淺談灰土擠密樁加固高路堤
2015-05-29
一、研究背景
濕陷性是我國黃土地區(qū)工程建設(shè)中所需面對的主要問題之一，濕陷性的消除是我們解決濕陷性黃土地基問題的最主要任務。目前，采用的地基處理方法主要有墊層法、強夯法、土或灰土擠密法、預浸水法和孔內(nèi)深層強夯法。濕陷性黃土作為鐵路、公路等工程項目中最重要和常見的地基問題之一，由于濕陷性黃土是一種非飽和欠壓密土, 具有大孔和垂直節(jié)理特點, 在天然濕度下, 其壓縮性較低, 強度較高, 但遇水侵濕時, 土的強度顯著降低, 在附加壓力或附加壓力與土的自重壓力下引起的濕陷變形, 是一種下沉量大、下沉速度快的失穩(wěn)性變形, 對地基的變形會產(chǎn)生很大的影響，進一步影響地基上層混凝土結(jié)構(gòu)的安全。
?。ㄒ唬﹪鴥?nèi)外現(xiàn)狀
我國鐵路在路基下沉的研究早于公路，早在1888年我國修筑的第一條鐵路中就對路基下沉問題開始了研究，隨著經(jīng)濟的發(fā)展鐵路中對沉降的觀測有了進一步的研究，并且有了很多加強、加固的方法，其中有預浸水法、強夯法、墊層法、緊密法、硅化法等方法，本項目用緊密法對濕陷性黃土進行處理。
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我項目路基全長19.263Km。其中路基K469+286.8~DK469+538.36是黃土濕陷性最嚴重的地方。此段路基位于黃土高坡，地層以三疊系地層為主，巖性以砂，泥巖互層為多其走向南北，此段路基巖土組成復雜，土質(zhì)較勻、半堅固，具有微-中等濕陷，濕陷系數(shù)0.015-0.069，總濕陷量26.5cm～56.4cm屬于Ⅰ～Ⅱ級濕陷性黃土，因此我項目部根據(jù)黃土濕陷性的特點進行了工藝研究，利用水泥土緊密樁的方法來消除濕陷性。
?。ㄈ┨岢稣n題
為了能消除黃土的濕陷性，增加地基的穩(wěn)定性來確保地基上層建筑結(jié)構(gòu)不因變形產(chǎn)生開裂等現(xiàn)象，我們項目在這種環(huán)境下決定進行工藝探索，用水泥土緊密樁的方法來消除黃土濕陷性。
?。ㄋ模M解決的主要問題
1、濕陷性黃土檢測評估方法；
2、結(jié)合沉降觀測對緊密樁的數(shù)量和灰土配合比進行動態(tài)調(diào)整；
二、工作情況
㈠主要研究過程及方法
1、對施工現(xiàn)場進行嚴格控制，嚴格按照設(shè)計施工控制緊密樁數(shù)量、和間距，進行2%的單樁承載力試驗，100%緊密樁壓實度試驗和固結(jié)試驗。
2、通過試驗結(jié)果及時改變灰土配合比、緊密樁間距等現(xiàn)場施工工藝；
3、進行試驗前后的沉降觀測對比，通過沉降觀測的結(jié)果和計算進行綜合評估，從而評定灰土緊密樁的方法對黃土濕陷性的處治效果。
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1、黃土濕陷性的得到了有效的控制；
2、加強了路基施工的施工隊伍，可以隨時改變施工工藝，實現(xiàn)了動態(tài)調(diào)整；
3、根據(jù)固結(jié)試驗、單樁承載力試驗和壓實度試驗的過程增加了路基施工的經(jīng)驗；
三、主要技術(shù)
?、?nbsp;關(guān)鍵技術(shù)
1、基樁檢測
采用復合地基承載力試驗、壓實度試驗、固結(jié)試驗對地基處理的結(jié)果進行動態(tài)監(jiān)控。
2、通過試驗結(jié)果動態(tài)調(diào)整灰土配合比、設(shè)計樁間距和現(xiàn)場施工條件，同時對濕陷性黃土的變形進行沉降觀測。
四、路基處理方案
?。ㄒ唬S土濕陷性處理的原則：
1、設(shè)置完善的路基路面截、排水系統(tǒng)；對路基范圍和附近的坑、穴回填夯實。
2、根據(jù)濕陷等級、濕陷起始壓力、濕陷土厚度及分布層位等，結(jié)合路基填土高度、地基受水侵濕可能性大小，地基處理采用緊密樁的方法。
?。ǘ┗彝辆o密加固設(shè)計
為了提高灰土強度、改善灰土性能，在灰土中摻入水泥量為3%，水泥優(yōu)點彌補了純灰土早起強度低的弱點，摻入水泥的灰土強度機理可能結(jié)合了灰土和水泥土兩者的特點。
1、樁間距的設(shè)計
依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025-2004）緊密樁的孔位按正三角形布置?？仔木嗫砂聪率接嬎悖?br />
S-孔心距（m）；d-鉆孔直徑（m）；ηc-擠密填孔后，三個孔之間土的平均擠密系數(shù)；ρ-地基擠密前壓縮土層范圍內(nèi)各土層的平均干密度（g/cm3);ρmax-擊實試驗確定的最大干密度（g/cm3)
2、計算參數(shù)的確定：
孔心距S為1.4m；樁身長21m；擠密樁預鉆孔直徑d為0.4m；擠密樁填料孔直徑D為0.48m；平均擠密系數(shù)取0.9.
3、樁長設(shè)計
根據(jù)原施工圖設(shè)計文件的橫斷面圖，以嵌入原地基下1米為準，最小樁長3m，最長20m，按21m設(shè)計。
4、承載力確定
經(jīng)水泥灰土擠密樁加固處理后，路基復合承載力標準值按下式計算：
Akfak=fsAs+fsAp
fak-復合地基特征值（kPa）
Ak-復合地基面積（m2）
Fs-復合地基樁間土的承載力
Ap-復合地基中樁間土所占的面積（m2）
根據(jù)上式計算得路基復合承載力設(shè)計值為220kPa；
5、夯擊能
夯錘可采用桿狀錘，夯擊能不小于8000N·M
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樁身材料采用生石灰、水泥和土，配合比采用7:3:90.施工時混合料的最佳含水量控制為14%-16%。生石灰最大粒徑小于1cm，無雜質(zhì)，氧化鈣鎂含量小于60%。
土料應盡量使用就地挖出的純凈黃土或一般粘性土、粉土，土料中的有機質(zhì)含量小于5%，嚴禁使用耕土、雜土、淤泥、鹽土，土料中不得夾有磚塊、瓦礫、生活垃圾、雜土凍土和膨脹土。
生石灰顆粒直徑不得大于5cm，石灰質(zhì)量符合二級以上標準，有效氧化鈣鎂含量小于60%。
水泥采用42.5P.O，嚴禁使用過期、受潮、結(jié)塊、的水泥。
1、試樁
試樁所要確定的施工參數(shù)，包括填料厚度、夯實擊數(shù)及最佳含水量，主要測試方法如下：
對樁身采用動力觸探；樁周圍采用動力觸探或標準貫入試驗。
樁身及樁周土取樣進行室內(nèi)壓實度測試，樁身擊實系數(shù)大于96%，樁周土擠密系數(shù)大于92%。
加固效果均可采用盡在試驗確定單樁承載力和復合地基承載力，對設(shè)計進行驗算。
2、沉降變形原因及加固效果分析
從分層總和法及數(shù)值分析的計算結(jié)果結(jié)合沉降裂縫調(diào)查，可以做如下分析：
在高填方路堤，某一圖層附加荷載將隨填土高度的增加而增加，所以在同一壓實度狀況下，某一土層覆土層越厚，則該土層的壓縮量將越大，從而造成路堤表面的沉降量隨填土高度增加而增加。由于高填方路堤沉降量通過壓實度的提高可以提高土體的壓縮模量，在同等荷載情況下，壓縮模量越大土體的壓縮量越小，從而路堤頂面的沉降量越小。也駕駛說壓實度的提高可以降低高路堤的沉降量，由此我們可以想到，填方高度一定的情況下，若填方土體的壓實度離散則會造成沉降量不一，從而產(chǎn)生沉降差出現(xiàn)沉降裂縫，而在填方碾壓過程中由于填方外側(cè)的碾壓京城低于路堤中部從而造成填方外側(cè)邊緣土的壓實度低于中部的壓實度，這就造成因壓實度不均勻而造成的沉降差，這也就是為什么在路緣帶較容易形成裂縫。
從沉降計算及數(shù)值模擬結(jié)果來看，黃土高路堤經(jīng)灰土擠密樁加固后，路堤的壓縮量比原路堤的壓縮量有明顯的降低，工后沉降量明顯減少，高路堤沉降差得到較大的消除，沉降量相對均勻，這樣就減少了高路堤因沉降量大，沉降差較而引起的路基開裂等后期癥狀。原因如下：
經(jīng)灰土擠密樁處理后，經(jīng)計算在不同壓實度條件下，其符合壓縮模量均得到了不同程度的提高，壓實度越低的情況下，其符合壓縮模量提高的程度越大，沉降量降低的越多。并且經(jīng)灰土擠密樁擠密后，經(jīng)計算得到在不同壓實度情況下，沉降量都得到了不同程度的降低并且不同壓實度情況下同等高度的高填方經(jīng)灰土擠密樁處理后沉降差較小。
加固前及加固期間，路面的總沉降量中，路堤自身的沉降量占絕大部分，在加固后，隨著時間的推移了，路堤自身沉降量略小于基底沉降量。
在工后沉降中，基底沉降速率減緩幅度很小，路堤沉降速率減緩幅度很大。后期路堤自身的沉降量逐漸小于基底沉降量。
加固后，路堤自身的沉降速率急劇變小，沉降量很小。
五、由以上分析得出結(jié)論：
?。ㄒ唬┞返坦Ш虺两盗枯^大，沉降期較短，沉降量主要發(fā)生在工后的前期
?。ǘ┗彝翑D密樁加固后可以減少黃土高填路堤的工后沉降量，大大縮短了工后沉降期，加固效果良好。
六、結(jié)論
（一）黃土高路堤的沉降量受地形、路堤的部位影響較大，在地形起伏大、填筑交界處、路緣帶沉降差較大，易形成沉降裂縫，相應部位在施工填筑期及工后加固期應注意質(zhì)量控制，路緣帶在碾壓過程中應避免少碾，盡量保證路堤壓實度的均勻性。
?。ǘ┯牲S土的工程性質(zhì)決定了黃土難以壓實，離散性較大。黃土高路堤在碾壓過程中難免局部壓實度低于0.9，而壓實度的離散性容易造成高路堤的沉降差從而易促成沉降縫，當填方高都大于20m的時，各級壓實度下路堤的沉降量都將隨著填筑高度的增加而顯著放大，以20m的高填路堤計，填土高度增加5m即達25m時，在0.96的壓實度的情況下，沉降量超過規(guī)范值，有加固的必要性。
（三）壓實度為0.85、填方高度為20m的黃土高路堤經(jīng)灰土擠密樁處治后，沉降量小于壓實度為0.96未經(jīng)處理的黃土路堤沉降量。壓實度為0.85及0.96的黃土路堤處治前的沉降差達16cm，經(jīng)灰土擠密樁處治后沉降差小為4.1cm，既灰土擠密樁處治后，能有效降低黃土因壓實度離散性而造成的沉降差，對黃土路堤沉降裂縫的處治效果良好。
七、建議
?。ㄒ唬┰诨彝翑D密樁加固前后，去得更加問唄的土性參數(shù)，對加固前后土性參數(shù)進行研究，從而更加深入的了解灰土擠密樁對路堤的加固機理。
?。ǘ┭芯坎煌彝翑D密樁設(shè)計參數(shù)對黃土路堤的加固效果，獲得更加經(jīng)濟有效的設(shè)計。
結(jié)束語
利用灰土擠密樁加固高路堤，并不能完全消除黃土濕陷性，只是在一定程度上可以消除，現(xiàn)有成熟的濕陷性黃土地基處理方法一般只能消除基底下20m以內(nèi)地基土的濕陷性，為使處理后的地基技術(shù)先進、經(jīng)濟合理，尚應研究行之有效的處理大厚度自重濕陷性黃土地基的新方法。 處理后的濕陷性黃土地基是一種典型的非飽和土，而非飽和土孔內(nèi)深層強夯法是在土樁擠密法的基礎(chǔ)上演化而來的一種新型深層地基處理方法，但對其理論研究遠遠落后于工程實踐，特別是針對一些高要求的濕陷性黃土場地的系統(tǒng)應用研究幾近空白。這就仍然需要我們不斷去探討和研究學習。
