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(biāo)進(jìn)行檢測，提出了水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁加固方案，并與傳統(tǒng)水泥攪拌樁加固方案的機(jī)理進(jìn)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(kuò)樁設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn)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(biāo)進(jìn)行檢測，提出了水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁加固方案，并與傳統(tǒng)水泥攪拌樁加固方案的機(jī)理進(jìn)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(kuò)樁設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn)參數(shù)和關(guān)鍵工藝;對水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁試驗(yàn)段進(jìn)行承載力檢驗(yàn)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(kuò)樁的工程造價(jià)和施工效率，佐證了水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)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(kuò)樁
0引言
軟土的典型特征表現(xiàn)為滲透性差，強(qiáng)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(jìn)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(diǎn)內(nèi)容，決定了路基穩(wěn)定性及后續(xù)高速公路運(yùn)營過程中的路用性能和安全性能表現(xiàn)，因此須展開重點(diǎn)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(jì)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(rèn)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(jì)厚度，降低經(jīng)濟(jì)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(jī)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(biāo)對模型中的地基軟土加固后承載力影響規(guī)律，同時(shí)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(jìn)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(xiàng)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(jìn)行分析，并對沉降變化數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(yùn)用FLAC數(shù)值分析軟件進(jìn)行模擬分析，以擠密度指標(biāo)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(rèn)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(xiàng)目實(shí)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(jī)理的基礎(chǔ)上，從加固處理思路、設(shè)計(jì)、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(yùn)用PLAXIS有限元軟件，對比了實(shí)樁和復(fù)合指標(biāo)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(shí)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(kuò)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(jì)角度并在試驗(yàn)路段進(jìn)行驗(yàn)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(biāo)進(jìn)行了檢測，提出水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁加固方案，與傳統(tǒng)水泥攪拌樁加固方案的機(jī)理進(jìn)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(kuò)樁設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn)參數(shù)和關(guān)鍵工藝;對水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁試驗(yàn)段進(jìn)行承載力檢驗(yàn)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(kuò)樁的工程造價(jià)和施工效率，佐證水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)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(jì)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(biāo)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果。
1.2原設(shè)計(jì)加固方案
原設(shè)計(jì)方案采取傳統(tǒng)的水泥攪拌樁加固方案。設(shè)計(jì)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(jì)樁間距，橋頭過渡段地基軟土處理段采用1.4m設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)水泥攪拌樁膠凝材料選擇普通P·O42.5硅酸鹽水泥，設(shè)計(jì)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(jì)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(kuò)樁加固設(shè)計(jì)方案
依托上述高速公路地基軟土加固項(xiàng)目，依據(jù)變更后新的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)段施工并展開分析，總結(jié)水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁設(shè)計(jì)方案的地基軟土處治加固效果，并優(yōu)化其設(shè)計(jì)參數(shù)、完善施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)控制。變更后的水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁加固設(shè)計(jì)方案具體如下：水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁僅在常規(guī)地基軟土處治段進(jìn)行實(shí)施，該段路基填高4.37～5.25m，邊坡坡率1∶1.5，試驗(yàn)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(kuò)樁的設(shè)計(jì)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(jì)為45cm，同時(shí)成樁后的樁徑應(yīng)在45cm以上，樁間距設(shè)計(jì)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(kuò)樁設(shè)計(jì)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(kuò)樁的設(shè)計(jì)樁身28天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度R28=1.5MPa，設(shè)計(jì)要求單樁承載力達(dá)到160kPa以上，通過水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)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(jī)理對比分析
2.1承載機(jī)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(shí)的樁，可以形成增強(qiáng)體，與擠密的樁間土一起組成復(fù)合地基，加固機(jī)理主要有以下三點(diǎn)：在成孔和成樁過程中，將地基軟土中的孔隙進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度。
石灰經(jīng)吸水消解體積發(fā)生膨脹，進(jìn)一 步對樁周土體擠壓的同時(shí)增加樁-土間的摩阻力，提高復(fù)合地基的承載能力，同時(shí)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(qiáng)度。經(jīng)水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁處理后，使松軟的原狀地基變成土的密實(shí)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(jì)方案在成樁鉆進(jìn)時(shí)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(xué)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(qiáng)樁體強(qiáng)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(kuò)樁在處治地基軟土和增強(qiáng)承載力過程中依靠的是多種的自應(yīng)力增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)。
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(jìn)樁周土和樁底土承載能力的加強(qiáng)，在應(yīng)力-應(yīng)變對應(yīng)規(guī)律上表現(xiàn)為曲線上移，可認(rèn)為水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)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(xiàng)及質(zhì)量檢驗(yàn)要求
3.1施工工藝分析
在全面實(shí)施水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁施工前，應(yīng)首先在試驗(yàn)段進(jìn)行試樁，試樁的水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)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(jì)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(jì)變更后的水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)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(shí)現(xiàn)質(zhì)量把控。
3.2施工注意事項(xiàng)
試驗(yàn)段水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁選用SK-1步履式長螺旋鉆機(jī)，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(dāng)日使用完畢。夯實(shí)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(yàn)要求
結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范要求，對水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。在成樁28天后進(jìn)行鉆探取芯，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，抽檢頻率應(yīng)為總樁數(shù)的1%～2%。強(qiáng)度值應(yīng)達(dá)到大于1.5MPa。在成樁28天或90天后進(jìn)行單樁承載力和復(fù)合地基承載力荷載試驗(yàn)，檢驗(yàn)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(yàn)檢測結(jié)果
試驗(yàn)段長314.5m，水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁按照正方形分布樁體平面布置形式，共計(jì)水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)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(kuò)樁，進(jìn)行成樁28天鉆芯檢測，將每根樁體等分為兩段，各截取3個(gè)芯樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，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(qiáng)度R28=1.61～2.44MPa，均達(dá)到了設(shè)計(jì)強(qiáng)度。
4.2承載力檢驗(yàn)結(jié)果
采用平板載荷試驗(yàn)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(jìn)行堆載檢測。經(jīng)檢測，試驗(yàn)段的20根水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)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(jì)目標(biāo)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(jìn)行觀測，路基填筑期3個(gè)月，等載預(yù)壓期6個(gè)月，卸載期1個(gè)月，路面攤鋪期2個(gè)月，沉降監(jiān)測期共12個(gè)月。施工期：每填筑一層觀測一次，預(yù)壓期：第一個(gè)月每三天觀測一次，第二、第三個(gè)月每七天觀測一次，自第四個(gè)月起每半個(gè)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(gè)整體，然后利用分層總和法計(jì)算工后沉降。經(jīng)過地基處理、路基填筑和6個(gè)月的預(yù)壓期后，沉降速率4.7mm/月(小于設(shè)計(jì)容許沉降速率5.0mm/月)，地基沉降49.1～51.9cm，設(shè)計(jì)總沉降65.0cm，工后沉降15.9~13.1cm(小于設(shè)計(jì)容許工后沉降30.0cm)。通過其中一典型試驗(yàn)路堤斷面沉降監(jiān)測情況進(jìn)行分析�？梢园l(fā)現(xiàn)，1~3個(gè)月的沉降速率最快，前6個(gè)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(gè)月時(shí)已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。
5工程造價(jià)和施工效率分析
原設(shè)計(jì)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(jì)水泥攪拌樁6724根;后經(jīng)設(shè)計(jì)變更為水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁加固方案，按照正方形分布樁體平面布置形式，共計(jì)水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁4651根，二者的工程量及造價(jià)對比情況，可以發(fā)現(xiàn)水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁加固方案的總造價(jià)為146.51萬元，比水泥攪拌樁加固方案總造價(jià)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(shí);水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)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(shí)，即施工速度可提升5.37倍。因此，可認(rèn)為變更后水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁加固方案總造價(jià)更低且施工效率提升明顯。水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)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(biāo)進(jìn)行了檢測，提出了水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁加固方案，并與傳統(tǒng)水泥攪拌樁設(shè)計(jì)方案的加固機(jī)理進(jìn)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(kuò)樁設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn)參數(shù)和關(guān)鍵工藝;對水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁試驗(yàn)段進(jìn)行承載力檢驗(yàn)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(jì)方案和水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁設(shè)計(jì)方案的工程造價(jià)和施工效率，得出主要結(jié)論：
(1)水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)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(kuò)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(qiáng)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(qiáng)(3)水泥石灰鋼渣碎石夯擴(kuò)樁能促進(jìn)樁周土和樁底土承載能力的加強(qiáng)，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(kuò)樁加固方案的總造價(jià)為146.51萬元，比水泥攪拌樁加固方案總造價(jià)低22.18%，同時(shí)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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