高路堤灰土擠密樁加固效果分析

董海洋

(山西交通控股集團有限公司運城南高速公路分公司 運城市 044000)

0 引言

高填方路堤自重大,地基加固處治不當或壓實質量不合理很容易出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象[1-2]。尤其是當?shù)鼗鶠闈裣菪渣S土時,往往存在地基承載力不足等問題,必須采取措施進行有效加固,以提高地基承載力。灰土擠密樁可有效消除黃土的濕陷性[3],提高地基的承載能力,減少工后沉降[4],且相較施工成本低,經(jīng)濟性好。文章以高速公路濕陷性黃土地基高填方路堤施工為研究背景,根據(jù)施工現(xiàn)場地質情況制定灰土擠密樁加固方案,采用有限元進行數(shù)值模擬分析,并結合施工現(xiàn)場沉降監(jiān)測結果進行分析,確定灰土擠密樁加固效果。

1 工程概況

某高速公路位于黃土高原,沿線地形起伏較大,最大高差達到102 m,沿線有多處高邊坡。高速公路設計全長57.06 km,其中路基長度約占總長度為59 %,屬于我國東西方向的主干道路之一。設計通車速度80 km/h,整體式路基設計寬度為24.5 m。受地形限制,沿線有多處高填深挖路段,其中高填方路基共計172 段。為提高地基承載力,沿線分別采用強夯法、碎石樁和灰土擠密樁多種方法進行加固處理。路堤最大填筑高度為38 m,路堤填料主要為施工沿線的粉質低液限黏土(黃土)。這類填料性質介于砂性土和粘性土之間,填料結構疏松,碾壓成型不佳,固結質量不高,且具有一定的濕陷性,成型后變形量大。用于高填方路堤填筑施工,壓實質量控制難度大,工后很容易出現(xiàn)不均勻沉降,導致路堤表面產(chǎn)生裂縫。因此,為提高路基整體穩(wěn)定性,防止工后產(chǎn)生變形開裂,在施工期間采取措施進行加固,并在施工現(xiàn)場開展沉降監(jiān)測。

2 灰土擠密樁加固設計方案與施工方案

2.1 灰土擠密樁加固設計方案

在K15+605～K16+605段建立試驗段,該路段高路堤最大填筑高度為19 m。根據(jù)施工現(xiàn)場壓實度檢測結果,采用粉質低液限黏土作為路堤填料壓實后路基壓實度偏低,部分路段壓實度達不到設計要求。分析壓實質量不合格的原因主要是由于填料密實度不足,承載能力低,且路基自重沉降時間較長,路堤結構穩(wěn)定性較差。為提高路堤穩(wěn)定性,防止路堤產(chǎn)生變形開裂,擬采用灰土擠密樁對高填方路堤進行加固處理,并在現(xiàn)場開展監(jiān)測。為提高灰土擠密樁的強度,在灰土中摻入4 %(質量比)的水泥,以提高灰土早期強度。

(1)樁間距的設計

本項目灰土擠密樁布置采用正三角形布置,根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑標準》(GB 50025—2018)中的相關規(guī)定,樁間距S按式(1)計算[5]。

(1)

式中:D表示擠密樁填料孔直徑,單位為m;ηc表示擠密系數(shù);d表示鉆孔直徑,單位為m;ρdo表示地基擠密前各土層干密度平均值,單位為g/cm3;ρmax表示最大干密度,單位為g/cm3。

結合施工現(xiàn)場實際情況,綜合考慮確定ηc取值為0.9,D取0.48 m,d取0.4 m,經(jīng)計算得出灰土擠密樁樁間距為1.4 m。

(2)樁長設計

灰土擠密樁設計樁長深入地基不小于1 m,樁長根據(jù)現(xiàn)場地質情況確定。根據(jù)試驗路段地質調查結果,確定最大樁長為20 m,最小樁長為14 m。

(3)孔位平面布置

灰土擠密樁自路基邊緣向路中心布置,路側樁距路基邊緣距離為1 m。如圖1所示,擠密樁采用正三角形布置,布置間距為1.4 m,布樁過程中注意避開涵洞等構造物的基礎。按照設計要求,加固后路基復合承載力不得低于200 kPa。

圖1 灰土擠密樁平面布置示意圖

(4)夯擊能

本項目灰土擠密樁施工采用桿狀尖錘,夯擊能在8000N·m以上。施工過程中單層填筑厚度為35 cm,單層夯擊擊數(shù)為6擊。

(5)樁身材料

灰土擠密樁樁身材料配合比為生石灰∶水泥∶土=9∶4∶87,最佳含水量為12.9%,高溫季節(jié)拌制混合料含水量略高于最佳含水量。所選生石灰質量等級為II級以上,水泥選擇R32.5普通硅酸鹽水泥,土為純凈黃土,有機質含量低于5%。夯實后選擇消石灰∶土=2∶8進行及時封孔,完工后采用動力觸探試驗檢測承載力。

2.2 灰土擠密樁加固施工方案

施工前選取試驗段,根據(jù)設計方案施作試樁,通過試樁確定填料厚度為34cm、夯擊數(shù)為6擊,最佳含水量為11.9%。灰土擠密樁加固施工方案如下:根據(jù)設計圖紙進行施工放樣,確定施工范圍,平整場地,撒布石灰確定樁位。根據(jù)最佳含水量調整素土含水量,確保灰土含水量處于最佳含水量附近。調整鉆桿垂直度,鉆孔速度先慢后快,成孔后緩慢拔桿防止塌孔。嚴格按照比例拌制灰土,將含水量控制在11.9 %附近。嚴格控制夯擊次數(shù),夯擊完成后檢測壓實度。

3 高路堤灰土擠密加固效果數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

為研究本項目高路堤灰土擠密加固效果,對K15+605～K16+605段試驗段進行有限元模擬分析,通過數(shù)值模擬分析計算確定加固前后高路堤沉降量,模擬分析加固效果。假定試驗段路基不產(chǎn)生沉降變形,只計算高路堤自身的沉降。路堤最大填筑高度為20m,平均高度為19m,一級邊坡坡度為1∶1.5,高度為8m,二級邊坡坡度為1∶1.75,高度為12m,邊坡平臺寬度為2m。有限元模型邊界條件為:路堤底部左、右兩側邊界水平位移為0,底部邊界豎向位移為0。有限元模型如圖2所示。

圖2 高路堤有限元計算模型(單位:m)

3.2 計算參數(shù)

根據(jù)設計資料和現(xiàn)場工程地質調查結果,確定各分層計算參數(shù)如表1所示。

表1 高路堤各分層計算參數(shù)

3.3 數(shù)值模擬計算結果分析

利用變形有限元分析軟件,模擬高路堤逐級加載過程,分層填筑、分層壓實。隨著路堤各層填土的增加,逐級增加路堤計算模型的單元數(shù)量,逐級增加路堤自重荷載,對各單元的位移和應力增量進行計算。模擬路堤填土施工過程,每增加一層填土增加一次荷載,計算單次加載路堤位移和應力,依次疊加后確定累積位移和應力變化,直到填筑到路堤頂面。以路堤中心頂面為起始點,模擬不同壓實度路堤分層施工過程,分別對采用灰土擠密樁加固和未加固的路堤不同區(qū)間分層的壓縮量和累積沉降量進行模擬計算,計算結果如表2所示,繪制各區(qū)間分層壓縮量變化曲線如圖3所示。

表2 高路堤不同區(qū)間分層壓縮量與累積沉降量

圖3 不同壓實度路基頂面累積沉降變化曲線

分析表2數(shù)據(jù)和圖3曲線變化趨勢,隨著壓實度的增加,路堤各區(qū)間分層壓縮量隨之下降,且采用灰土擠密樁加固后壓縮量明顯下降,路堤頂面累積沉降量也隨壓實度增加而下降,且加固后沉降量明顯下降。路堤底層壓縮量大于上層壓縮量,這是受填土自重荷載影響造成的,加固前區(qū)間分層15～20m壓縮量最大值為11.8cm,加固后壓縮量最大值

為6.8cm,下降了5cm,壓縮量明顯下降。路堤頂面加固后最大累積沉降量僅為16.1cm,較加固前最大累積沉降量為27.7cm,均在壓實度為90%時出現(xiàn),二者相差11.6cm,沉降量明顯下降,說明加固后路堤豎向變形得到了有效控制,路堤穩(wěn)定性明顯提升。

4 高路堤現(xiàn)場沉降監(jiān)測分析

4.1 沉降監(jiān)測方案

4.1.1測點布設

為確定高路堤施工現(xiàn)場沉降情況,分別對采用灰土擠密樁加固路段、未加固路段布置測點開展監(jiān)測。選取K15+605～K16+605試驗段作為研究對象,該路段最大填土高度為20 m。該路段基底采用碎石樁處理,路堤填料為素土,加固段采用灰土擠密樁加固。在路肩位置布置沉降標,測量地基沉降量,縱向布置4個測點,間距為5 m。沉降標采用鉆孔埋設,鉆孔后澆灌混凝土,埋入Φ75 PVC管,孔壁與PVC管填入水泥砂漿,管內埋設Φ40鋼管,沉降標布置如圖4所示。

圖4 沉降標構造示意圖(單位:m)

分別選取路基縱向30 m范圍開展路基頂面沉降,按照5 m×5 m網(wǎng)格布置地面標。其中測點一和測點四位于路肩位置,測點二和測點三位于行車道位置,地基沉降標位于路側,間距為5 m。地面標鉆孔孔徑為20 cm,深度為1.5 m,測樁選擇Φ16鋼筋,采用C25混凝土澆筑。

4.1.2監(jiān)測方案

分別在觀測段附近布置水準點,每個測段水準點數(shù)量不得少于2個,水準點應布置在穩(wěn)固的巖石上,防止施工過程中損壞。選用精密水準儀和錮鋼尺,采用二等水準測量方法進行高路堤沉降監(jiān)測。在地基沉降標和地面標布置完成后即進行首次觀測,作為初始值,以后監(jiān)測結果與其對比確定沉降量。路堤加固期間監(jiān)測頻率為每3天1次,加固完成后監(jiān)測頻率為每月1次。

4.2 高路堤現(xiàn)場沉降監(jiān)測結果分析

4.2.1地基沉降監(jiān)測結果分析

選取K15+605～K16+605試驗段三個地基沉降測點監(jiān)測結果作為研究對象,在灰土擠密樁加固前、中、后對路堤開展沉降監(jiān)測,整理監(jiān)測結果繪制沉降變化曲線如圖5所示。

圖5 高路堤地基沉降變化曲線

分析三個測點沉降監(jiān)測結果,得出在灰土擠密樁加固過程中路基沉降量增幅較小,雖然在施工過程中有小幅增長,但在加固后高路堤沉降逐步穩(wěn)定,在監(jiān)測219d后地基沉降逐步穩(wěn)定。高路堤灰土擠密樁加固過程中路基沉降量變化幅度較小,最大值僅為6mm左右,且已基本達到穩(wěn)定狀態(tài),分析原因一方面是由于地基采用碎石樁進行加固處理,另一方面是在路堤填筑施工過程中地基沉降已基本完成。在灰土擠密樁施工過程中有小幅增長,增長幅度在1.1～2.0mm之間,完工后路基沉降增幅緩慢,且在監(jiān)測完成后基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2.2地面沉降監(jiān)測結果分析

施工前共布置了20個地面沉降標,由于在灰土擠密樁施工過程中部分沉降標破損嚴重,導致個別斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)丟失。選取監(jiān)測數(shù)據(jù)完整的K15+820斷面作為研究對象,整理數(shù)據(jù)繪制路堤頂面沉降變化曲線如圖6所示。

圖6 K15+820斷面路堤頂面沉降變化曲線

分析圖6所示曲線變化趨勢,K15+820斷面各測點沉降曲線變化規(guī)律基本一致,加固前沉降速率較快,加固后沉降量增速略有波動,但總體呈現(xiàn)沉降速率不斷下降的趨勢,監(jiān)測結束時曲線平直,沉降基本穩(wěn)定。加固前,路堤頂面平均沉降速率為5.99 mm/月,分析原因是由于路堤填筑完工后沒有固結穩(wěn)定,還處在變形階段;加固施工過程中平均沉降速率為9.33 mm/月,這是由于施工過程中的機械擾動造成沉降速率增加;加固后平均沉降速率僅為0.67 mm/月,說明加固后路堤沉降增幅明顯下降,路堤穩(wěn)定性明顯提升。

5 結語

以高速公路高路堤施工為研究背景,根據(jù)設計文件和現(xiàn)場調查結果制定灰土擠密樁加固方案,采用有限元分析軟件進行數(shù)值模擬分析,并在施工現(xiàn)場開展沉降監(jiān)測,分析確定加固效果。根據(jù)數(shù)值模擬分析結果,隨壓縮量增加各區(qū)間分層壓縮量隨之下降,且路堤底層壓縮量大于上層,加固后沉降量明顯下降,路基穩(wěn)定性明顯提升。灰土擠密樁施工過程中,高路堤地基沉降速率略有波動,但總體沉降量不大,這是由于地基采用碎石樁加固,且在高路堤填筑施工過程中沉降已基本完成。由于工后路堤沒有固結穩(wěn)定,灰土擠密樁加固前路堤頂面沉降速率較高;受施工機械擾動影響,加固施工過程中沉降速率最高,為9.33mm/月;完工后沉降速率較小,且在完工后路基沉降基本穩(wěn)定,說明采用灰土擠密樁加固后高路堤穩(wěn)定性明顯提升,加固效果良好。