長樁具有良好的應(yīng)力傳遞性，可將地基上部應(yīng)力沿樁體向地基深處傳遞，減小地基上部土體的壓縮變形，達到控制沉降的目的。

圖1 剛?cè)嵝蚤L短組樁復(fù)合地基示意圖

(2)柔性短樁作用。通過在地基淺層設(shè)置柔性短樁，提高上部地基樁體置換率，以承受地基上部較大的附加應(yīng)力，提高淺層地基的承載力;柔性短樁的設(shè)置還提高了淺層復(fù)合地基的壓縮模量，有利于減小淺層地基的壓縮變形。

(3)褥墊層作用。褥墊層的主要作用為保證樁與樁間土共同承擔(dān)荷載、調(diào)整樁土荷載分擔(dān)比、減少基礎(chǔ)底部的應(yīng)力集中、調(diào)整樁土水平荷載的分擔(dān)。

(4)下臥層作用。下臥層作為剛性長樁的持力層，承受由剛性長樁傳遞的荷載，與上部樁體及褥墊層共同參與復(fù)合地基的工作。作為復(fù)合地基的下端持力層，該土層承載力及壓縮模量的大小對復(fù)合地基整體工作性狀具有重要影響。

3.2 設(shè)計方法

(1)布樁形式。一般常用的布樁形式有三角形布樁、正方形布樁等，由于正方形布樁形式具有受力分析簡單明確、布置方便、利于施工的特點，本設(shè)計采用該種布樁形式，剛?cè)嵝蚤L短樁的組合形式為一根剛性長樁周邊配置八根柔性短樁，如圖2所示。

(2)樁型的選擇。為保證良好的應(yīng)力傳遞性，達到控制沉降的目的，剛性長樁通常選用剛度較好的摩擦型樁，一般可用CFG樁、素混凝土樁、預(yù)制管樁等。由于CFG樁具有施工工藝成熟、成樁效果好等特點，本設(shè)計將剛性長樁樁型選定為CFG樁。

圖2 剛?cè)嵝蚤L短樁組合形式示意圖

由于短樁以提高上部樁體置換率，提高淺層復(fù)合地基承載力為主，一般采用強度較低的柔性樁體，如水泥土攪拌樁、灰土樁、碎石樁等。針對試驗段地基上部土層含水量大、地下水位較高的特點，本設(shè)計采用灰土中摻入鋼渣形成鋼渣灰土材料，通過夯實擠密成樁對上部地基進行處理，以達到提高地基承載力、加速地基土體固結(jié)的目的。

(3)樁長的確定。剛?cè)嵝蚤L短樁的樁長應(yīng)由實際地基土層的分布特點分別確定。通過分析該段工程地質(zhì)勘察資料，該段地基土層在6～9 m處存在中砂土層，承載力較好，在9～10.5 m處存在高液限粘土層，壓縮系數(shù)較高，承載力較差，下部又為較好土層，具體土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。根據(jù)該段土層特點，選定柔性短樁樁長為8 m，將中砂土層作為柔性短樁的樁端持力層，以提高淺層地基的承載力;選定剛性長樁樁長為12 m，使其樁體穿過高液限軟弱土層，將樁端落于下部較好的持力層，以減小高液限軟弱土層的壓縮變形，達到控制沉降的目的。

表1 各土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標

(4)樁徑的確定。由于一般高速公路路基荷載較小，對于地基承載力的要求不高，因此，用于地基處理的樁體樁徑較小，同時由于施工工藝及設(shè)備的限制，一般樁徑選為0.4～0.5 m。本設(shè)計選定剛性長樁樁徑為0.4 m，柔性短樁樁徑為0.50 m。

(5)樁間距的選取。由于本設(shè)計采取變樁間距的設(shè)計方法，根據(jù)相應(yīng)規(guī)范中多樁型復(fù)合地基承載力估算公式及變形計算公式對剛?cè)嵝蚤L短樁復(fù)合地基置換率進行設(shè)計，確定出滿足橋頭過渡段及路基段設(shè)計要求的剛?cè)嵝蚤L短樁的樁體置換率，進一步計算得出各段滿足要求的樁間距，橋頭、過渡段、路基段樁間距分別為1.2 m、1.4 m、1.5 m。

(6)褥墊層設(shè)計。剛性樁與柔性樁組合的復(fù)合地基中，墊層的厚度宜取復(fù)合地基剛性樁直徑的二分之一，墊層材料主要以碎石墊層、灰土墊層、土工格柵加筋墊層為主。根據(jù)本試驗段實際工況，本設(shè)計選用厚度為30 cm的6%灰土墊層。

4 現(xiàn)場檢測試驗

4.1 靜載試驗數(shù)據(jù)分析

圖3、圖4分別為CFG樁和鋼渣灰土擠密樁的單樁承載力靜載試驗數(shù)據(jù)，CFG樁、鋼渣灰土樁單樁最大試驗荷載分別為600 kN、320 kN，根據(jù)相應(yīng)規(guī)范中單樁承載力特征值的確定方法，取鋼渣灰土樁單樁承載力特征值為160 kN，CFG樁單樁承載力特征值為300 kN。根據(jù)相應(yīng)規(guī)范中多樁型復(fù)合地基承載力特征值計算公式，以一般路基段(S=1.5 m)為例，對剛?cè)嵝蚤L短樁復(fù)合地基承載力特征值進行計算:

剛性長樁面積置換率

m1=Ap1/Ae=3.14×0.22/3×3=0.014

柔性短樁面積置換率

m2=Ap2/Ae=3×3.14×0.252/3×3=0.065

剛性長樁、柔性短樁的單樁承載力發(fā)揮度及樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)根據(jù)等變形準則并參考當?shù)毓こ探?jīng)驗選取。則剛?cè)嵝蚤L短樁復(fù)合地基承載力特征值為

fspk1×300/0.125 6+0.065×1×160/0.196+0.8×(1-0.014-0.065)×100=160.18 kPa＞130 kPa，滿足設(shè)計值要求。

用相同計算方法算得橋頭、過渡段試驗段剛?cè)嵝蚤L短樁復(fù)合地基承載力分別為203.58 kPa、172.15 kPa，均滿足設(shè)計值要求。

4.2 樁間土重型動力觸探試驗數(shù)據(jù)分析

圖5為天然地基土體及1.2 m、1.4 m、1.5 m樁間距下長短樁中心處樁間土體重型動力觸探試驗數(shù)據(jù)曲線圖。

(1)不同樁間距下樁間土與原土相比，均表現(xiàn)出不同的擠密效果，地基土體承載力均有明顯提高。

圖3 CFG樁單樁靜載試驗Q-s曲線

圖4 鋼渣灰土擠密樁單樁靜載試驗Q-s曲線

(2)隨樁間距不斷增大，樁間土擠密效果隨深度發(fā)生不均勻變化，1.2 m樁間距下的樁間土較1.4 m、1.5 m樁間距下樁間土整體擠密效果均勻。

圖5 重型動力觸探數(shù)據(jù)曲線圖

5 結(jié)語

(1)針對邢衡高速公路衡水湖湖泊相軟土地基提出了剛?cè)嵝蚤L短樁復(fù)合地基的處理方法，并對該復(fù)合地基的作用機理及設(shè)計方法進行了詳細介紹。

(2)通過對處理后28 d的復(fù)合地基進行長短樁的單樁承載力靜力載荷試驗，并對剛?cè)嵝蚤L短樁復(fù)合地基承載力進行了計算，計算結(jié)果滿足設(shè)計要求，施工效果良好。剛?cè)嵝蚤L短樁復(fù)合地基單位處理面積較大，復(fù)合地基承載力難以采用直接有效的方法進行檢測這一問題，有待于進一步研究。

(3)樁間土重型動力觸探數(shù)據(jù)表明，樁間土整體擠密效果良好，隨深度的變化，樁間土承載力提高幅度逐漸變大;樁間距變大使得樁間土的整體擠密效果略顯不均勻，但相對與原土比較，承載力均有明顯提高。說明選取鋼渣灰土擠密樁作為柔性短樁處理上部地基是有效可行的。

［1］ 鄭俊杰，袁內(nèi)鎮(zhèn).多元復(fù)合地基的承載力計算方法及檢測方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2001，20(3):391-393.

［2］ 馬驥，張東剛.長短樁復(fù)合地基設(shè)計計算［J］.巖土工程技術(shù)，2001，17(12).

［3］ 閆明禮，王明山.多樁型復(fù)合地基設(shè)計計算方法討論［J］.巖土工程學(xué)報，2003，24(3).

［4］ 朱奎，徐日慶.剛-柔性樁復(fù)合地基［M］.北京.化學(xué)工業(yè)出版社，2007.