水泥攪拌樁在軟基工程中的應(yīng)用研究

李 偉 史宏彥

(1.廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心 揭陽(yáng) 522000； 2.廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 廣州 510080)

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

揭陽(yáng)至惠來(lái)高速公路(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“揭惠高速”)在樁號(hào)K24+230處與廈深鐵路交叉。目前廈深鐵路已通車(chē)。廈深鐵路梁底標(biāo)高為珠江基準(zhǔn)高程8.75 m左右，高速公路的凈空要求需達(dá)到5.0 m以上，揭惠高速公路的路基設(shè)計(jì)標(biāo)高為2.65～2.95 m，必須留足高速公路凈空要求，凈空不足將影響高速公路的行車(chē)安全及廈深鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。北港運(yùn)河河堤與廈深鐵路較近，且河堤標(biāo)高約4.8 m，因此,公路主線(xiàn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高低于目前河堤標(biāo)高，原有河道無(wú)法滿(mǎn)足泄洪及灌溉要求，河道需要改移，改河長(zhǎng)度約1.2 km。

1.2 氣象水文

區(qū)內(nèi)氣候溫和，雨量充沛，地表徑流對(duì)坡面、坡腳的沖刷較大；大氣降水為地下水主要補(bǔ)給來(lái)源；地下水主要類(lèi)型為孔隙水及基巖裂隙水，孔隙水主要賦存于第四系松散層中，含水量隨季節(jié)變化；基巖裂隙水賦存于巖石裂隙中，其透水性及賦水性較差，地下水以側(cè)向滲流的形式向溝谷排泄。

1.3 區(qū)域地質(zhì)

根據(jù)鉆孔揭露的巖土層，場(chǎng)區(qū)覆蓋層由耕植土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、沖積相黏性土、砂土層及海陸交互相淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等組成，根據(jù)鉆孔及靜力觸探孔資料顯示，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層底標(biāo)高為-3.40～-5.60 m， 在-4.60～-6.0 m分布一層粉砂夾粉質(zhì)黏土夾層。場(chǎng)地巖土分布情況：

素填土(Qml)：土黃色，稍濕，略經(jīng)壓實(shí)，以粉質(zhì)黏土為主，厚度1.50～2.50 m。

雜填土(Qdl)：灰黃色，濕，欠壓實(shí)，主要為碎石及砂礫，厚度為0.50 m。

耕植土(Qpd)：土黃色，飽和，流塑，含多量植物根系，黏性較好,厚度0.50～1.00 m。

2 軟基處理方案

河底標(biāo)高為-1.3 m，堤身填高為8.2 m，河底開(kāi)挖、堤身填筑完成后臨空面高差為9.5 m，擬采取水泥攪拌樁置換的方式，對(duì)堤身位置基底軟基進(jìn)行加固處理。

2.1 復(fù)合地基 c，φ值

1) 樁體參數(shù)。cp= 100 kPa，φp=30°。

2) 水泥土參數(shù)計(jì)算。水泥土的抗剪強(qiáng)度隨抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)而升高，依據(jù)類(lèi)似工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)，水泥土的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ較原狀土有較大提高。水泥攪拌樁處理后，形成的復(fù)合地基的c、φ值按如下公式計(jì)算：

c=(1-m)c1mcp

c=(1-m)c2mcp

二化螟的越冬蟲(chóng)源主要來(lái)自稻草，因此稻草處理是防治二化螟的關(guān)鍵。將前一年的稻草處理掉，或在這個(gè)時(shí)期對(duì)剩余稻草進(jìn)行白僵菌封垛處理，這樣可以消滅大部分越冬蟲(chóng)源，減輕當(dāng)年病害的發(fā)生。

φ=arctan[(1-m) tanφs+mtanφp]

式中：m為樁相對(duì)于原狀土體的置換率，按迎水坡水泥攪拌樁采用等邊三角形樁體布設(shè)，間距 1.5 m，樁徑 500 mm，求得m=0.16。

攪拌樁置換后軟土土層物理指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 攪拌樁置換后軟土土層物理指標(biāo) kPa

2.2 穩(wěn)定計(jì)算

2.2.1方案一：水泥攪拌樁+灌注樁

先施工平臺(tái)至3.0 m，在迎水側(cè)施工灌注樁，背水坡施打水泥攪拌樁共11排，按堤頂寬度2 m，前坡1∶2、后坡1∶2填筑至6.2 m高程，方案一施工示意見(jiàn)圖1。

圖1 方案一施工示意(單位：高程，m；尺寸，mm)

在3.00 m馬道附近設(shè)置樁徑0.5 m，樁長(zhǎng)約12 m，樁距1.2 m的水泥攪拌樁，以增加復(fù)合地基的承載力與抗剪強(qiáng)度[3-4]。在迎水坡馬道3.0 m處增設(shè)一排灌注樁，樁徑1 m，樁距1.6 m，樁長(zhǎng)約23 m，樁間設(shè)長(zhǎng)度13 m、直徑0.6 m的水泥攪拌樁，樁頂冠梁1.0 m×0.8 m。滿(mǎn)足規(guī)范要求的灌注樁樁長(zhǎng)見(jiàn)表2。

表2 樁長(zhǎng)計(jì)算表 m

2.2.2方案二：水泥攪拌樁+水泥土墻

在3.00 m馬道附近設(shè)置樁徑0.5 m，樁長(zhǎng)約13 m，樁距1.2 m的水泥攪拌樁，以增加復(fù)合地基的承載力與抗剪強(qiáng)度。施工示意見(jiàn)圖2。迎水坡馬道降至2.0 m高程處，在馬道后3.0 m處增設(shè)1組厚3.3 m的格柵式水泥土墻，樁徑0.6 m，樁距0.45 m，樁長(zhǎng)約13 m，上部采用0.2 m厚C20鋼筋混凝土板連接，墻后采用水泥攪拌樁置換。

圖2 方案二施工示意(單位：高程，m；尺寸，mm)

水泥土墻采用墻后攪拌樁置換樁后4-1淤泥質(zhì)土、4-0粉質(zhì)黏土、4_0粉質(zhì)黏土3層軟土，采用水泥土墻支護(hù)基坑的原理進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

2.3 方案比選

結(jié)合方案一、方案二計(jì)算，綜合投資、工期等方面進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 方案比選

綜合比較本工程選取方案二。

3 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)目的

監(jiān)測(cè)是保證軟基等巖土工程安全的重要技術(shù)手段之一，它既是軟基工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行的重要組成部分，又是具有獨(dú)立系統(tǒng)的“監(jiān)測(cè)工程”。監(jiān)測(cè)軟基在施工、運(yùn)行過(guò)程中的變形情況，將為保證工程安全的各項(xiàng)決策提供科學(xué)依據(jù)，為修改設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工提供基本的數(shù)據(jù)資料[1-2]。

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)于改河路段，每隔50～100 m設(shè)置一個(gè)觀測(cè)斷面，河道兩側(cè)路堤各設(shè)置2塊沉降板，沉降板埋設(shè)于路肩；對(duì)附近揭惠高速主線(xiàn)馬望大橋橋墩附近土體進(jìn)行深部位移觀測(cè)，以了解河道路堤施工過(guò)程中橋墩附近深部土體的位移情況。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意見(jiàn)圖3。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

3.3 監(jiān)測(cè)頻率

填土期1次/d，填土間歇期1次/3 d，填土完成后第2-3月為1次/周，填土完成第4個(gè)月-結(jié)束為1次/半月。若變形明顯加大，應(yīng)持續(xù)監(jiān)測(cè)。

3.4 監(jiān)測(cè)成果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，施工過(guò)程實(shí)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目成果如下。

沉降監(jiān)測(cè)。在河堤軟基處理完成開(kāi)始填土后，對(duì)河堤監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行了繼續(xù)監(jiān)測(cè)，右側(cè)河堤最大沉降位于XKZ0+600右幅斷面中間沉降板，累計(jì)沉降量為213.3 mm，右側(cè)2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面在監(jiān)測(cè)期內(nèi)沉降速率未發(fā)現(xiàn)異常情況；左側(cè)河堤最大沉降位于XKZ0+600左幅斷面中間沉降板處，累計(jì)沉降量為209.4 mm，XKZ0+600左幅監(jiān)測(cè)斷面中間沉降板在9月27號(hào)監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)沉降速率增大明顯，達(dá)到11.5 mm/d，隨后28號(hào)、29號(hào)跟蹤觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示沉降速率收斂較快，分別為2.7，3.4 mm/d，其余監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)期內(nèi)未發(fā)現(xiàn)異常情況。

橋墩附近土體深層位移監(jiān)測(cè)。揭惠高速主線(xiàn)橋墩附近土體深部位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，橋墩附近土體深部在河堤填筑過(guò)程中有一定的擠壓位移，目前累計(jì)最大深部位移位于XKZ0+600右幅對(duì)應(yīng)的橋墩處，最大累計(jì)位移量為23 mm(4 m深度處)，監(jiān)測(cè)期內(nèi)變形速率較小，未出現(xiàn)較大的瞬時(shí)變形增量，基本穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)結(jié)果示意見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 XKZ0+600左幅路基累計(jì)沉降時(shí)間曲線(xiàn)圖

圖5 XKZ0+600右側(cè)路基監(jiān)測(cè)孔A向深層位移圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)揭惠高速軟基設(shè)計(jì)施工實(shí)例，結(jié)合深層位移及沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，攪拌樁處理方式在軟基加固及基坑支護(hù)中的應(yīng)用效果較好，河堤填筑到設(shè)計(jì)高程時(shí)，臨水側(cè)的穩(wěn)定安全系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求，背水側(cè)的穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.0。現(xiàn)有規(guī)范對(duì)開(kāi)挖邊坡中的攪拌樁采用復(fù)合地基設(shè)計(jì)和計(jì)算分析與攪拌樁實(shí)際受力和破壞模式出入較大。雨季施工時(shí)的滲流和土體軟化對(duì)河道邊坡穩(wěn)定性影響較大。

須進(jìn)一步研究軟土地基被攪拌樁處理置換后物理力學(xué)指標(biāo)變化情況，該指標(biāo)對(duì)確定堤身穩(wěn)定性分析有一定影響。

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，河堤在填筑過(guò)程中一直保持勻速沉降趨勢(shì)，期間有一次較大的沉降增加隨后較快收斂，隨著填筑高度的增加，沉降趨勢(shì)越來(lái)越明顯，附近主線(xiàn)橋墩旁深層土體位移變形速率一直較小，說(shuō)明河堤填土施工對(duì)此處土體有一定擠出效應(yīng)但不明顯。從整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程可知，在軟基路段填土施工時(shí)宜嚴(yán)格控制每層填土厚度和填土速率，按薄層輪加法進(jìn)行填筑，一般每層填土控制在30 cm以?xún)?nèi)且填土間隔時(shí)間以7 d為宜[3-4]。

[1] 李彰明.軟土地基加固的理論、設(shè)計(jì)與施工[M].北京:中國(guó)電力出版社,2006.

[2] 李偉.任意真空-堆載條件下砂井地基固結(jié)分析方法研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2010.

[3] 謝康和.復(fù)合地基固結(jié)理論研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].地基處理,1993(3):1-14.

[4] 龔曉南.土工計(jì)算機(jī)分析[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000.