高速公路軟土地基粉噴樁復合地基處治效果分析

苗 洺 源

(山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030006)

粉噴樁復合地基是通過在地基內部施作粉噴樁，提高天然地基的承載力，加固區域由原地基土(或改良后的地基土)和粉噴樁組成的人工地基。結合準確的地質調查，制定科學合理的設計方案，進行粉噴樁加固后可提高地基承載力，有效控制沉降。美國是世界上最早進行水泥粉噴樁技術研究的國家，20世紀60年代，日本為了解決礦石堆料場軟土地基沉降變形的問題，引入了粉噴樁技術。粉噴樁技術在日本軟基處理中得到了廣泛的應用，其技術水平也領先于世界絕大多數國家。粉噴樁技術所使用的固化材料和作用機理差異不大，為了滿足施工需要，各國相繼開展施工攪拌機械的研究，并取得了大量成果。

我國對粉噴樁技術的研究起步較晚，20世紀70年代我國才開始進行室內試驗研究，并在現場試驗研究中開始研發攪拌機械。20世紀80年代，我國第一臺粉噴樁攪拌機下線，并被應用在上海一軟基加固工程中，取得了較好的效果。雖然我國粉噴樁技術起步較晚，但經過幾十年的發展，我國粉噴樁攪拌機械取得了很多研究成果，最多已達一機六頭，可適用于各類軟土地基的施工。粉噴樁以其技術優勢在軟土地基加固中得到了廣泛的應用，但也會受到施工人員技術水平、施工地質等因素的影響，必須在施工中做好質量檢測，對地基承載力進行檢測，分析確定加固效果。

1 粉噴樁復合地基加固機理

粉噴樁是使用專用的機械設備將固化劑與地基土體充分拌和，通過一系列的物理化學作用形成穩定的樁體，形成力學強度明顯高于周圍土體的樁體。粉噴樁常用的固化劑有水泥粉和石灰粉，是在鉆孔過程中噴入土體內部，通過鉆桿葉片與地基土體攪拌。但由于樁體內部固化劑分布并不均勻，這就導致樁體內部的強度是不均勻的。樁身截面中心處強度最小，向外強度不斷增大。粉噴樁樁體在荷載作用下，樁體應力自上而下逐步下降，最大軸力范圍分布在樁頂以下1 m～2 m范圍內。粉噴樁復合地基主要依靠粉噴樁承受荷載，樁周土體所承受的荷載較小。粉噴樁復合地基是通過樁身與樁周土體共同承受地基上部荷載，其加固原理可從以下幾個方面進行總結：

1)樁體效應。粉噴樁樁體強度和彈性模量遠高于周圍土體，在地基承受荷載時，樁頂會承受更大的荷載。作用在地基上部的大部分荷載由樁體承受，并進一步傳遞到深層土體中。在粉噴樁的加固作用下，地基的沉降明顯減小，承載能力提高，產生樁體效應。

2)吸收水分。水泥粉噴樁在施工過程中，水泥粉會吸收水分，水泥水化反應過程中也會消耗一定數量的水，加速樁周土體排水固結，進而達到提高樁周土體強度的作用。

3)限制土體側向位移。未經處治的軟土地基，由于土體沒有限制，在外部荷載作用下容易產生側向位移。粉噴樁施作后，形成群樁復合地基，在樁體的限制作用下，樁周土體的側向位移受到約束，側向位移減小，也減少了地基沉降變形。

4)墊層作用。墊層在粉噴樁復合地基中起到了關鍵的作用，不僅可以協調變形，還可以減少基礎底部的應力集中。當荷載作用在基礎上部時，墊層可以協調地基變形，使樁體向上和向下刺入，而當沉降達到一定值時，樁體與土體才會共同承受荷載。由于樁體的壓縮模量遠高于復合地基的壓縮模量，在地基承受荷載作用時，墊層可以調整地基上部的應力。如果墊層厚度較小，樁頂應力遠高于樁周土體的應力，容易在樁頂產生應力集中現象。如果墊層厚度適中，可有效分散基礎底部的應力，防止產生應力集中。

2 軟土地基水泥粉噴樁處治設計方案

2.1 依托工程項目概況

山西省某高速公路路基分布有軟土地基，土質主要為軟塑亞黏土。該區域地下水位較高，軟土地基天然承載力低，在外部動荷載作用下容易產生砂土液化，必須進行加固處理后方可進行路基填筑施工。軟土層深度為5 m～13 m，分布不均勻。該施工區域設計采用高填方路堤，最大填方高度為11 m，為了提高地基承載力，設計采用粉噴樁對地基進行加固處理。

2.2 水泥粉噴樁設計方案

本項目水泥粉噴樁設計樁徑0.5 m，采用正梅花形布置，樁間距1.5 m，設計樁長根據軟土地層厚度確定。水泥粉噴樁從道路中線向兩側對稱布置，最外側樁位距離路基邊坡不大于2 m。墊層采用碎石墊層，厚度為50 cm，碎石規格有30 mm～50 mm和50 mm～70 mm兩種，按7∶3比例進行配置，且墊層寬度應超出路基坡腳1 m。水泥粉噴樁采用32.5級水泥，設計摻量為15%，水泥土試件90 d無側限抗壓強度為2.0 MPa。水泥粉噴樁設計圖如圖1所示。

3 粉噴樁復合地基加固效果分析

3.1 單樁豎向抗壓靜載試驗

為了檢測水泥粉噴樁對軟土地基的加固效果，選取有代表性的樁體開展單樁豎向抗壓靜載試驗，選取測點開展單樁復合地基載荷試驗。選定施工路段300 m長度為試驗段，分別選取18根樁進行單樁豎向抗壓靜載試驗，單樁最大試驗荷載260 kN。選取部分單樁豎向抗壓靜載試驗檢測結果進行分析，檢測結果如表1所示。文章選取285號、386號和482號三根樁為研究對象，繪制單樁荷載P—沉降S曲線如圖2所示。

表1 單樁豎向抗壓靜載試驗檢測結果

結合表1數據和圖2曲線變化情況可知，各測樁單樁豎向抗壓極限承載力均為130 kN，滿足設計要求。各測樁單樁荷載P—沉降S曲線變化平緩，沒有出現明顯的拐點。

3.2 單樁復合地基載荷試驗

選取18處有代表性的地基開展單樁復合地基載荷試驗，每處最大試驗荷載240 kPa，試驗檢測結果如表2所示。文章選取294號、363號和452號三處單樁復合地基，統計檢測結果繪制荷載P—沉降S曲線如圖3所示。

表2 粉噴樁復合地基抗壓承載力檢測結果

結合表2數據和圖3曲線變化情況可知，所選各測點粉噴樁單樁復合地基承載力特征值均為120 kPa，滿足設計要求。粉噴樁復合地基荷載P—沉降S曲線變化較平緩，也沒有出現明顯的拐點。

4 結論

結合工程案例，對軟土地基水泥粉噴樁加固原理、方案設計進行闡述，并選取有代表性的單樁和單樁復合地基進行地基承載力試驗，分析試驗結果得出以下結論：1)對水泥粉噴樁軟土地基加固機理進行闡述，并結合工程實例給出了完整的加固設計方案；2)分析加固后軟基地基承載力檢測結果，單樁地基承載力均達到了130 kN，單樁復合地基復合地基承載力特征值均為120 kPa，滿足設計要求，說明達到了預期目的。