高速公路大型預(yù)制堆載場(chǎng)地地基處治方法比選運(yùn)用

苗秋福

（山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司 陽(yáng)泉分公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

隨著高速公路的飛速發(fā)展，高速公路建設(shè)施工技術(shù)和管理水平有了較大的提高，較好地完成了建設(shè)目標(biāo)，但是施工過程中也暴露了施工期間控制能力不足，出現(xiàn)不少的質(zhì)量問題，質(zhì)量通病層出不窮。實(shí)踐證明，推行高速公路標(biāo)準(zhǔn)化施工，加強(qiáng)施工過程監(jiān)控是確保高速公路建設(shè)質(zhì)量的有效措施。標(biāo)準(zhǔn)化施工包括標(biāo)準(zhǔn)化管理、標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝流程、標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制構(gòu)件等等。其中標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制構(gòu)件就需要大型的預(yù)制工廠，統(tǒng)一進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)。為了保證施工的不中斷及預(yù)制施工安全性等，預(yù)制場(chǎng)地本身的安全性尤為重要，其中堆載場(chǎng)地基穩(wěn)定是不可忽視的主要因素之一。

1 堆載場(chǎng)地地基處治目的和作用

地基所面臨的問題主要有以下幾個(gè)方面：a）承載力及穩(wěn)定性問題；b）壓縮及不均勻沉降問題；c）滲漏問題；d）液化問題；e）特殊土的特殊問題。當(dāng)天然地基存在上述五類問題之一或其中幾個(gè)同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，需采用地基處理措施以保證上部結(jié)構(gòu)的安全與正常使用。

2 堆載場(chǎng)地地基處治原理

地基剪切破壞的具體表現(xiàn)形式有建筑物的地基承載力不夠，由于偏心荷載或側(cè)向土壓力的作用使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；由于填土或建筑物荷載，使鄰近地基產(chǎn)生隆起；土方開挖時(shí)邊坡失穩(wěn)基坑開挖時(shí)坑底隆起。地基土的剪切破壞主要因?yàn)榈鼗恋目辜魪?qiáng)度不足，因此，為防止剪切破壞，就需要采取一定的措施提高地基土的抗剪強(qiáng)度，提高地基土的壓縮模量，以減少地基的沉降和不均勻沉降。對(duì)于濕陷性黃土和膨脹土，就是消除或減少黃土的濕陷性或膨脹土的脹縮性。

3 工程概況

某高速公路大型預(yù)制堆載場(chǎng)地，跨度L=24.0 m，柱基礎(chǔ)底面寬度b=4.0 m，基礎(chǔ)埋深d=2.0 m，地基土0～30.0 m為粉質(zhì)黏土、黏土，平均壓縮模量Es=7.0 MPa，30.0 m以下為砂卵石及砂巖層，未見地下水。堆載縱向長(zhǎng)度a=48.0 m，地面堆載荷載q=65.0 kPa，周圍無其他建構(gòu)筑物。

圖1 地面堆載圖（單位：cm）

在地面堆載荷載作用下，柱基內(nèi)側(cè)邊緣處地基必然產(chǎn)生附加沉降，從而影響柱基產(chǎn)生不均勻沉降變形。當(dāng)沉降變形超過一定的限值時(shí)，柱基沉降變形易造成上部結(jié)構(gòu)破壞，給施工人員帶來安全隱患，中斷作業(yè)，從而影響高速公路建設(shè)工期等。

4 沉降變形計(jì)算

為避免柱基在地面堆載作用下出現(xiàn)較大的沉降變形，對(duì)堆載作用下柱基內(nèi)側(cè)邊緣進(jìn)行沉降變形計(jì)算分析。本文柱基內(nèi)側(cè)邊緣中點(diǎn)處地基附加沉降變形按應(yīng)力面積法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算深度取30 m，公式[1]如式（1）：

式中：S為沉降變形量；n為沉降變形深度內(nèi)的土層層數(shù)；p0為基底下的附加應(yīng)力，kPa；Esi為基底下第i層土的壓縮模量，MPa；zi、zi-1為基底下至第i層土、第i-1層土底面的距離，為基底下計(jì)算點(diǎn)至第i層土、第i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)[1]。

根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄N，荷載范圍橫向?qū)挾?4 m，超過柱基寬度4 m的5倍，按5倍荷載柱基礎(chǔ)寬度進(jìn)行計(jì)算分析。荷載柱基礎(chǔ)兩側(cè)地面荷載計(jì)算時(shí)以每段0.5倍基礎(chǔ)寬度為原則劃分為10個(gè)區(qū)間，并計(jì)算等效均布地面堆載。等效均布地面堆載荷載按公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：qep為等效均布地面荷載，kPa；βi為第 i區(qū)間的荷載換算系數(shù)，按建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范查取；qi為荷載柱基內(nèi)側(cè)第i區(qū)間的荷載值，kPa；pi為荷載柱基外側(cè)第i區(qū)間的荷載值，kPa。

根據(jù)a/5b=48/(5×4)=2.5＞1，查建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄N得各個(gè)區(qū)間的換算系數(shù)βi。

等效均布地面荷載計(jì)算為：

計(jì)算荷載柱基內(nèi)側(cè)邊緣中點(diǎn)的沉降變形量時(shí)，將荷載面積48 m×20 m分為兩個(gè)24 m×20 m，總的附加應(yīng)力系數(shù)為小矩形附加應(yīng)力系數(shù)的2倍。附加應(yīng)力系數(shù)見表1。

表1 附加應(yīng)力系數(shù)表

根據(jù)沉降變形計(jì)算公式得荷載柱基內(nèi)側(cè)邊緣中點(diǎn)的沉降變形量為：

查建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范7.5.5表，a=48.0 m，b=4.0 m，地基附加沉降允許值[S'g]=79.0 mm，S'=91.55 mm＞[S'g]=79.0 mm，不滿足規(guī)范要求。

5 沉降處治方案比選

根據(jù)計(jì)算，在地面堆載荷載作用下，柱基內(nèi)側(cè)邊緣中點(diǎn)的附加沉降量大于地基附加沉降允許值，不滿足規(guī)范要求，需對(duì)地基進(jìn)行處理。為了消除地基的附加沉降變形量，擬定3個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選論證，最終確定處理方案。

5.1 堆載預(yù)壓方案

5.2 強(qiáng)夯法方案

強(qiáng)夯法[4-5]又稱動(dòng)力固結(jié)法，可以適用加固各類粉土、砂性土、一般黏性土、黃土等，尤其適應(yīng)加固大塊碎石類土及建筑生活垃圾或工業(yè)廢料組成的雜填土。考慮預(yù)制場(chǎng)地的適宜性，本文強(qiáng)夯法方案采用1 000 kN·m的夯擊能以梅花型布置對(duì)預(yù)制場(chǎng)地基土進(jìn)行夯擊，第一遍夯擊點(diǎn)間距可取夯錘直徑的2.5～3.5倍，第二遍夯擊點(diǎn)應(yīng)位于與第一遍夯擊點(diǎn)之間，夯擊能為600 kN·m。兩遍夯擊之間應(yīng)有一定的時(shí)間間隔，間隔時(shí)間由土中超孔隙水壓力的消散時(shí)間決定，本文無地下水，土質(zhì)含水量較低，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行確定。強(qiáng)夯處理范圍每邊超出柱基外緣寬度3 m。當(dāng)最后兩次夯擊的平均夯擊沉降量小于等于5 cm時(shí)可以停止夯擊，強(qiáng)夯結(jié)束時(shí)間初步估計(jì)為15 d。

5.3 灰土擠密樁方案

灰土擠密樁[6]是由樁間擠密土和灰土樁樁體一起承擔(dān)上部荷載的復(fù)合地基，其能夠較大地提高地基土的承載力特征值和增強(qiáng)地基水穩(wěn)定性。考慮提高地基承載力，減小地基沉降，對(duì)預(yù)制場(chǎng)地地基采用灰土擠密樁進(jìn)行處理。灰土擠密樁樁徑500 mm，樁長(zhǎng)12 m，樁孔呈等邊三角型布置，處理范圍為預(yù)制場(chǎng)地兩側(cè)各加6 m。經(jīng)過灰土擠密樁擠密及置換作用后，樁間土地基承載力特征值得到提高，土的壓縮模量增大，預(yù)制場(chǎng)地基沉降有效減少。考慮樁施工完畢后14～28 d才能進(jìn)行承載力檢測(cè)，故復(fù)合地基方案結(jié)束時(shí)間初步估計(jì)1個(gè)月以上。

6 堆載場(chǎng)地處理方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

堆載預(yù)壓方案優(yōu)點(diǎn)是工程造價(jià)相對(duì)較低、施工方便、技術(shù)要求較低等，缺點(diǎn)是工期長(zhǎng)、處治效果不佳；灰土擠密樁方案優(yōu)點(diǎn)是能夠有效提高地基承載力和壓縮模量，減少地基沉降，處理效果好，缺點(diǎn)是工程造價(jià)高、施工復(fù)雜、工期相對(duì)較長(zhǎng)等；強(qiáng)夯方案優(yōu)點(diǎn)工程造價(jià)相對(duì)較低、施工方便、工期較短，缺點(diǎn)是易對(duì)周圍建筑物產(chǎn)生振動(dòng)影響。

根據(jù)上述地基沉降計(jì)算可知，未處理前地基沉降超高允許沉降約12 mm，要求處理的沉降量較小。預(yù)制場(chǎng)地經(jīng)3種方案處理后均能滿足規(guī)范要求，但灰土擠密樁方案及堆載預(yù)壓方案工程造價(jià)相對(duì)較高、工期較長(zhǎng)，綜合考慮采用強(qiáng)夯方案。

7 處治效果

8 結(jié)語

根據(jù)強(qiáng)夯后沉降變形量計(jì)算結(jié)果可知，采用強(qiáng)夯法處理堆載場(chǎng)地后其沉降變形能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求，有效地節(jié)約了工期，降低了工程成本，保證了工程質(zhì)量，取得了較好的工程效果。強(qiáng)夯法由于其施工方便、工程成本較低，能夠有效減少地基沉降、提高地基的承載力及地基壓縮模量等，現(xiàn)已廣泛用于各類土建工程中，處治效果較好。