粉噴樁處理黃土溝壑區(qū)濕軟地基的試驗(yàn)研究

郭利平,劉軍營,張守一

(陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司,陜西 西安 710086)

粉噴樁處理黃土溝壑區(qū)濕軟地基的試驗(yàn)研究

郭利平,劉軍營,張守一

(陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司,陜西 西安 710086)

粉噴樁復(fù)合地基加固技術(shù)作為一種成功的加固方法已在許多軟土地區(qū)廣泛應(yīng)用,但涉及到黃土溝壑區(qū)濕軟地基處理的研究較少。以陜北黃土溝壑區(qū)某公路為實(shí)例,進(jìn)行粉噴樁復(fù)合地基載荷現(xiàn)場試驗(yàn),并對加固前后地基土體的變形和強(qiáng)度進(jìn)行對比分析。得到了地基承載力、樁間土承載力折減系數(shù)、樁土應(yīng)力比、變形模量等有關(guān)參數(shù)。采用粉噴樁加固處理黃土溝壑區(qū)的濕軟地基,可以提高軟土地基的變形模量,從而較大程度的減小路基沉降,提高路基的整體穩(wěn)定性。

路基工程;粉噴樁;黃土溝壑區(qū);濕軟地基;載荷試驗(yàn)

0 前 言

關(guān)于軟土地基處理,國內(nèi)外已積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)[1～3]。如粉噴樁復(fù)合地基,由于其施工工期短、無公害、施工過程無噪音、不排污等優(yōu)點(diǎn),已在軟土地區(qū)廣泛應(yīng)用,并取得良好的加固效果。關(guān)于黃土溝壑區(qū)濕軟地基,由于工程建設(shè)較少,理論研究也相對滯后,目前還沒有相應(yīng)專著[4～8]。該地區(qū)濕軟地基形成于狹長溝谷底部,有著其獨(dú)特的工程性質(zhì)。如形成時(shí)間較短,厚度變化大;同一地段土體性質(zhì)沿深度變化不顯著,但不同地段土體性質(zhì)差異明顯;土層的變形特性與周圍臨近地基土差異很大等等。目前在對之進(jìn)行處理時(shí),基本是借鑒其它軟土地區(qū)的成功經(jīng)驗(yàn)。但是否經(jīng)濟(jì)適用,還有待于進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證。

鑒于此,本文結(jié)合某黃土溝壑區(qū)高速公路濕軟地基粉噴樁復(fù)合地基處理進(jìn)行載荷試驗(yàn)研究,分析加固前后地基土體的強(qiáng)度和變形,為相應(yīng)理論研究提供一定依據(jù)。

1 工程概況

公路沿線位于陜北黃土高原南部,屬典型的黃土臺(tái)塬、黃土梁峁及溝壑區(qū),其中公路路線近40 km沿狹長溝底布設(shè),分布有連續(xù)性差、層厚變化大及土體性質(zhì)特殊的濕軟黃土地基。粉噴樁復(fù)合地基試樁區(qū)線路經(jīng)過一級(jí)階地前緣,路基范圍內(nèi)右幅壓溝。冬季地表滯水結(jié)冰,濕地凍溶泥濘。最大填方高度7.34 m。表層土體為褐黃色低液限黃土狀土Q4pl+al,厚度4.2～6.0 m,欠固結(jié),含鈣質(zhì)結(jié)核,飽和,呈軟塑—流塑狀態(tài),基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo):天然含水率w=29.5%,天然孔隙比e=0.887,液性指數(shù)IL=0.84,壓縮系數(shù)a=0.32,容許承載力[σ0]=50～70 kPa;下部為泥巖,容許承載力[σ0]＞220 kPa。地下水有一定埋深。Q4pl+al土質(zhì)不均,結(jié)構(gòu)疏松,工程性能差。

設(shè)計(jì)方案中對厚度大于4 m的濕軟地基進(jìn)行粉噴樁復(fù)合地基處理。施工選用PH-5A型粉噴樁機(jī),攪拌軸長18 m,攪拌葉片直徑50 cm,動(dòng)力頭功率37kW。復(fù)合地基相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)如下:樁長5.0～7.0m,樁徑50 cm,加固劑為325號(hào)普通硅酸鹽水泥,水泥摻入比15%,水泥土強(qiáng)度2.0MPa(90 d齡期),施工時(shí)水泥摻入量50 kg/m,?；颐嬉韵聦渡砩喜?/2范圍內(nèi)進(jìn)行復(fù)攪,有效復(fù)攪深度3.5 m。樁按梅花形布置,間距1.0 m,面積置換率為24%。

2 現(xiàn)場地基載荷試驗(yàn)

在試樁區(qū)分別進(jìn)行天然地基、樁間土、單樁以及單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)。水泥土齡期大于25 d。試驗(yàn)方法采用慢速維持荷載法。壓板底高程同設(shè)計(jì)標(biāo)高。對天然地基,分別進(jìn)行壓板面積為0.071、0.196、0.817 m2的載荷試驗(yàn),對樁間土分別進(jìn)行壓板直徑為0.071、0.196 m2的載荷試驗(yàn),每種情況進(jìn)行三組平行試驗(yàn),以分析壓板尺寸對地基承載力的影響。單樁載荷試驗(yàn)壓板面積同單樁,為0.196 m2,單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)壓板直徑根據(jù)面積置換率確定,為0.817 m2。試驗(yàn)過程中加卸荷及測讀程序的標(biāo)準(zhǔn),成果曲線及荷載的判定均以《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2002)為依據(jù)。

載荷試驗(yàn)結(jié)果見表1。載荷試驗(yàn)P-S曲線見圖1。圖1中天然地基和樁間土載荷試驗(yàn)曲線中由內(nèi)至外分別為0.071、0.196、0.817 m2和 0.071、0.196 m2壓板對應(yīng)試驗(yàn)曲線,因同一壓板尺寸下的各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差甚微,為清楚反映壓板尺寸對地基承載力的影響,這兩類試驗(yàn)的P-S曲線已用平均值表示。

表1 載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

3 試驗(yàn)資料分析

3.1 復(fù)合地基承載力

如圖1,溝壑區(qū)濕軟地基粉噴樁復(fù)合地基承載力仍由樁體和樁間土共同承擔(dān),符合其它軟土地區(qū)復(fù)合地基中樁與樁間土的受力原理,承載力可按下式求得:

式中:fsp、fp、fs分別為復(fù)合地基、粉噴樁單樁和樁間天然地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值,可根據(jù)現(xiàn)場載荷試驗(yàn)確定;Ap為粉噴樁單樁截面積;m為粉噴樁的面積置換率;β為樁間土承載力折減系數(shù)。

以下分析中均按S-lgP曲線拐點(diǎn)確定的特征值進(jìn)行。

圖1 載荷試驗(yàn)P-S曲線

3.2 樁間土承載力

在對復(fù)合地基承載力進(jìn)行理論分析時(shí),常用天然地基承載力代替樁間土承載力,實(shí)際上經(jīng)粉噴樁復(fù)合地基處理后,樁間土承載力將得到一定程度的加強(qiáng)。如表1、圖1所示,壓板面積為0.071 m2時(shí),增加1.5倍(84.5 kPa/56.3 kPa);壓板面積為0.196 m2時(shí),增加 1.3倍(91.8 kPa/68.9 kPa)。說明處理后,地基土體的強(qiáng)度得到加強(qiáng)。

隨承載板面積的增大,地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值也相應(yīng)增大,說明承載板的寬度將影響承載力結(jié)果。其工程意義在于載荷試驗(yàn)中承載板的影響深度問題。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù),隨承載板面積的增大,承載力增大,引起的沉降也增大,由于試驗(yàn)中所用的承載板寬度比路基寬度要小,所以試驗(yàn)數(shù)據(jù)必然偏小,在施工設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意到這一點(diǎn),尤其當(dāng)有軟弱下臥層時(shí)。

3.3 樁間土承載力折減系數(shù)β

樁間土承載力折減系數(shù)β是反映樁土共同工作的一個(gè)重要參數(shù)。β值的確定是各種復(fù)合地基所遇到的一個(gè)復(fù)雜問題。在具體應(yīng)用時(shí),常根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)選用,顯然會(huì)給設(shè)計(jì)和計(jì)算帶來一定誤差。本文根據(jù)粉噴樁單樁和復(fù)合地基載荷試驗(yàn)資料的對比分析,反算求得β值(樁間土承載力取壓板面積為0.817 m2時(shí)的天然地基承載力,即73.4 kPa)。由公式(1),β值可按下式計(jì)算:

式中字母意義同公式(1)。求得 β=0.16。據(jù)文獻(xiàn)[1],系數(shù)β按下述規(guī)定取值:當(dāng)樁端土未經(jīng)修正的承載力特征值大于樁周土的承載力特征值的平均值時(shí),可取0.1～0.4,差值大時(shí)取低值;當(dāng)樁端土的未經(jīng)修正的承載力特征值小于或等于樁周土的承載力特征值的平均值時(shí),可取0.5～0.9,差值大時(shí)或設(shè)置褥墊層時(shí)均取高值。對于黃土山區(qū)溝壑地帶,由于硬層一般埋藏較淺,常屬于第一種情況,即β=0.1～0.4,因此,本文結(jié)果符合規(guī)范規(guī)定。

3.4 樁土應(yīng)力比n

式中:n為樁土應(yīng)力比,表示粉噴樁復(fù)合地基受力時(shí)樁體與樁間土所承擔(dān)的荷載之比,其它字母意義同前。根據(jù)公式(3),確定樁間土承載力折減系數(shù)β后,即可由復(fù)合地基,天然地基的相應(yīng)承載力試驗(yàn)值求得樁土應(yīng)力比n。

求得n=8,按設(shè)計(jì)置換率及復(fù)合地基試驗(yàn)資料,每平方米樁體承擔(dān)荷載140.82 kPa,樁間土承擔(dān)荷載 9.18 kPa,樁體面積只占24%卻分擔(dān)94%(140.82 kPa/150 kPa)的荷載,76%的樁間土面積承擔(dān)6%(9.18 kPa/150 kPa)的荷載,可見樁體承擔(dān)絕大部分荷載。

精確的樁土應(yīng)力比應(yīng)由試驗(yàn)確定,本文中計(jì)算得出的樁土應(yīng)力比只做定性分析參考。

樁土應(yīng)力比是復(fù)合地基樁土共同承擔(dān)荷載的另一重要指標(biāo)。將公式(1)變形,簡化后得到

3.5 變形模量

根據(jù)載荷試驗(yàn)可確定地基的變形模量。公式如下:

式中:Es為變形模量(kPa);ω為表示壓板形狀的系數(shù),方形壓板取0.88,圓形壓板取0.79;μ為土體泊松比,對粘土取0.42;p0為載荷試驗(yàn)曲線上直線段終點(diǎn)對應(yīng)荷載(kPa);s為載荷試驗(yàn)曲線上p0對應(yīng)沉降(cm);B為壓板直徑或邊長(cm)。

求得天然地基、樁間土以及復(fù)合地基的變形模量,見表1。對比天然地基與復(fù)合地基變形模量試驗(yàn)值可見,粉噴樁復(fù)合地基加固后,天然地基的變形能力得到很大提高;同樣,由天然地基與樁間土變形模量試驗(yàn)值,加固后不僅整個(gè)復(fù)合地基變形能力得到提高,而且地基土體做為復(fù)合地基的一部分,變形能力也得到加強(qiáng)。

4 結(jié) 語

通過以上分析可得到如下結(jié)論:

(1)黃土溝壑區(qū)粉噴樁復(fù)合地基承載力由樁體與地基土共同承擔(dān),承載力標(biāo)準(zhǔn)值可按規(guī)范推薦公式計(jì)算。粉噴樁處理后,樁間土強(qiáng)度和剛度都得到加強(qiáng),應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行提高幅度的定量研究,以使設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理。承載板尺寸對承載力數(shù)值有一定影響,應(yīng)考慮到載荷試驗(yàn)結(jié)果比實(shí)際結(jié)果偏小。

(2)對樁間土承載力折減系數(shù)β,在黃土溝壑區(qū),粉噴樁大多屬于摩擦支撐樁,β=0.1～0.4,本次試驗(yàn)結(jié)果取其為0.16。

(3)粉噴樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比應(yīng)通過試驗(yàn)確定。上述通過計(jì)算確定得樁土應(yīng)力比為8,可知復(fù)合地基中樁體承受絕大部分荷載。

(4)粉噴樁加固溝壑取濕軟地基,可以提高軟土地基的變形模量,從而較大程度的減小路基沉降,提高路基的整體穩(wěn)定性。適合于處理溝壑區(qū)黃土濕軟地基。

[1]JGJ79-2002.建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京:中華人民共和國建設(shè)部,2002.

[2]地基處理手冊編寫委員會(huì).地基處理手冊(第二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000.

[3]南京水利科學(xué)研究院土工研究所.土工試驗(yàn)技術(shù)手冊[M].北京:人民交通出版社,2002.

[4]葉萬軍,張永剛.基于模糊相似優(yōu)先比的軟基沉降預(yù)測方法[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2007,5(3):7-10.

[5]折學(xué)森.軟土地基沉降計(jì)算[M].北京:人民交通出版社,1998.

[6]葉觀寶,司明強(qiáng),趙建忠,等.高速公路沉降預(yù)測的新方法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,31(5):540-543.

[7]周煥云,黃曉明.高速公路軟土地基沉降預(yù)測方法綜述[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2002,2(4):7-10.

[8]張慧梅,李云鵬,毛 成.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在軟土地基路基沉降預(yù)測中的應(yīng)用[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,22(4):20-22.

Test Research on Application of Dry Jet Mixing Pile(DJMP)in Soft Soil Foundation in Loess Ravine Region

GUO Li-ping,LIU Jun-ying,ZHANG Shou-yi
(Shaanxi Expressway Construction Group Company,Xi'an,Shaanxi710086,China)

As a successful method,the dry jet mixing pile(DJMP)has been widely used to treat the soft soil foundation in many areas.Here,taking the construction of a certain highway in a loess ravine region for example,the field loading test is made for the composite foundation with DJMP,and the deformation and strength of the soil masses in the foundation before and after reinforcing are compared and analyzed,at last,some parameters are obtained,such as the foundation bearing capacity,the reducing coefficient of the soil bearing capacity between the piles,the stress ratio between the piles and soil,the deformation modulus and so on.The results show that this method could increase the deformation modulus,decrease the settlement and strengthen the stability of soft soil foundations.

subgrade engineering;DJMP;loess ravine region;soft soil foundation;loading test

U416.1

A

1672—1144(2010)02—0077—03

2009-12-07

2010-01-13

郭利平(1968—),男(漢族),山西河曲人,高級(jí)工程師,主要從事公路工程的研究及管理工作。