土工加筋碎石樁在公路軟基處理中的應(yīng)用

謝忠勇 李愛國

天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、固結(jié)系數(shù)小、固結(jié)時(shí)間長等是軟土[1]的主要工程特點(diǎn)，軟土地基處理一直是公路工程建設(shè)過程中常遇到的技術(shù)性問題，地基處理效果的好壞直接影響公路結(jié)構(gòu)的自身安全和運(yùn)營安全。目前，國內(nèi)外在軟土地基處理方面的措施按照結(jié)構(gòu)物形式可以分為豎向加強(qiáng)型和水平加強(qiáng)型[2-5]。豎向加強(qiáng)型以各種樁式地基為代表，加固機(jī)理主要為擠密作用、置換效應(yīng)、加速排水效應(yīng)等，其缺點(diǎn)主要是由于其自身的水平約束力不足，容易造成鼓脹破壞。水平加強(qiáng)型以土工聚合物格柵為主，加固機(jī)理為依靠，土工織物使土體具有較高的剪切強(qiáng)度和變形模量，增強(qiáng)土體的水平約束力，其缺點(diǎn)主要是土工織物本身不能承受壓應(yīng)力，容易造成土工織物的撕裂破壞。

針對上述加固措施的主要缺點(diǎn)，本文采用土工材料配合豎向加固措施的方法——土工加筋碎石樁進(jìn)行公路軟基處理，增強(qiáng)地基的強(qiáng)度和改善其變形。

1 加固機(jī)理

1.1 碎石樁加固效果分析

碎石樁法是指在地基中設(shè)置由碎石組成的豎向樁體，設(shè)置碎石樁后樁體與樁間土形成復(fù)合地基，提高地基承載力、減少沉降量、提高土體抗剪強(qiáng)度、加大土體的抗滑穩(wěn)定性。由于土體粒料間的粘結(jié)力較強(qiáng)、滲透力較差，在振動力和擠壓力的作用下，土體中的水不易排走，所以碎石樁不是擠密，而是置換。它是通過成樁機(jī)械將不良地基強(qiáng)制排開并置換成性能良好的碎石，從而達(dá)到地基處理的目的。

碎石樁加固地基也出現(xiàn)了不少失敗的工程實(shí)例，歸納起來可以分為以下兩種:1)樁間土首先破壞進(jìn)而引起復(fù)合地基全面破壞;2)樁體首先破壞進(jìn)而引起復(fù)合地基全面破壞。在這兩種破壞形式中，后者占絕大多數(shù)。試驗(yàn)表明:樁體在荷載作用下發(fā)生的破壞主要是鼓脹破壞，且最易產(chǎn)生鼓脹破壞的部位位于樁的上端。因此，限制樁體上端的橫向變形是有效提高軟基處理成功率和處理效果的直接途徑。

1.2 土工加筋碎石樁加固機(jī)理

土工加筋碎石樁加固機(jī)理就是針對上述樁體橫向變形破壞問題而設(shè)計(jì)的，其加固方法為在樁外壁包裹一層土工格柵或織物，土工格柵或織物的包裹作用會對樁體施加一圍壓來限制樁體的側(cè)向變形。與傳統(tǒng)的碎石樁相比，土工加筋碎石樁除了具有傳統(tǒng)碎石樁置換作用和排水作用等優(yōu)良特性外，還具有加筋及限制橫向變形等優(yōu)點(diǎn)。

2 格柵筒力學(xué)參數(shù)要求

2.1 格柵筒受力分析

當(dāng)格柵筒碎石樁應(yīng)用于軟土地基加固時(shí)，格柵的受力主要來源于以下兩個(gè)方面:1)碎石樁的鼓脹作用使得包裹其外的格柵承受環(huán)向的拉力 Tr。2)當(dāng)?shù)鼗凛^軟時(shí)，地基土與碎石樁的剛度相差較大，在承受上部荷載后地基土將對碎石樁壁產(chǎn)生負(fù)摩擦作用，由此而導(dǎo)致格柵筒受到豎向的拉應(yīng)力Tz。由上述分析可知，土工格柵筒的主要受力為環(huán)向的拉力 Tr和豎向的拉應(yīng)力 Tz，兩者是土工材料的主要性能參數(shù)和土工格柵筒設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的限制因素。

2.2 格柵筒力學(xué)參數(shù)計(jì)算

1)環(huán)向拉力Tr。

取格柵筒橫斷面進(jìn)行受力分析，見圖 1。為了求出格柵筒受的環(huán)向應(yīng)力，取隔離體進(jìn)行受力分析，見圖1b)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性和力的平衡原理在豎直方向上有力的平衡方程:

2)碎石樁壁負(fù)摩擦作用產(chǎn)生的豎向拉應(yīng)力 Tz。

在實(shí)際情況中，一般使用以下四種方法計(jì)算:

a.有效應(yīng)力法。

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[6]中推薦此方法，計(jì)算公式如下:

其中，β為土的負(fù)摩擦系數(shù)，一般為 0.2～0.5，具體參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》;σn為樁周圍土的豎向有效應(yīng)力。

b.按照室內(nèi)外測定的土的力學(xué)參數(shù)確定。

對于軟黏土層，太沙基建議計(jì)算公式如下:

其中，qu為土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kPa;cu為土的不排水抗剪強(qiáng)度，kPa。

對于砂類土:

其中，N63.5為標(biāo)準(zhǔn)灌入擊數(shù)，kPa。

c.按灌入試驗(yàn)錘擊數(shù)確定。

黏性土:

砂類土:

d.負(fù)摩擦力的經(jīng)驗(yàn)值見表 1。

表1 負(fù)摩擦力經(jīng)驗(yàn)值

在上述四種方法中，后面三種屬于經(jīng)驗(yàn)公式，精度較差。有效應(yīng)力法考慮因素較多，較符合實(shí)際情況，是目前工程中常用的方法。本文采用此方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

其中，βp為土與格柵的摩擦系數(shù);σ0為格柵筒受到的徑向應(yīng)力;D為碎石樁直徑，m。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

湘南高速公路 K132+326～K132+450段地質(zhì)條件較復(fù)雜，地基土層分布自上而下分別為:雜填土、黏土、高壓縮性淤泥土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，雖然經(jīng)過塑料排水板堆載預(yù)壓，高壓縮性淤泥層含水量最大值仍達(dá)到 67%，現(xiàn)場十字板剪切強(qiáng)度局部小于20 kPa，地基承載力極低。

3.2 軟基加固方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場測試及室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本處地基處理方案采用土工格柵鋼筋籠碎石樁的處理方法，根據(jù)場地土質(zhì)特性，通過樁身承載力設(shè)計(jì)計(jì)算，碎石樁設(shè)計(jì)直徑35 cm，按梅花形布置，間距1.2m，平均樁長 3.7m，加固總面積約 5 000m2。樁體設(shè)計(jì)分為樁頭設(shè)計(jì)和樁體鋼筋籠制作兩部分:1)樁頭設(shè)計(jì):樁體預(yù)埋鋼筋籠用 6根長27.1 cm、直徑10mm的圓鋼筋作為主筋，呈直徑35 cm的6等份均勻布置，下端7.21 cm呈135°角內(nèi)彎，并用直徑8 mm，長82 cm的鋼筋連接，3根長25 cm、直徑8mm的鋼筋對角焊接。2)碎石樁鋼筋籠:鋼筋籠由 6根直徑10mm的主筋呈圓六角均勻布置，每30 cm鋪設(shè)一道直徑8mm的箍筋，連接點(diǎn)全部采用雙面點(diǎn)焊。將粗細(xì)土工格柵按照120 cm×100 cm剪裁成矩形格料，搭接長度為10 cm，用細(xì)鋼絲拉成直徑35 cm的粗細(xì)格柵籠，放進(jìn)已做好的鋼筋籠內(nèi)，用鐵絲綁在鋼筋籠的主筋上。

3.3 施工工序簡介

土工格柵鋼筋籠碎石樁設(shè)計(jì)直徑 35 cm，打入淤泥以下的硬土層不小于50 cm，按梅花形布樁。相應(yīng)施工工藝流程如下:

下套管→取土→拔套管成孔→下鋼筋籠→填碎石夯實(shí)成樁。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)碎石樁的主要破壞形式是鼓脹破壞，且最易產(chǎn)生鼓脹破壞的部位位于樁的上端。土工加筋碎石樁通過在樁體頂部包裹一層土工格柵，限制了樁體的側(cè)向變形，從而提高樁體承載能力。土工加筋碎石樁加固軟土地基的理論分析和在湘南高速公路的實(shí)際應(yīng)用都表明其加固效果好，施工簡便，是一種實(shí)用而有效的地基處理方法。

[1] 劉玉卓.公路工程軟基處理[M].北京:人民交通出版社，2002:12-13.

[2] 張愛軍，謝定義.復(fù)合地基三維數(shù)值分析[M].北京:科學(xué)出版社，2004:13-14.

[3] 周志剛，張起森.土工格柵碎石樁的承載力分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1997(1):18-21.

[4] 天津大學(xué).土力學(xué)與地基[M].北京:人民交通出版社，1990:120-125.

[5] 趙明華，劉建華.碎石樁復(fù)合地基承載力分析[J].公路，2003(1):17-21.

[6] JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].