銀昆高速公路濕陷性黃土地基水泥土擠密樁處理試驗(yàn)研究

馬俊堯

(中鐵十四局集團(tuán)第五工程有限公司 山東濟(jì)寧 272100)

1 引言

濕陷性黃土在我國(guó)廣泛分布，它在天然含水率狀態(tài)下具有強(qiáng)度高、孔隙大、垂直節(jié)理發(fā)育等特點(diǎn)，而飽和吸水后在自重或者附加荷載作用下則出現(xiàn)明顯的濕陷性，強(qiáng)度大大降低，導(dǎo)致工程構(gòu)筑物出現(xiàn)沉降破壞[1]。在高速公路工程建設(shè)中，路基路面對(duì)地基的工后沉降要求十分嚴(yán)格，為了削減黃土在遭遇浸水環(huán)境下的濕陷性不利影響，常采用強(qiáng)夯、換填、擠密或者化學(xué)固結(jié)等手段，對(duì)土體的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行改善，消除或者減小路基的濕陷性變形，降低路面結(jié)構(gòu)開(kāi)裂和保障其運(yùn)營(yíng)平順性[2－3]。

水泥土擠密樁地基處理的主要原理為通過(guò)在預(yù)先成孔的黃土地基上，分層夯填水泥土，橫向擠密樁間土體，達(dá)到約束土體的作用，同時(shí)夯填的水泥土具有換填效果，樁土之間形成復(fù)合地基共同受力和變形，進(jìn)而增強(qiáng)地基土的壓縮模量和消減黃土的濕陷性變形[4－5]。近年來(lái)，隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)的不斷深入，高速公路和高速鐵路取得了迅速的發(fā)展，不同于民用建筑，這些構(gòu)筑物直接暴露在自然狀態(tài)下，受雨水與地表水的侵害概率大大增加，同時(shí)線路運(yùn)營(yíng)對(duì)變形的要求嚴(yán)格，使得研究水泥土擠密樁加固地基的承載力和變形特征十分迫切[6]。

喻渝等[7]依托鄭州至西安高鐵黃土地基處理項(xiàng)目，分析了水泥土擠密樁樁身的水泥、黃土最佳配合比例、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、樁身間距等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)承載力的影響；王素靈[8]以鄭西客專(zhuān)路基為例，在施工工藝、施工技術(shù)措施等方面對(duì)水泥土擠密樁的應(yīng)用進(jìn)行了研究；王衛(wèi)東[9]基于某公路段路基病害處置為例，采用水泥土擠密樁對(duì)病害處理過(guò)程中的設(shè)計(jì)、施工以及施工質(zhì)量檢測(cè)等方面進(jìn)行了分析和總結(jié)。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，大量的研究主要集中在水泥土擠密樁的材料設(shè)計(jì)、施工工藝、應(yīng)用效果等方面，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面的研究較少，不利于正確認(rèn)識(shí)水泥土擠密樁在線路地基處理中的承載特性和變形特征[10－11]。

本文依托銀川至昆明高速公路(G85)太陽(yáng)山開(kāi)發(fā)區(qū)至彭陽(yáng)(寧甘界)段地基處理項(xiàng)目，采用現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)和浸水試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)水泥土擠密樁處理后的復(fù)合地基承載力和浸水條件下的復(fù)合地基變形進(jìn)行研究，為黃土地區(qū)高速公路地基加固處理的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)提供可靠的基礎(chǔ)資料，也為類(lèi)似的工程建設(shè)提供實(shí)例借鑒。

2 工程概況

銀川至昆明高速公路(G85)太陽(yáng)山開(kāi)發(fā)區(qū)至彭陽(yáng)(寧甘界)段位于吳忠市、中衛(wèi)市及固原市境內(nèi)，路線總長(zhǎng)度約236 km，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車(chē)道高速公路，設(shè)計(jì)速度為100 km/h。線路穿越濕陷性黃土區(qū)域，區(qū)域黃土具有分布廣泛、厚度深大、土質(zhì)均勻、結(jié)構(gòu)疏松、孔隙發(fā)育等特點(diǎn)。區(qū)內(nèi)出露的濕陷性黃土主要為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土()及較大河谷Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地上部堆積的第四系上更新統(tǒng)早期黃土狀土()，其濕陷等級(jí)主要為Ⅱ級(jí)(中等)～Ⅳ級(jí)(很?chē)?yán)重)。

線路LJI0標(biāo)段起訖樁號(hào)為K171＋500～K189＋100，全長(zhǎng)17.60 km，9%水泥土擠密樁231.1萬(wàn)延米，水泥土擠密樁總計(jì)29 678根，主要設(shè)置于Ⅲ級(jí)～Ⅳ級(jí)非自重濕陷性黃土填方路段，樁的布置形式為正三角形布樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)L＝8 m，樁直徑d＝40 cm，樁中心間距D＝0.8 m，排間距M＝69.3 cm。

選擇K178＋150～K178＋295段作為水泥土擠密樁試驗(yàn)段，路基寬度26 m，路基填高7.5 m，該段濕陷性黃士等級(jí)為Ⅳ級(jí)，處理長(zhǎng)度145 m，處理寬度57.1 m，處理面積8 280 m2。水泥擠密樁地基處理的平面布置及剖面如圖1所示。

圖1 水泥土擠密樁地基處理平剖面圖

3 現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)與浸水試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)分為單樁豎向承載力、復(fù)合地基豎向承載力，分別按現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50025—2018)[12]附錄G、附錄H中的試驗(yàn)流程進(jìn)行，其中復(fù)合地基豎向承載力測(cè)試又細(xì)分為2種工況，分別為3根樁復(fù)合地基承載力、4根樁復(fù)合地基承載力。測(cè)試時(shí)，采用方形剛性承壓板，其邊長(zhǎng)尺寸依據(jù)測(cè)試樁數(shù)的不同而有所不同，單樁載荷試驗(yàn)時(shí)為0.84 m×0.84 m；3根樁載荷試驗(yàn)時(shí)為1.26 m×1.26 m；4根樁載荷試驗(yàn)時(shí)為1.60 m×1.60 m。加載等級(jí)不少于10級(jí)，且每級(jí)荷載的維持時(shí)長(zhǎng)至少為2.0 h，按設(shè)計(jì)荷載的2倍確定極限荷載，由設(shè)計(jì)資料預(yù)估為700 kPa。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)

為了分析浸水條件下，濕陷性黃土路基的變形時(shí)空特征，在試驗(yàn)段設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)。如圖1所示，試驗(yàn)范圍選取為路基處理寬度的一半，即28.55 m，長(zhǎng)度為10.00 m，浸水試坑尺寸為6.0 m×6.0 m×0.6 m(長(zhǎng)×寬×高)，試坑的一邊沿著路基加固區(qū)與非加固區(qū)進(jìn)行布置，坑底部采用10 cm厚度的中粗砂進(jìn)行鋪設(shè)找平，浸水試驗(yàn)時(shí)，水頭維持40 cm。以試坑中心為原點(diǎn)，左右兩邊分別為±4.0 m、±6.0 m、±8.0 m、±13.0 m和±18.0 m的位置布置10個(gè)坑外監(jiān)測(cè)點(diǎn)；在坑內(nèi)，以原點(diǎn)為圓形，半徑為1.5 m的位置上均距布置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中a1、a2點(diǎn)的埋深為9.0 m(超出樁底1.0 m)，b1、b2點(diǎn)的埋深為6.0 m，c1、c2點(diǎn)的埋深為3.0 m，如圖2所示；在坑內(nèi)，以原點(diǎn)為圓形，半徑為2.0 m的位置上均距布置8個(gè)注水孔，孔深為2.0 m，孔徑為200 mm(見(jiàn)圖3)。試驗(yàn)時(shí)，注水時(shí)長(zhǎng)維持20 d，停水觀測(cè)維持10 d，在注水的過(guò)程中，記錄水量消耗大小、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化。

圖2 浸水試坑外監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面圖(單位:mm)

圖3 浸水試坑內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面圖(單位:mm)

4 試驗(yàn)成果分析

4.1 水泥土擠密樁復(fù)合地基承載力

圖4為地基處理后的載荷試驗(yàn)P-s曲線。從曲線形態(tài)看，無(wú)論是單樁沉降曲線還是多樁沉降曲線，均表現(xiàn)出無(wú)明顯拐點(diǎn)變化，需按0.8%b(b為承壓板的寬度)相對(duì)變形確定地基承載力的特征值，且不應(yīng)大于0.5倍的最大加載壓力。由此，可以確定水泥土擠密樁單樁、3樁和4樁的承載力特征值分別為220、300、320 kPa，隨著測(cè)試樁數(shù)量的不斷增加，處理后地基土的承載力特征值也隨著增加。由此表明，水泥土擠密樁對(duì)黃土地基的承載力改善具有十分顯著的作用。但是，從數(shù)量來(lái)看，由于群樁效應(yīng)的影響，多根水泥土擠密樁的復(fù)合地基承載力遠(yuǎn)小于單樁承載力之和，從單樁增加至3樁時(shí)，承載力特征值增加量為80 kPa，而從3樁增加至4樁時(shí)，承載力特征值增加量為20 kPa，表明水泥土復(fù)合地基的承載力特征值隨樁數(shù)量的增加，群樁效應(yīng)隨著增加。因此，在實(shí)際黃土地基加固時(shí)，建議選取合適的樁間距和樁徑，以減弱群樁效應(yīng)的影響，提高處理效率。

圖4 地基處理后載荷試驗(yàn)P-s曲線

4.2 水泥土擠密樁復(fù)合地基變形特征

對(duì)浸水20 d內(nèi)的總消耗水量和晝夜消耗水量進(jìn)行記錄，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以知，在浸水初期(2 d內(nèi))，總耗水量和晝夜耗水量均迅速增加；浸水2 d后，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，總消耗水量逐步增加并趨于穩(wěn)定，最后5 d的平均總消耗水量增加值約為0.1 m3/d，20 d總消耗水量為6.98 m3，而晝夜消耗水量則相反，逐漸減少并趨于穩(wěn)定，最后5 d的平均晝夜消耗水量為0.47 m3。

圖5 浸水試驗(yàn)耗水時(shí)程曲線

為研究復(fù)合地基在豎向方向上的濕陷變形特征，對(duì)復(fù)合地基不同深度范圍處的濕陷變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，試坑內(nèi)測(cè)試點(diǎn)分布如圖3所示，不同深度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)成果見(jiàn)圖6。

圖6 不同深度觀測(cè)點(diǎn)的沉陷速率時(shí)程曲線

由圖6可知，不同深度觀測(cè)點(diǎn)處的濕陷變形速率曲線具有較好的一致性，與晝夜消耗水量類(lèi)似，在浸水初期(3 d內(nèi))，由于天然含水率狀態(tài)下的黃土尚未飽和，大量吸水后，土體呈現(xiàn)加速濕陷變形，而浸水3 d后，濕陷變形速率趨于不斷減小，在第20天停水時(shí)，濕陷變形速率又呈現(xiàn)不同程度的增加，隨后隨著停水時(shí)間的增長(zhǎng)，變形逐漸趨于平穩(wěn)和收斂。另一方面，隨著埋置深度的增加，土體濕陷變形速率也逐漸增加，變形規(guī)律呈現(xiàn)時(shí)間早、速度快、變形量大的特點(diǎn):浸水期，c1點(diǎn)(埋深3 m)的最大濕陷速率為1.15 mm/d，b1點(diǎn)(埋深9 m)的最大濕陷速率為1.82 mm/d，a1點(diǎn)(埋深9 m)的最大濕陷速率為2.75 mm/d；停水期，c1點(diǎn)(埋深3 m)的最大濕陷速率為0.40 mm/d，b1點(diǎn)(埋深9 m)的最大濕陷速率為0.83 mm/d，a1點(diǎn)(埋深9 m)的最大濕陷速率為1.05 mm/d。

進(jìn)一步地，分析試坑內(nèi)6個(gè)不同深度處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大濕陷變形，結(jié)果如圖7所示。

圖7 地基豎向方向變形特征

由圖7可以看出，在水泥土擠密樁地基處理范圍內(nèi)(設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)L＝8 m)，地基土的變形量較小，均小于1 cm:3 m處(c1點(diǎn)、c2點(diǎn))的最大濕陷量為6.7 mm和8.5 mm，表明淺層的土層有微弱的側(cè)向擠出，這與水泥土擠密樁施工存在的不均性有關(guān)，6 m處(b1點(diǎn)、b2點(diǎn))的最大濕陷量為8.9 mm和9.2 mm，濕陷量差異較小。而深度超出水泥土擠密樁樁長(zhǎng)后，地基土的變形量明顯增加，9 m處(a1點(diǎn)、a2點(diǎn))的最大濕陷量達(dá)到15.5 mm和16.0 mm，比6.0處的濕陷量增加了約74%～80%。以上分析表明，水泥土擠密樁加固對(duì)黃土地層的濕陷變形能夠起到良好的控制作用，大大減小了加固區(qū)范圍內(nèi)的濕陷變形量，為減緩上部結(jié)構(gòu)的變形量提供了較好的先決條件。

為分析地基橫向方向上的變形特征，對(duì)試坑左右兩側(cè)的12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，坐標(biāo)原點(diǎn)如圖2所示，加固區(qū)為橫坐標(biāo)負(fù)值，非加固區(qū)為橫坐標(biāo)正值，結(jié)果如圖8所示。

圖8 地基橫向方向變形特征

從圖8中可以看出，試坑內(nèi)，地基變形受水的直接下滲作用，沉降量最大，而兩側(cè)地基變形沉陷呈不對(duì)稱(chēng)狀態(tài)。表現(xiàn)為在加固區(qū)范圍內(nèi)，地基沉陷量小，小于0.67 mm，且隨著與試坑距離的增加沉陷量逐漸減?。欢诜羌庸虆^(qū)，地基沉陷量變化較大，最大值為5.7 mm，并隨著距離的增加而迅速減小，在坐標(biāo)點(diǎn)x＝18 m位置處，地基沉陷量減小為0.2 mm。綜合表明，水泥土擠密樁可以大大降低路基在橫向方向上的沉陷變形，有效提高了路基的剛度和抗?jié)B能力。

5 結(jié)論

采用試驗(yàn)手段，對(duì)銀川至昆明公路(G85)太陽(yáng)山開(kāi)發(fā)區(qū)至彭陽(yáng)(寧甘界)段水泥土擠密樁地基處理項(xiàng)目展開(kāi)研究，得出以下結(jié)論:

(1)水泥土擠密樁對(duì)黃土地基的承載力改善具有十分顯著的作用，隨著樁數(shù)的增加，復(fù)合地基承載力特征值增加，相應(yīng)地，群樁效應(yīng)也隨著增加。

(2)不同深度處的濕陷變形速率曲線規(guī)律具有明顯的一致性，在浸水初期(3 d內(nèi))，土體呈現(xiàn)加速濕陷變形，而浸水3 d后，濕陷變形速率趨于不斷減小，在第20天停水時(shí)，濕陷變形速率又呈現(xiàn)不同程度的增加，并隨著停水時(shí)間的增長(zhǎng)，變形逐漸趨于平穩(wěn)和收斂。土體濕陷變形呈現(xiàn)時(shí)間早、速度快、變形量大的特點(diǎn)。

(3)在豎向方向上，地基加固范圍內(nèi)變形較小，而水泥土擠密樁樁長(zhǎng)以下地基變形則明顯增加；在水平方向上，加固區(qū)范圍內(nèi)，地基沉陷量小且隨著與試坑距離的增加沉陷量逐漸減小，而在非加固區(qū)，地基沉陷量變化較大，最大值為5.7 mm，并隨著距離的增加而迅速減小。綜合表明，水泥土擠密樁對(duì)黃土地層的濕陷變形能夠起到良好的控制作用。