紅黏土軟基振沖碎石樁處治效果分析

桓宇

作者簡(jiǎn)介：桓?宇（1981—），高級(jí)工程師，研究方向：公路工程施工。

為分析紅黏土軟基振沖碎石樁處治效果，文章利用有限元軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比確定數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。分析計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：采用碎石樁處治后工后地基沉降得到了控制，有利于孔隙水壓力消散；單樁承載力和復(fù)合地基承載力均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，說明采用碎石樁處治后地基承載力明顯提升，達(dá)到了預(yù)期的處治效果。

紅黏土軟基；振沖碎石樁；沉降；孔隙水壓力；承載力

U416.1A280993

0?引言

紅黏土軟基含水量高、天然孔隙比大、承載能力差，因此在路堤施工前必須進(jìn)行加固處理。如直接在紅黏土軟基上填筑路堤，在施工荷載和自重荷載作用下，可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的不均勻沉降，破壞道路結(jié)構(gòu)。振沖碎石樁的施工工藝簡(jiǎn)單、施工工期短、成本低［1］，樁體透水性好，可以加速地基土固結(jié)，降低軟土地基沉降，提升地基承載力。我國(guó)的專家和學(xué)者通過多年研究，總結(jié)出大量軟土地基處治方案［2-3］，但由于各地地質(zhì)情況存在較大差異，所以處治方案還需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整。本文以高速公路紅黏土軟基振沖碎石樁處治為研究背景，采用數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)兩種方法進(jìn)行研究，通過對(duì)比分析確定數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，確定紅黏土軟基振沖碎石樁處治效果。

1?紅黏土軟基振沖碎石樁處治方案

1.1?工程概況

某高速公路采用雙向八車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)車速120 km/h，整體式路基設(shè)計(jì)寬度為39 m，分離式路基單幅設(shè)計(jì)寬度為19.5 m。道路按公路-Ⅰ級(jí)荷載設(shè)計(jì)，沿線有多座橋梁、隧道、涵洞和通道，路基挖方和填方工程量大。道路沿線地勢(shì)起伏較大，最大高差約200 m，線路穿越河谷地區(qū)、低中山區(qū)和盆地。盆地地區(qū)地勢(shì)平緩，地面高程1 200 m左右，地層為粉質(zhì)黏土、紅黏土等，其中紅黏土含水量高，地基承載能力差。公路沿線氣候條件冬季寒冷，夏季不熱，年最高氣溫為35.2 ℃，最低氣溫為-16.7 ℃，平均氣溫為10.4 ℃。降雨量充沛，年降雨量在950～1 200 mm，降雨主要集中在每年6～9月。該地區(qū)地下水為裂隙水和孔隙水，主要來源于大氣降水。道路沿線特殊巖土主要有軟土和紅黏土，紅黏土地基分布于大部分路段，主要有原生紅黏土和次生紅黏土兩類。

1.2?紅黏土軟基振沖碎石樁處治方案

K13+270～K13+420段位于盆地地區(qū)，該路段為紅黏土軟基，地下水埋深較淺，含水量高、孔隙比高，地基承載能力較差。地基土表層為非飽和土，厚度為2.5～4.0 m，表層土以下為飽和土體，紅黏土總厚度約21 m。為提高地基承載力，擬采用振沖碎石樁進(jìn)行加固處理，按照設(shè)計(jì)要求，處治后該路段地基承載力≥160 kPa，工后容許沉降量≤30 cm。

采用振沖碎石樁處治紅黏土軟基，可排出地基土內(nèi)部的水分，加速基礎(chǔ)排水固結(jié)，提升地基承載能力。振沖碎石樁施工方案如下：碎石樁設(shè)計(jì)樁徑為0.5 m，采用正三角形布置，樁間距為1.5 m，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為20 m。所選碎石材料含泥量應(yīng)≤5%，碎石粒徑范圍為20～40 mm。振沖碎石樁完工后，樁頂攤鋪50 cm厚砂礫石墊層，并在碎石墊層中間鋪設(shè)一層土工格柵。碎石樁處治范圍應(yīng)超過路基坡腳2 m，并在路基邊緣設(shè)置漿砌片石護(hù)腳。

2?建立模型

2.1?原地基設(shè)計(jì)參數(shù)

按照路堤設(shè)計(jì)要求，選擇K13+270～K13+420段典型斷面為研究對(duì)象，路堤填筑高度為8 m。路堤頂面寬度為39 m，路基計(jì)算寬度為190 m，基礎(chǔ)計(jì)算深度為25 m，邊坡坡度為1∶1.5。路堤沿路基中心軸對(duì)稱布置，選擇一半路基作為研究對(duì)象［4］，其頂部寬度為20.5 m，計(jì)算寬度為95 m，深度為25 m。

2.2?計(jì)算參數(shù)

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)勘察資料和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，得出模型各部分計(jì)算參數(shù)如表1所示。

2.3?邊界條件

紅黏土地基下部為基巖，根據(jù)計(jì)算要求確定邊界條件：模型底面全約束，模型頂面自由，模型側(cè)面X、Z方向約束，Y方向自由。

紅黏土軟基振沖碎石樁處治效果分析/桓?宇

2.4?網(wǎng)格劃分

利用有限元軟件對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)劃分，設(shè)置邊界限制條件、網(wǎng)格控制屬性和單元類型。為提高計(jì)算精度，本文采用十節(jié)點(diǎn)修正二次四面體孔壓?jiǎn)卧M(jìn)行模型網(wǎng)格劃分［5］。振沖碎石樁模型如圖1所示。

2.5?加載工況模擬

路堤填筑分10層加載，每?jī)蓪蛹虞d時(shí)間間隔為10 d，填筑總時(shí)間為100 d，原狀地基沉降計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

分析圖2可知，路堤頂部出現(xiàn)了明顯的不均勻沉降，路基中心位置沉降量最大，達(dá)62.41 cm，路肩位置沉降量為39.67 cm，會(huì)對(duì)路面造成破壞。工后地基頂面沉降量為34.62 cm，超過了設(shè)計(jì)要求30 cm，路基路面結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生破壞。因此，原地基不滿足設(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目采用碎石樁進(jìn)行加固處理。

3?紅黏土軟基振沖碎石樁處治效果分析

3.1?工后地基沉降與孔隙水壓力計(jì)算結(jié)果分析

路堤填筑完成后對(duì)復(fù)合地基沉降和孔隙水壓力進(jìn)行計(jì)算，分析紅黏土地基振沖碎石樁處治效果。整理計(jì)算數(shù)據(jù)繪制地基頂面沉降變化曲線如圖3所示，分別計(jì)算深度為4 m、10 m和20 m位置的地基孔隙水壓力，繪制變化曲線如圖4所示。

分析圖3地基頂面沉降變化曲線，發(fā)現(xiàn)在路堤填筑完成后地基頂面沉降早期較大，后期逐漸下降并趨穩(wěn)。在完工后的前100 d，地基頂面沉降量增幅較大，平均增速為0.225 cm/d。然而，在100 d以后，地基沉降速率明顯下降，從100 d到360 d沉降量?jī)H增加了0.7 cm，增幅很小，且在150 d以后沉降量基本沒有增加，說明地基已趨于穩(wěn)定。地基頂面總沉降量為23.20 cm，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求的30 cm，說明采用振沖碎石樁處治后紅黏土軟基承載力明顯提升，地基沒有產(chǎn)生較大的沉降變形。

分析圖4曲線得出，隨深度增加地基孔隙水壓力不斷提高，在路堤填筑完成后孔隙水壓力逐漸消散，碎石樁處置深度孔隙水壓力消散速度快，超出處治深度消散速度較慢。深度為4 m和10 m位置的地基孔隙水壓力在完工后消散速度較快，在60 d以后基本穩(wěn)定，且在后續(xù)沒有出現(xiàn)大幅度升降變化。深度為20 m位置的孔隙水壓力消散速度較慢，在150 d逐步達(dá)到穩(wěn)定，分析原因是由于這個(gè)深度超出了碎石樁的處治范圍，孔隙水壓力消散速度慢，在工后一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了陡增陡降現(xiàn)象。與深度為4 m和10 m位置相比，深度為20 m位置孔隙水壓力消散速度慢，說明采用碎石樁處治后地基土孔隙水壓力消散速度快，碎石樁處治效果好。

3.2?單樁承載力計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果分析

按照設(shè)計(jì)要求，單樁承載力特征值不低于125 kN，按照單樁承載力試驗(yàn)荷載進(jìn)行模擬加載，計(jì)算在不同加載階段樁頂沉降量，繪制樁頂沉降變化曲線如圖5所示。

在施工現(xiàn)場(chǎng)制作試樁，開展單樁承載力試驗(yàn)，最大試驗(yàn)荷載250 kN，分九級(jí)加載，第一級(jí)加載荷載為50 kN，而后每級(jí)增加25 kN，分五級(jí)卸載，每級(jí)荷載50 kN。在試驗(yàn)過程中記錄樁頂沉降量，繪制Q-S曲線如圖6所示。

對(duì)比分析樁頂沉降計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，得出在模擬加載和試驗(yàn)加載過程中，樁頂沉降逐漸增加，且最終沉降量均＜40 mm，說明單樁承載力滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算，樁頂沉降量的最大值為29.42 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。現(xiàn)場(chǎng)單樁承載力試驗(yàn)中，樁頂沉降量最大值為29.71 mm，與計(jì)算結(jié)果相近。結(jié)合其他試樁試驗(yàn)結(jié)果，各單樁的承載力特征值均高于125 kN，說明碎石樁單側(cè)承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3?復(fù)合地基承載力計(jì)算結(jié)果分析

模擬復(fù)合地基承載力進(jìn)行加載，計(jì)算地基頂面沉降量，繪制地表沉降變化曲線如圖7所示，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，確定復(fù)合地基處治效果。地基承載力不低于160 kN。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最大荷載為320 kN，分九級(jí)加載，第一級(jí)加載荷載為64 kN，而后每級(jí)增加32 kN，分五級(jí)卸載，每級(jí)荷載64 kN。在試驗(yàn)過程中記錄地基頂面沉降量，繪制P-S曲線如圖8所示。

對(duì)比分析了復(fù)合地基承載力的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論：實(shí)測(cè)地基頂面最大沉降量與計(jì)算值十分接近，且均＜40 mm，說明計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，可用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。復(fù)合地基頂面沉降量的計(jì)算結(jié)果最大值為36.62 mm，實(shí)測(cè)最大值為36.74 mm，二者比較接近，且均＜40 mm，說明采用碎石樁處治后地基承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期的處治效果。

4?結(jié)語(yǔ)

為檢驗(yàn)紅黏土軟土地基振沖碎石樁處治效果，利用有限元建立模型對(duì)工后地基沉降量、孔隙水壓力、單樁承載力和復(fù)合地基承載力進(jìn)行計(jì)算，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

（1）路堤填筑完工后，地基頂面沉降在100 d基本穩(wěn)定，且總沉降量滿足設(shè)計(jì)要求；碎石樁處治深度內(nèi)地基孔隙水壓力消散速度快，影響范圍外孔隙水壓力消散速度慢，說明采用碎石樁處治后地基狀況得到明顯改善。

（2）樁頂沉降量數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最大值接近且均＜40 mm，實(shí)測(cè)單樁承載力特征值高于125 kN，說明單樁承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）復(fù)合地基頂面沉降量最大值計(jì)算值和實(shí)測(cè)值分別為36.62 mm和36.74 mm，二者比較接近，說明數(shù)值模擬分析結(jié)果準(zhǔn)確，采用碎石樁處治后地基承載力達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，加固效果好。

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