灰土擠密樁在處理濕陷性黃土地基中的應(yīng)用

秦仕偉 謝兆行

(1．長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064; 2．聊城市濟(jì)聊館高速公路管理處，山東聊城 252000)

0 引言

濕陷性黃土是一種黃色或黃褐色的結(jié)構(gòu)疏松、大孔隙，具有一定濕陷性的土。濕陷性黃土遇水浸濕后物理、力學(xué)性質(zhì)急劇變差，在自重及其他荷載作用下產(chǎn)生濕陷變形，濕陷變形的產(chǎn)生常使高速公路的路基沉陷、路面變形或開裂、公路邊坡坍塌等多種病害。高速改擴(kuò)建工程一般為雙向四車道擴(kuò)容至雙向八車道，采用的施工方法為雙側(cè)對稱拼接加寬、單側(cè)加寬或整體新建的方式。在我國黃土地區(qū)，地基以第四紀(jì)新黃土為主，由于第四紀(jì)新黃土具有不均勻性、高壓縮性、強濕陷性，因此須對地基部分進(jìn)行處理?；彝翑D密樁法是一種有效的消除黃土濕陷性的地基處理方法，一般適用于處理地下水位以上、深度5 m～15 m的濕陷性黃土或人工填土地基。

1 工程概況及設(shè)計要求

連霍線(G30)陜西境是國家高速公路網(wǎng)的重要組成部分。本項目采用雙側(cè)對稱拼接加寬和整體新建方式進(jìn)行改擴(kuò)建，其中拼接段長99．75 km。

此次，灰土擠密樁法處理濕陷性黃土地基設(shè)計指標(biāo)為灰土擠密樁呈等邊三角形布設(shè)，樁長為6．00 m，樁徑為d=0．40 m，樁間距為S=1．00 m，如圖1所示，填料采用石灰劑量為12%(重量比)的灰土?；彝翑D密樁施工結(jié)束后，清除0．50 m的虛樁，樁頂設(shè)置厚度為0．50 m的石灰劑量為8%的灰土墊層。設(shè)計要求樁身灰土壓實系數(shù)為λc≥93%，復(fù)合地基承載力fspk≥200 kPa。

圖1 灰土擠密樁布設(shè)示意圖

地基處理施工方法及工藝參照國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［3-5］等規(guī)范中的有關(guān)規(guī)定及要求進(jìn)行施工。

灰土擠密樁施工工藝采用沉管機一次性成孔至設(shè)計深度，將樁間土擠密，然后分層填入石灰劑量為12%(重量比)的灰土，用機械夯錘分層夯實，逐層回填夯實成樁。

2 試驗方案與方法

首先，選取代表性路段進(jìn)行靜載荷試驗結(jié)果進(jìn)行分析，由于采用雙側(cè)拼接加寬(拼接方式如圖2所示)，靜載荷試驗點S1，S2，S3，S4布設(shè)如圖3所示。

其次，為了考察經(jīng)灰土擠密樁處理后的樁間土的濕陷情況，采用人工探井的方法，進(jìn)行人工取樣，取樣間隔1 m，然后通過室內(nèi)試驗測試土樣的濕陷系數(shù)。

最后，對灰土擠密樁樁體的質(zhì)量進(jìn)行試驗，取樣同樣是采用探井方法，為了檢測樁體長度是否滿足要求，對樁長小于6 m的，則探井深度不小于6 m，同時進(jìn)行樁身取樣，對樁體灰土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗。

圖2 路基拼接方式示意圖

圖3 靜載試驗點布設(shè)示意圖

2．1 靜載荷試驗方法

采用慢速維持荷載法進(jìn)行復(fù)合地基靜力載荷法試驗，如圖4所示。

圖4 靜載試驗示意圖

靜載試驗分8級加載，每級加壓25 kPa，最大加載400 kPa，為設(shè)計值的2 倍。每級加載后10 min，10 min，10 min，15 min，15 min測讀，以后每隔30 min測讀一次，當(dāng)1 h內(nèi)的沉降量小于0．1 mm時，即認(rèn)為穩(wěn)定，可加下一級荷載，終止加壓標(biāo)準(zhǔn)按照中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》附錄A的規(guī)定執(zhí)行。

2．2 樁間土擠密效果及樁身強度檢測

無側(cè)限抗壓強度試驗采用應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀，如圖5所示。

試樣制備:試樣按三軸試驗中原狀試樣制備進(jìn)行，直徑d=39．1 mm，高度h=80 mm(圓柱形試樣)。試樣制備時應(yīng)先用切土刀切取一稍大于規(guī)定尺寸的土柱，放在切土架上，用切土器切削土樣，邊削邊壓切土器，直到切削到比要求的試樣高度約高2 cm為止，取出試樣，按規(guī)定的高度將兩端削平、稱量，并取余土測定試樣的含水率。

圖5 應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀

圖6 軸向應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線

試樣飽和:試樣飽和采用反壓力飽和法，試樣裝好后，調(diào)節(jié)孔隙水壓力為101．325 kPa(大氣壓力)，先對試樣施加10 kPa～20 kPa的周圍壓力，待孔隙壓力變化穩(wěn)定后測記讀數(shù)，然后同時施加周圍壓力和反壓力，每級增量為30 kPa，待孔隙水壓力穩(wěn)定后測記孔隙水壓力和體變管讀數(shù)，然后再施加下一級周圍壓力和反壓力，每施加一級壓力都測定孔隙水壓力，當(dāng)孔隙水壓力增量與周圍壓力增量Δu/Δσ3＞0．98時，認(rèn)為試樣達(dá)到飽和。

試驗過程:試樣制備完畢后兩端涂抹一薄層凡士林安放于底座，轉(zhuǎn)動手輪使試樣與傳壓板剛好接觸，測力計調(diào)零。以軸向應(yīng)變1%/min ～3%/min的速度轉(zhuǎn)動手輪(0．006 mm/min～0．12 mm/min)，使試驗在8 min～20 min內(nèi)完成。應(yīng)變在3%以前，每0．5%應(yīng)變記讀百分表讀數(shù)一次，應(yīng)變達(dá)到3%以后，每1%應(yīng)變記讀百分表讀數(shù)一次，當(dāng)測力計百分表讀數(shù)出現(xiàn)峰值或穩(wěn)定時，再繼續(xù)剪3%～5%應(yīng)變值即可停止試驗;當(dāng)讀數(shù)無峰值時，試驗進(jìn)行到應(yīng)變達(dá)20%為止。試驗完畢計算:

軸向應(yīng)變:

軸向應(yīng)力:

試驗結(jié)論:繪制軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖6所示，曲線上最大軸向應(yīng)力作為無側(cè)限抗壓強度;當(dāng)曲線上峰值不明顯時，取軸向應(yīng)變?yōu)?5%所對應(yīng)的軸向應(yīng)力作為無側(cè)限抗壓強度。

3 試驗結(jié)果與分析

由4臺靜載荷試驗所得的荷載(P)與沉降(S)關(guān)系繪制出各試驗點相應(yīng)的P—S曲線，見圖7。試驗的P—S曲線均無明顯的比例極限，加載至400 kPa均未發(fā)生極限破壞現(xiàn)象。S1檢測點終極荷載下總沉降5．39 mm，P—S曲線較平直。S2檢測點終極荷載下總沉降6．58 mm，P—S曲線較平直。S3檢測點終極荷載下總沉降10．7 mm，P—S曲線呈緩變型。S4檢測點終極荷載下總沉降11．08 mm，P—S曲線呈緩變型。各檢測點試驗曲線尾部均無明顯拐點出現(xiàn)。檢測點S1，S2為路基拼接部，路基拼接部在最大加載量的一半即P=200 kPa作用下，最大沉降量為2．72 mm，相對沉降量 S/D=0．003＜0．006，故可按相對變形值 S/D=0．006(D為載荷板直徑)時所對應(yīng)的荷載取承載力，根據(jù)規(guī)范“按相對變形值確定的承載力特征值應(yīng)不大于最大加載值的一半”的規(guī)定，判定該灰土擠密樁路基拼接部的承載力特征值fspk=200 kPa。檢測點S3，S4為新建路基，新建路基在最大加載量的一半即P=200 kPa作用下，最大沉降量為3．68 mm，則相對沉降量 S/D=0．004＜0．008，故可按相對變形值S/D=0．008(D為載荷板直徑)時所對應(yīng)的荷載取承載力，根據(jù)規(guī)范“按相對變形值確定的承載力特征值應(yīng)不大于最大加載值的一半”的規(guī)定，判定該灰土擠密樁新修路基的承載力特征值fspk=200 kPa。

3．1 樁間土擠密效果檢測結(jié)果

選取T-C04標(biāo)段K52+830～K52+980區(qū)段的樁間同一探井的6個土樣，對樁間土進(jìn)行擠密效果分析。

圖7 各測點P—S曲線

表1中給出的是西潼高速濕陷性黃土地基未處理時的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，從表1可以看出未處理過的濕陷性黃土濕陷系數(shù)均較大，當(dāng) 0．015≤δs≤0．03 為輕微濕陷，0．03≤δs≤0．07 為中等濕陷，由表1可以判定西潼高速公路為中等濕陷性黃土地基。表2給出了灰土擠密樁處理后的6個土樣的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，其中濕陷系數(shù)均小于0．015，根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》當(dāng)濕陷系數(shù)δs的值小于0．015時，應(yīng)定為非濕陷性黃土，可以判定樁間土濕陷性已完全消除，樁間土擠密效果良好。

表1 濕陷性黃土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)［1］

表2 樁間土的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3．2 樁身夯實試驗結(jié)果

選取T-C04標(biāo)段K52+830～K52+980區(qū)段的同一灰土樁的6個樁身試樣，對灰土樁樁體壓實度與無側(cè)限抗壓強度進(jìn)行分析，詳見表3。從表3中可以看出，6個樁身試樣壓實系數(shù)λc介于0．93～0．98之間，壓實系數(shù) λc均不小于 0．93，平均壓實系數(shù)為0．96，樁體無側(cè)限抗壓強度qu介于188 kPa～233 kPa之間，平均無側(cè)限抗壓強度為208 kPa，個別試樣壓實系數(shù)及無側(cè)限抗壓強度偏低的原因，筆者認(rèn)為有以下幾點:

1)取樣過程中，或運輸過程中，或切樣過程中土樣擾動，使土樣受到破壞;

2)灰土樁個別樁填夯未嚴(yán)格按施工規(guī)范進(jìn)行，使樁身的壓實度及強度未達(dá)到規(guī)范要求;

3)灰土樁樁身養(yǎng)生條件有差別，造成個別土樣強度略低;

4)試驗過程中個別試樣的操作和讀數(shù)存在試驗誤差及人為誤差。

依據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［3-8］等規(guī)范可以判定灰土樁樁身填夯質(zhì)量較好，壓實系數(shù)平均值滿足λc≥0．93的設(shè)計要求，灰土樁無側(cè)限抗壓強度也滿足復(fù)合地基承載力fspk≥200 kPa的設(shè)計要求。

4 結(jié)語

表3 灰土壓實系數(shù)試驗結(jié)果

經(jīng)現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗分析，表明灰土擠密樁擠密處理后，樁間土的濕陷性已完全消除，處理加固后地基已不具濕陷性?；彝翑D密樁樁身填夯質(zhì)量良好，壓實系數(shù)及抗壓強度與地基承載力均滿足設(shè)計要求?；彝翑D密樁法是一種有效的處理濕陷性黃土地基的處理方法。

［1] 劉祖典．黃土力學(xué)與工程［M］．西安:陜西科技出版社，1996．

［2] 《地基處理手冊》編寫委員會．地基處理手冊［M］．第2版．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000．

［3] JGJ 79-2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］．

［4] GB 50025-2004，濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范［S］．

［5] 西潼改擴(kuò)建項目管理處/總監(jiān)辦．國家高速公路網(wǎng)連霍線(G30)潼關(guān)至西安高速公路改擴(kuò)建項目施工作業(yè)指導(dǎo)書［Z］．2009．

［6] JTG F80/1-2004，公路工程質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)［S］．

［7] JTG E40-2007，公路土工試驗規(guī)程［S］．

［8] GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］．

［9] 南京水利科學(xué)研究院土工研究所．土工試驗技術(shù)手冊［M］．北京:人民交通出版社，2003．

［10] 張養(yǎng)安，魯有柱，宋佳林．灰土擠密樁復(fù)合地基承載力檢測與評定［J］．水利與建筑工程學(xué)報，2005(8):92-95．