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(guó)黃土地區(qū)工程建設(shè)中所需面對(duì)的主要問(wèn)題之一，濕陷性的消除是我們解決濕陷性黃土地基問(wèn)題的最主要任務(wù)。目前，采用的地基處理方法主要有墊層法、強(qiáng)夯法、土或灰土擠密法、預(yù)浸水法和孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法。濕陷性黃土作為鐵路、公路等工程項(xiàng)目中最重要和常見(jiàn)的地基問(wèn)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(diǎn), 在天然濕度下, 其壓縮性較低, 強(qiáng)度較高, 但遇水侵濕時(shí), 土的強(qiáng)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(duì)地基的變形會(huì)產(chǎn)生很大的影響，進(jìn)一步影響地基上層混凝土結(jié)構(gòu)的安全。
?。ㄒ唬﹪?guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
我國(guó)鐵路在路基下沉的研究早于公路，早在1888年我國(guó)修筑的第一條鐵路中就對(duì)路基下沉問(wèn)題開(kāi)始了研究，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展鐵路中對(duì)沉降的觀測(cè)有了進(jìn)一步的研究，并且有了很多加強(qiáng)、加固的方法，其中有預(yù)浸水法、強(qiáng)夯法、墊層法、緊密法、硅化法等方法，本項(xiàng)目用緊密法對(duì)濕陷性黃土進(jìn)行處理。
?。ǘ┕こ谈艣r
我項(xiàng)目路基全長(zhǎng)19.263Km。其中路基K469+286.8~DK469+538.36是黃土濕陷性最嚴(yán)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(fù)雜，土質(zhì)較勻、半堅(jiān)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(jí)濕陷性黃土，因此我項(xiàng)目部根據(jù)黃土濕陷性的特點(diǎn)進(jìn)行了工藝研究，利用水泥土緊密樁的方法來(lái)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(lái)確保地基上層建筑結(jié)構(gòu)不因變形產(chǎn)生開(kāi)裂等現(xiàn)象，我們項(xiàng)目在這種環(huán)境下決定進(jìn)行工藝探索，用水泥土緊密樁的方法來(lái)消除黃土濕陷性。
?。ㄋ模M解決的主要問(wèn)題
1、濕陷性黃土檢測(cè)評(píng)估方法；
2、結(jié)合沉降觀測(cè)對(duì)緊密樁的數(shù)量和灰土配合比進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；
二、工作情況
?、逯饕芯窟^(guò)程及方法
1、對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行嚴(yán)格控制，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工控制緊密樁數(shù)量、和間距，進(jìn)行2%的單樁承載力試驗(yàn)，100%緊密樁壓實(shí)度試驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn)。
2、通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果及時(shí)改變灰土配合比、緊密樁間距等現(xiàn)場(chǎng)施工工藝；
3、進(jìn)行試驗(yàn)前后的沉降觀測(cè)對(duì)比，通過(guò)沉降觀測(cè)的結(jié)果和計(jì)算進(jìn)行綜合評(píng)估，從而評(píng)定灰土緊密樁的方法對(duì)黃土濕陷性的處治效果。
㈡主要研究成果
1、黃土濕陷性的得到了有效的控制；
2、加強(qiáng)了路基施工的施工隊(duì)伍，可以隨時(shí)改變施工工藝，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)調(diào)整；
3、根據(jù)固結(jié)試驗(yàn)、單樁承載力試驗(yàn)和壓實(shí)度試驗(yàn)的過(guò)程增加了路基施工的經(jīng)驗(yàn)；
三、主要技術(shù)
㈠ 關(guān)鍵技術(shù)
1、基樁檢測(cè)
采用復(fù)合地基承載力試驗(yàn)、壓實(shí)度試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)對(duì)地基處理的結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。
2、通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整灰土配合比、設(shè)計(jì)樁間距和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，同時(shí)對(duì)濕陷性黃土的變形進(jìn)行沉降觀測(cè)。
四、路基處理方案
（一）黃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(duì)路基范圍和附近的坑、穴回填夯實(shí)。
2、根據(jù)濕陷等級(jí)、濕陷起始?jí)毫?、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。
（二）灰土緊密加固設(shè)計(jì)
為了提高灰土強(qiáng)度、改善灰土性能，在灰土中摻入水泥量為3%，水泥優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了純灰土早起強(qiáng)度低的弱點(diǎn)，摻入水泥的灰土強(qiáng)度機(jī)理可能結(jié)合了灰土和水泥土兩者的特點(diǎn)。
1、樁間距的設(shè)計(jì)
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?jì)算：
S-孔心距（m）；d-鉆孔直徑（m）；ηc-擠密填孔后，三個(gè)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(shí)試驗(yàn)確定的最大干密度（g/cm3)
2、計(jì)算參數(shù)的確定：
孔心距S為1.4m；樁身長(zhǎng)21m；擠密樁預(yù)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(zhǎng)設(shè)計(jì)
根據(jù)原施工圖設(shè)計(jì)文件的橫斷面圖，以嵌入原地基下1米為準(zhǔn)，最小樁長(zhǎng)3m，最長(zhǎng)20m，按21m設(shè)計(jì)。
4、承載力確定
經(jīng)水泥灰土擠密樁加固處理后，路基復(fù)合承載力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：
Akfak=fsAs+fsAp
fak-復(fù)合地基特征值（kPa）
Ak-復(fù)合地基面積（m2）
Fs-復(fù)合地基樁間土的承載力
Ap-復(fù)合地基中樁間土所占的面積（m2）
根據(jù)上式計(jì)算得路基復(fù)合承載力設(shè)計(jì)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(shí)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(wú)雜質(zhì)，氧化鈣鎂含量小于60%。
土料應(yīng)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(jī)質(zhì)含量小于5%，嚴(yán)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(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)，有效氧化鈣鎂含量小于60%。
水泥采用42.5P.O，嚴(yán)禁使用過(guò)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(shí)擊數(shù)及最佳含水量，主要測(cè)試方法如下：
對(duì)樁身采用動(dòng)力觸探；樁周圍采用動(dòng)力觸探或標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。
樁身及樁周土取樣進(jìn)行室內(nèi)壓實(shí)度測(cè)試，樁身?yè)魧?shí)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(yàn)確定單樁承載力和復(fù)合地基承載力，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)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(jì)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(shí)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(guò)壓實(shí)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(shuō)壓實(shí)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(shí)度離散則會(huì)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(guò)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(shí)度低于中部的壓實(shí)度，這就造成因壓實(shí)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(jì)算及數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)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(duì)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(kāi)裂等后期癥狀。原因如下：
經(jīng)灰土擠密樁處理后，經(jīng)計(jì)算在不同壓實(shí)度條件下，其符合壓縮模量均得到了不同程度的提高，壓實(shí)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(jì)算得到在不同壓實(shí)度情況下，沉降量都得到了不同程度的降低并且不同壓實(shí)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(shí)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
?。ㄒ唬S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(yīng)部位在施工填筑期及工后加固期應(yīng)注意質(zhì)量控制，路緣帶在碾壓過(guò)程中應(yīng)避免少碾，盡量保證路堤壓實(shí)度的均勻性。
?。ǘ┯牲S土的工程性質(zhì)決定了黃土難以壓實(shí)，離散性較大。黃土高路堤在碾壓過(guò)程中難免局部壓實(shí)度低于0.9，而壓實(shí)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(dāng)填方高都大于20m的時(shí)，各級(jí)壓實(shí)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(jì)，填土高度增加5m即達(dá)25m時(shí)，在0.96的壓實(shí)度的情況下，沉降量超過(guò)規(guī)范值，有加固的必要性。
?。ㄈ簩?shí)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(shí)度為0.96未經(jīng)處理的黃土路堤沉降量。壓實(shí)度為0.85及0.96的黃土路堤處治前的沉降差達(dá)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(shí)度離散性而造成的沉降差，對(duì)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(wèn)唄的土性參數(shù)，對(duì)加固前后土性參數(shù)進(jìn)行研究，從而更加深入的了解灰土擠密樁對(duì)路堤的加固機(jī)理。
?。ǘ┭芯坎煌彝翑D密樁設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)黃土路堤的加固效果，獲得更加經(jīng)濟(jì)有效的設(shè)計(jì)。
結(jié)束語(yǔ)
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(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理，尚應(yīng)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(qiáng)夯法是在土樁擠密法的基礎(chǔ)上演化而來(lái)的一種新型深層地基處理方法，但對(duì)其理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐，特別是針對(duì)一些高要求的濕陷性黃土場(chǎng)地的系統(tǒng)應(yīng)用研究幾近空白。這就仍然需要我們不斷去探討和研究學(xué)習(xí)。
