本文摘要：摘 要：依托某高速公路軟地基土處理工程，對工程現(xiàn)場路基軟土性能指標進行檢測，提出了水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁加固方案，并與傳統(tǒng)水泥攪拌樁加固方案的機理進行對比分析。在對比兩種軟基土加固施工工藝的基礎(chǔ)上，明確水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁設(shè)計方案的重點參數(shù)和關(guān)鍵工
摘 要：依托某高速公路軟地基土處理工程，對工程現(xiàn)場路基軟土性能指標進行檢測，提出了水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁加固方案，并與傳統(tǒng)水泥攪拌樁加固方案的機理進行對比分析。在對比兩種軟基土加固施工工藝的基礎(chǔ)上，明確水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁設(shè)計方案的重點參數(shù)和關(guān)鍵工藝;對水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁試驗段進行承載力檢驗和沉降變化監(jiān)測，明確其軟基土加固的有效性;最后，對比水泥攪拌樁和水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁的工程造價和施工效率，佐證了水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁設(shè)計方案的經(jīng)濟性和總體優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：路基;軟土地基;沉降;復(fù)合地基承載力;水泥攪拌樁;水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁
0引言
軟土的典型特征表現(xiàn)為滲透性差，強度低，孔隙比、壓縮性以及含水率高，在公路路基建設(shè)過程中的工程特性相對較差，在軟土廣泛分布地區(qū)須采取一定的加固措施對其進行針對性的處治，否則會出現(xiàn)路基邊坡承載力不足的問題，甚至在較大沉降下引起邊坡失穩(wěn)[1]。
軟土處理是高速公路修建施工過程中的重點內(nèi)容，決定了路基穩(wěn)定性及后續(xù)高速公路運營過程中的路用性能和安全性能表現(xiàn)，因此須展開重點研究。有關(guān)公路軟基土加固方案方面已有一定的研究基礎(chǔ)：孫勇[2]針對地基軟土在拓寬工程建設(shè)中穩(wěn)定性不足的問題，搭建了MIDAS等有限元模型，模擬土工格柵加固方案的加固效果，分析了加筋層數(shù)對應(yīng)力、位移和穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并得出了3層為土工格柵最佳加筋層數(shù)的結(jié)論。
劉海鵬等[3]為了解決地基軟土承載力不足的問題，在摻加石灰加固的基礎(chǔ)上，提出摻加酶固化劑的改良方案，設(shè)計了酶和石灰的復(fù)合改良對比組，并以CBR值表征加固結(jié)果，認為石灰和酶固化劑的復(fù)合改良方案能夠提升地基軟土承載能力，降低路基結(jié)構(gòu)層設(shè)計厚度，降低經(jīng)濟成本。
楊慧等[4]在地基軟土加固過程中引入了布袋灌注樁加固方案，在介紹布袋灌注樁承載力構(gòu)成機理的基礎(chǔ)上，通過ANSYS有限元分析軟件，搭建了數(shù)據(jù)模型，研究灌注壓力、樁長以及樁徑等指標對模型中的地基軟土加固后承載力影響規(guī)律，同時明確了布袋灌注樁表現(xiàn)為剛體特征，可發(fā)生無法恢復(fù)的下沉，進而引發(fā)周邊土體下沉;劉勝群等[5]依托高速公路地基軟土加固施工項目。
在分析工程現(xiàn)場土體性能的基礎(chǔ)上，通過FLAC數(shù)值分析軟件，搭建了地基軟土承載力分析模型，研究碎石樁對地基軟土的加固效果，對填筑過程中樁體塑性區(qū)特征、位移及應(yīng)力變化規(guī)律進行分析，并對沉降變化數(shù)值進行統(tǒng)計，模擬結(jié)果表明：碎石樁能有效加固地基軟土，提升其承載能力;王會永等[6]為研究沿海地區(qū)地基軟土加固方案，提出了CFG樁加固設(shè)想，并運用FLAC數(shù)值分析軟件進行模擬分析，以擠密度指標表征地基軟土加固效果，對比并分析了單樁和群樁等方案，認為群樁法可更好地通過疊加效應(yīng)提升地基軟土擠密度，但其優(yōu)勢隨樁距和樁徑的提升而逐漸變小。
溫宇軒等[7]依托地基軟土處理加固項目實例，研究了水泥攪拌樁加固方案的應(yīng)用，在分析水泥攪拌樁作用機理的基礎(chǔ)上，從加固處理思路、設(shè)計、施工工藝、成樁質(zhì)量分析等角度展開了論述，明確了水泥攪拌樁在地基軟土處治加固中的關(guān)鍵控制因素;陳良志等[8]依托海堤地基軟土加固工程，運用PLAXIS有限元軟件，對比了實樁和復(fù)合指標建模的差異性，在模型數(shù)值分析對比的基礎(chǔ)上得出了實樁建模方案能更為有效地表征土拱效應(yīng)等現(xiàn)象，體現(xiàn)樁間土的約束情況。
綜上所述，針對地基軟土加固處理方案方面已有一定的研究基礎(chǔ)，包括土工格柵加固方案、石灰酶固化劑復(fù)合改良方案、布袋灌注樁加固方案、碎石樁加固方案、CFG樁加固方案及水泥攪拌樁加固方案等，但涉及到水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁加固地基軟土的研究較為薄弱，且現(xiàn)有研究較多傾向于模擬分析，從設(shè)計角度并在試驗路段進行驗證方面仍存在一定空白。
本文依托某高速公路軟基土處理工程，對工程現(xiàn)場地基軟土性能指標進行了檢測，提出水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁加固方案，與傳統(tǒng)水泥攪拌樁加固方案的機理進行對比分析;在對比兩種軟基土加固施工工藝的基礎(chǔ)上，明確水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁設(shè)計方案的重點參數(shù)和關(guān)鍵工藝;對水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁試驗段進行承載力檢驗和沉降變化監(jiān)測，明確其軟基土加固的有效性;最后，對比傳統(tǒng)水泥攪拌樁和水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁的工程造價和施工效率，佐證水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁設(shè)計方案的經(jīng)濟性和總體優(yōu)勢。研究成果可為公路軟基土加固工程研究及應(yīng)用提供一定數(shù)據(jù)參考。
1工程概況
1.1地基軟土特性
本文依托的某高速公路軟基土處理工程的路基設(shè)計全寬為36.0m，施工范圍內(nèi)廣泛分布有軟弱性土體，其中大多為粉質(zhì)黏土，呈軟塑狀態(tài)。該粉質(zhì)黏土產(chǎn)生于靜水環(huán)境，由沉積演變得到，厚度大多處于1.5～7.7m，部分區(qū)域軟土厚度較淺，處于0.7～6.5m深度范圍內(nèi)。對工程現(xiàn)場地基軟土樣本性能指標進行檢測，檢測結(jié)果。
1.2原設(shè)計加固方案
原設(shè)計方案采取傳統(tǒng)的水泥攪拌樁加固方案。設(shè)計樁徑為ϕ50cm，考慮到沉降控制和穩(wěn)定性提升的要求，確定了3種樁間距選擇，分別為1.2，1.4，1.6m。其中，常規(guī)地基軟土處理段采用1.6m設(shè)計樁間距，橋頭過渡段地基軟土處理段采用1.4m設(shè)計樁間距，涵洞下部及橋頭地基軟土處理段則采用1.2m設(shè)計樁間距。
樁體平面布置形式為等邊三角形分布，水泥攪拌樁伸入穩(wěn)定持力層的深度在60cm以上，加固范圍延伸至坡腳向外60cm處。原設(shè)計水泥攪拌樁膠凝材料選擇普通P·O42.5硅酸鹽水泥，設(shè)計水灰比處于0.48～0.52范圍，水泥摻配比例為軟土質(zhì)量的15%，設(shè)計要求通過水泥攪拌樁方案加固后地基軟土承載力特征值在130kPa以上。
1.3水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁加固設(shè)計方案
依托上述高速公路地基軟土加固項目，依據(jù)變更后新的設(shè)計方案進行試驗段施工并展開分析，總結(jié)水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁設(shè)計方案的地基軟土處治加固效果，并優(yōu)化其設(shè)計參數(shù)、完善施工關(guān)鍵節(jié)點控制。變更后的水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁加固設(shè)計方案具體如下：水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁僅在常規(guī)地基軟土處治段進行實施，該段路基填高4.37～5.25m，邊坡坡率1∶1.5，試驗階段暫不包含橋頭過渡地基軟土處理段、涵洞下部及橋頭地基軟土處理段。
水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁的設(shè)計原材料主要包含四類，分別為山皮石、地基軟土、石灰鋼渣混合料和水泥，其摻配比例為60∶37∶2∶5，其中山皮石的最大粒徑應(yīng)控制在25cm以下，樁體平面布置形式為正方形分布，成孔直徑設(shè)計為45cm，同時成樁后的樁徑應(yīng)在45cm以上，樁間距設(shè)計為1.80m，加固范圍延伸至坡腳向外60cm處。
水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁設(shè)計樁長與原水泥攪拌樁方案保持一致，均為7.00m，伸入穩(wěn)定持力層的深度也同樣在60cm以上。水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁的設(shè)計樁身28天無側(cè)限抗壓強度R28=1.5MPa，設(shè)計要求單樁承載力達到160kPa以上，通過水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁方案加固后復(fù)合地基承載力特征值在135kPa以上，路基工后沉降≤30cm。
2加固機理對比分析
2.1承載機理分析
采用水泥石灰鋼渣碎石攪拌而成的散體混合料分層夯實的樁，可以形成增強體，與擠密的樁間土一起組成復(fù)合地基，加固機理主要有以下三點：在成孔和成樁過程中，將地基軟土中的孔隙進行壓縮、降低地基軟土含水率，對樁周的地基軟土擠壓產(chǎn)生擠密作用，并增強地基軟土有效應(yīng)力;成樁后地基土中的水滲透到樁體中，混合料中的水泥、石灰吸水，產(chǎn)生水化反應(yīng)，形成膠凝物質(zhì)，黏結(jié)固化樁體混合料中的碎石、鋼渣等材料，提高樁體的整體性和強度。
石灰經(jīng)吸水消解體積發(fā)生膨脹，進一 步對樁周土體擠壓的同時增加樁-土間的摩阻力，提高復(fù)合地基的承載能力，同時與樁周黏土顆粒發(fā)生一系列離子交換、凝硬反應(yīng)和碳酸化反應(yīng)，增大了樁土界面樁周土的強度。經(jīng)水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁處理后，使松軟的原狀地基變成土的密實度顯著增加、承載力大幅提高、沉降量得到有效控制、沉降期大為縮短的復(fù)合地基。
2.2承載能力提升分析
原水泥攪拌樁設(shè)計方案在成樁鉆進時將地基軟土和水泥充分混合，水泥中的活性成分與地基軟土中的水分充分結(jié)合并發(fā)生水化化學反應(yīng)，從而形成水泥石樁體骨架，在硬化完全后構(gòu)成承載力充足的水泥土結(jié)構(gòu)。因此，該方案可有效增強樁體強度和承載能力，但對樁周土體的影響則相對有限。
與之不同的是水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁在處治地基軟土和增強承載力過程中依靠的是多種的自應(yīng)力增強作用，在粉化、膨脹、擠密等一系列作用下，除了樁身自身的增強作用外，樁周土和樁底土的承載能力同樣也會在該作用下得到加強。
理論上可根據(jù)樁土材料彈塑性質(zhì)將其劃分為三種類型，并對比分析其應(yīng)力-應(yīng)變對應(yīng)規(guī)律。相較于水泥攪拌樁應(yīng)力-應(yīng)變對應(yīng)規(guī)律曲線，應(yīng)力樁能促進樁周土和樁底土承載能力的加強，在應(yīng)力-應(yīng)變對應(yīng)規(guī)律上表現(xiàn)為曲線上移，可認為水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁的適應(yīng)性更佳，對地基軟土及其他各類土體均有更好的處治加固效果。
3施工工藝、施工注意事項及質(zhì)量檢驗要求
3.1施工工藝分析
在全面實施水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁施工前，應(yīng)首先在試驗段進行試樁，試樁的水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁數(shù)目為20根，在試樁過程中總結(jié)出基本工藝流程。
原設(shè)計方案的水泥攪拌樁施工過程相對較為復(fù)雜且隱蔽性較高，質(zhì)量把控具備一定的難度，而設(shè)計變更后的水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁則工序較為簡單且可見性好，在成樁過程中便于查看與檢測，從而有效實現(xiàn)質(zhì)量把控。
3.2施工注意事項
試驗段水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁選用SK-1步履式長螺旋鉆機，鉆頭直徑為45.0cm，螺旋鉆桿長為15.0m，樁底虛土厚在50.0cm以內(nèi)，控制成孔傾斜度在1.0%以下，孔徑偏差在0.5cm以內(nèi)，孔位偏差在5.0cm以內(nèi)。拌和過程中應(yīng)以拌合料色澤均一、目視無色差為宜，并于當日使用完畢。夯實過程中，在投入山皮石前應(yīng)先空夯3～4次，選用的夯錘重600kg，直徑為43.0cm。單次入料體積不應(yīng)超過0.20m3，夯擊落錘高度在2.5m以上，且夯擊次數(shù)在6次以上。成樁后鋪設(shè)50.0cm砂墊層，并在其中間位置布設(shè)聚丙烯土工格柵。
3.3質(zhì)量檢驗要求
結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范要求，對水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁進行質(zhì)量檢驗。在成樁28天后進行鉆探取芯，進行無側(cè)限抗壓強度試驗，抽檢頻率應(yīng)為總樁數(shù)的1%～2%。強度值應(yīng)達到大于1.5MPa。在成樁28天或90天后進行單樁承載力和復(fù)合地基承載力荷載試驗，檢驗頻率為總樁數(shù)的0.2%～0.5%，且不應(yīng)少于3處。要求測定的單樁承載力大于160kPa，復(fù)合地基承載力大于135kPa。樁徑大于45cm、樁長允許偏差±10cm、樁距允許偏差±15cm。
4試驗檢測結(jié)果
試驗段長314.5m，水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁按照正方形分布樁體平面布置形式，共計水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁4651根。
4.1鉆芯結(jié)果
選取了60根水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁，進行成樁28天鉆芯檢測，將每根樁體等分為兩段，各截取3個芯樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗，取芯過程中為降低芯樣的擾動，采用雙管單動取樣器鉆取芯樣。無側(cè)限抗壓強度R28=1.61～2.44MPa，均達到了設(shè)計強度。
4.2承載力檢驗結(jié)果
采用平板載荷試驗檢測單樁和復(fù)合地基承載力，載荷檢測最大加載量為270kPa進行堆載檢測。經(jīng)檢測，試驗段的20根水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁單樁承載力175～190kPa，加固后的復(fù)合地基承載力145～165kPa，均滿足設(shè)計目標要求。
4.3沉降監(jiān)測分析
該路段在路堤中心和兩側(cè)路肩埋置沉降觀測板進行觀測，路基填筑期3個月，等載預(yù)壓期6個月，卸載期1個月，路面攤鋪期2個月，沉降監(jiān)測期共12個月。施工期：每填筑一層觀測一次，預(yù)壓期：第一個月每三天觀測一次，第二、第三個月每七天觀測一次，自第四個月起每半個月觀測一次，直至預(yù)壓期結(jié)束。
通過把復(fù)合地基加固區(qū)的樁間土和樁體考慮成一個整體，然后利用分層總和法計算工后沉降。經(jīng)過地基處理、路基填筑和6個月的預(yù)壓期后，沉降速率4.7mm/月(小于設(shè)計容許沉降速率5.0mm/月)，地基沉降49.1～51.9cm，設(shè)計總沉降65.0cm，工后沉降15.9~13.1cm(小于設(shè)計容許工后沉降30.0cm)。通過其中一典型試驗路堤斷面沉降監(jiān)測情況進行分析�？梢园l(fā)現(xiàn)，1~3個月的沉降速率最快，前6個月即趨于80%以上的沉降量，后續(xù)沉降速率減緩。在行車荷載和自重沉降等復(fù)合條件的影響下，12個月時已經(jīng)達到了穩(wěn)定狀態(tài)。
5工程造價和施工效率分析
原設(shè)計方案采用水泥攪拌樁加固，按照等邊三角形分布樁體，平面布置共計水泥攪拌樁6724根;后經(jīng)設(shè)計變更為水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁加固方案，按照正方形分布樁體平面布置形式，共計水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁4651根，二者的工程量及造價對比情況，可以發(fā)現(xiàn)水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁加固方案的總造價為146.51萬元，比水泥攪拌樁加固方案總造價低22.18%。
在施工效率方面，水泥攪拌樁加固方案成樁速率約5.2min/m，全部完成約244753.6分鐘，即4079小時;水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁加固方案成樁速率約1.4min/m，全部完成約45579.8分鐘，即760小時，即施工速度可提升5.37倍。因此，可認為變更后水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁加固方案總造價更低且施工效率提升明顯。水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁和水泥攪拌樁方案的綜合對比情況。
6結(jié)語
本文依托某高速公路軟基土處理工程，對工程現(xiàn)場地基軟土性能指標進行了檢測，提出了水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁加固方案，并與傳統(tǒng)水泥攪拌樁設(shè)計方案的加固機理進行了對比分析;在對比兩種軟基土加固施工工藝的基礎(chǔ)上，明確水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁設(shè)計方案的重點參數(shù)和關(guān)鍵工藝;對水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁試驗段進行承載力檢驗和沉降變化監(jiān)測，明確其軟基土加固的有效性;對比水泥攪拌樁設(shè)計方案和水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁設(shè)計方案的工程造價和施工效率，得出主要結(jié)論：
(1)水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁山皮石、地基軟土、粉體外加劑和水泥摻配比例為60∶37∶2∶5。(2)水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁在水化反應(yīng)、膨脹、擠密等一系列作用下，除了樁身自身的增強作用外，樁周土和樁底土的承載能力同樣也會在該作用下得到加強(3)水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁能促進樁周土和樁底土承載能力的加強，在應(yīng)力-應(yīng)變對應(yīng)規(guī)律示意圖上表現(xiàn)為曲線上移。(4)水泥石灰鋼渣碎石夯擴樁加固方案的總造價為146.51萬元，比水泥攪拌樁加固方案總造價低22.18%，同時施工速度可提升5.37倍。
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作者：楊興華，王曉帆
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