安臨一級(jí)公路飽和軟黃土地基水泥土攪拌樁處治設(shè)計(jì)

樊宏剛

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730010)

甘肅省臨夏回族自治州東鄉(xiāng)縣大部分為黃土覆蓋，其中濕軟黃土分布較為廣泛，在該地區(qū)建設(shè)的公路項(xiàng)目，濕軟黃土地基處理就是一個(gè)難以避免的問題，是項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1]。因此，尋求經(jīng)濟(jì)、可靠、有效的公路濕軟黃土地基處理措施，事關(guān)工程安全、交通安全、公路功能的發(fā)揮，對(duì)強(qiáng)化民族團(tuán)結(jié)、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展等具有重大意義。

安臨一級(jí)公路K9+750～K11+050段路線經(jīng)過深層飽和軟黃土地基，采用水泥土攪拌樁處治措施，結(jié)合地質(zhì)特點(diǎn)開展了設(shè)計(jì)研究、施工控制、承載力試驗(yàn)和沉降變形觀測(cè)，處治效果良好。

1 項(xiàng)目概況及工程地質(zhì)特點(diǎn)

臨洮(安家咀)至臨夏一級(jí)公路主要位于甘肅省臨夏回族自治州東鄉(xiāng)縣境內(nèi)。主線起點(diǎn)與G75蘭海高速安家咀立交出口順接，終點(diǎn)位于臨夏州東鄉(xiāng)縣東塬鄉(xiāng)滿散村，與規(guī)劃的永臨高速公路臨夏東立交出口相接。主線全長(zhǎng)57.072 km，總體走向由東向西。

1.1 地形地貌

安臨一級(jí)公路項(xiàng)目區(qū)內(nèi)山體海拔高低懸殊，地形復(fù)雜，河谷縱橫，山梁、溝谷相間，屬于盆地內(nèi)部高原丘陵區(qū)。K9+750～K11+050段路線主要以路基形式通過格路溝，經(jīng)調(diào)訪該溝谷主要為巨型山體滑坡堆積體堵塞原始溝道形成的堰塞湖洼地，呈“U”型寬緩谷地，地形較為平緩。

1.2 地層巖性

(3)新近系砂質(zhì)泥巖(N)：該層主要出露于格路溝下游，勘探揭露呈棕色，厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖體較完整，該層抗風(fēng)化能力弱，遇水易軟化、崩解。

2 土層試樣物理力學(xué)指標(biāo)

格路溝堰塞湖路段黃土狀土硬殼層及濕-飽和軟黃土靜力觸探成果如表1所示，室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表1 K9+750～K11+050段濕軟黃土狀土靜力觸探成果表

表2 K9+750～K11+050段土層室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)表

對(duì)格路溝堰塞湖濕-飽和軟黃土段進(jìn)行了靜力觸探測(cè)試，其中工程影響范圍土層呈二元結(jié)構(gòu)，上邊普遍發(fā)育一層可塑～硬塑的黃土狀土硬殼層，其中硬殼層平均比貫入阻力Ps為1.56 MPa，為中等壓縮性土；下部濕-飽和軟黃土平均比貫入阻力Ps為0.59 MPa，基本成軟塑狀，為高壓縮土。

綜上可知：安臨公路格路溝段路基地基軟弱層厚度較大(9.0～47 m)，土層地基含水率大，壓縮性高，承載力和抗剪強(qiáng)度低，為確保路基穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求，使地基沉降控制在相關(guān)規(guī)范要求以內(nèi)，需對(duì)原地基進(jìn)行加固處治。

3 軟土地基處治方案比選

在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)水泥土攪拌樁、CFG樁、預(yù)應(yīng)力管樁等處治方案進(jìn)行了比選論證。考慮到本項(xiàng)目軟土厚度較大，分布范圍廣，軟土底部基巖或堅(jiān)硬土層埋深較大，剛性或半剛性樁有效樁長(zhǎng)難以穿透軟土層，而水泥土攪拌樁作為一種可用于加固飽和軟黏土地基的處治方法，與其他公路軟土地基處治方法相比，水泥土攪拌樁可最大程度利用原狀土體，具有操作簡(jiǎn)單、施工工期短、對(duì)周邊環(huán)境影響小等技術(shù)優(yōu)勢(shì)[2]。因此設(shè)計(jì)中從各方案適用性、優(yōu)缺點(diǎn)、工程造價(jià)等方面綜合考慮，最終選擇了施工技術(shù)成熟、造價(jià)優(yōu)勢(shì)明顯的水泥土攪拌樁復(fù)合地基處治方案。

4 水泥土攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)情況簡(jiǎn)介

本段路堤填筑前先采用水泥土攪拌樁進(jìn)行軟土地基處理，水泥土攪拌樁施工結(jié)束后，在其頂部鋪設(shè)30 cm厚砂礫墊層，砂礫墊層頂部再鋪設(shè)30 cm厚5%灰土墊層。

水泥攪拌樁樁徑為50 cm，正三角形布置；根據(jù)沉降計(jì)算，樁間距采用1.0～1.5 m，樁長(zhǎng)采用10～15 m；水泥土攪拌樁采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；設(shè)計(jì)水灰比為0.45～0.55，水泥摻合比為16%～25%(天然原狀土)；28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值不小于1 MPa，90 d齡期樁身無(wú)限抗壓強(qiáng)度不小于2.5 MPa；復(fù)合地基承載力不小于150 kPa，單樁承載力不小于140 kN。

4.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

本段水泥土攪拌樁參照相關(guān)《規(guī)范》及《細(xì)則》[3,4]的有關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，主要目的為控制地基沉降、提高地基承載力、增強(qiáng)路堤穩(wěn)定性。

(1)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：本設(shè)計(jì)工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)一般路段≤30 cm，涵洞及箱型通道處≤20 cm，路堤與大、中、小橋毗鄰處≤10 cm。

(2)沉降計(jì)算。

沉降采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，即

S∞=msSc

(1)

式中：ms為沉降系數(shù)，按公式(2)計(jì)算

ms=0.123γ0.7(θH0.2+VH)+Y

(2)

式中：H為路堤中心高度，m；γ為路堤填料的重度，kN/m3；θ為地基處理類型系數(shù)，取0.85；V為加載速率修正系數(shù)；Y為地質(zhì)因素修正系數(shù)。

加固區(qū)主固結(jié)沉降Sc采用復(fù)合壓縮模量法進(jìn)行計(jì)計(jì)算，即

(3)

Epsi=mEp+(1-m)Esi

(4)

式中：ΔPi為復(fù)合地基加固區(qū)中各分層中點(diǎn)的附加應(yīng)力增量，kPa；Epsi為各分層的樁土復(fù)合壓縮模量，kPa；m為面積置換率；Δhi為復(fù)合地基加固區(qū)各分層土的厚度，m；Ep為樁體壓縮模量，kPa；Esi為各分層土體壓縮模量，kPa。

(3)樁徑、樁中心間距及樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范[3,4]要求，水泥土攪拌樁的樁徑不宜小于0.5 m，相鄰樁的間距不應(yīng)大于4倍的樁徑。結(jié)合沉降及穩(wěn)定性計(jì)算，本設(shè)計(jì)中水泥土攪拌樁樁徑采用0.5 m，樁間距采用1.0～1.5 m，樁長(zhǎng)采用10～15 m。

(4)單樁承載力

根據(jù)規(guī)范[4]要求，水泥土攪拌樁單樁承載力特征值按公式(5)、公式(6)計(jì)算

(5)

Ra≤ηfcuAp

(6)

式中：fcu為復(fù)合地基加固區(qū)中各分層中點(diǎn)的附加應(yīng)力增量，kPa；η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，粉噴法取0.2～0.3，漿噴法取0.25～0.33；up為樁身周長(zhǎng)，m；n為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)劃分的土層數(shù)；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值；1i為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度，m；qp為樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值，kPa；a為樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，取0.6。

(5)復(fù)合地基承載力

根據(jù)規(guī)范[4]，水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力特征值按式(7)計(jì)算

(7)

式中：Ra為單樁承載力特征值，kN；Ap為樁的截面積，m2；a為樁樁間土承載力折減系數(shù)，取0.8。

5 施工過程質(zhì)量控制及效果檢測(cè)

5.1 鉆心取樣檢測(cè)結(jié)果

本段水泥土攪拌樁共鉆芯檢測(cè)158根，對(duì)樁長(zhǎng)、樁徑、樁身完整性及28 d單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了檢測(cè)，其中26根樁身長(zhǎng)度不滿足設(shè)計(jì)要求，其余檢測(cè)項(xiàng)目均滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 復(fù)合地基承載力檢驗(yàn)

深層水泥攪拌樁成樁28 d后，選定有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)開展靜載試驗(yàn)檢測(cè)復(fù)合地基承載力。靜載試驗(yàn)分9級(jí)加載，最大加載值為300 kPa。選取其中三個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行承載力靜載試驗(yàn)(如表3所示)，靜載試驗(yàn)P-S曲線如圖1所示。

表3 試驗(yàn)點(diǎn)單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)結(jié)果表

圖1 水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力P-S曲線

通過檢測(cè)，水泥土攪拌樁復(fù)合地基在2倍設(shè)計(jì)荷載加載情況下最大沉降量為45.7 mm，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。在復(fù)合地基承載力試驗(yàn)中，最大加載量達(dá)到300 kPa，加載過程中未出現(xiàn)沉降突變現(xiàn)象，復(fù)合地基承載力取最大加載量的一半，即150 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3 沉降檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證水泥攪拌樁復(fù)合地基的加固效果，路基填筑過程中分別在路基中心和兩側(cè)路肩位置埋設(shè)沉降板，進(jìn)行路基沉降監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間為360 d[5]。選取K10+300監(jiān)測(cè)斷面路基中心檢測(cè)結(jié)果作為分析對(duì)象，其沉降量隨監(jiān)測(cè)時(shí)間變化曲線如圖3所示。

圖3 K10+300水泥土攪拌樁復(fù)合地基沉降-時(shí)間曲線

分析圖5所示復(fù)合地基沉降量隨時(shí)間的變化曲線，監(jiān)測(cè)前期沉降變化速度較快，90 d以后沉降速度明顯下降，且逐步趨于平緩。前90 d沉降變化速度較快，這是由于該時(shí)間段正在填筑路基，施工荷載和地基上部填土增加所致。90 d以后路基填筑施工結(jié)束，路基沉降逐步趨于穩(wěn)定。沉降監(jiān)測(cè)結(jié)束后復(fù)合地基沉降量達(dá)到82 mm，沉降變形已處于穩(wěn)定狀態(tài)，項(xiàng)目施工至今，路基未出現(xiàn)明顯的沉降變形，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

6 結(jié) 論

(1)水泥土攪拌樁處治該類深層濕-飽和軟黃土地基，具有較強(qiáng)的適用性；

(2)分析試驗(yàn)點(diǎn)復(fù)合地基試驗(yàn)數(shù)據(jù)和P-S曲線可知，地基承載力代表值150 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求；

(3)該段地基處治后，根據(jù)施工期的觀測(cè)成果，未見異常變形，說明本段地基處理取得了顯著效果。