淺談水泥粉噴樁和土工格柵聯(lián)合加固技術(shù)在高填土路段的應(yīng)用

邵桂彬

（德州市公路管理局 山東 德州 251100）

0 概述

粉噴樁是“粉體噴射攪拌樁”的簡稱，具體地說，就是以水泥、石灰等材料作為固化劑，通過專用的粉體噴射攪拌施工機械，用壓縮空氣將粉體加固材料射入地基中，再憑借鉆頭葉片的攪拌旋轉(zhuǎn)， 使粉體加固材料與原位土充分?jǐn)嚢?，形成具有整體性、一定強度的柱狀加固體，從而提高地基的強度[1－2]。

該方法是瑞典人杰爾德·鮑斯于1967 年首次提出，1971年進(jìn)行了第一次現(xiàn)場試驗，制成了一根用生石灰和軟土制成攪拌樁[3－5]。 1974 年開始用于工程實踐，成樁直徑為500mm，最大加固深度為10m-15m。 1967 年日本也開始研制石灰攪拌施工機械，1974 年成功應(yīng)用石灰粉體加固軟土地基工程，加固深度為10m-30m[6－9]。

我國于20 世紀(jì)80 年代初引進(jìn)此項技術(shù)。 1983 年初，鐵道部第四勘測設(shè)計院開始進(jìn)行粉體攪拌樁加固軟土的試驗研究，并與鐵道部武漢工程機械研究所合作制出了我國第一臺液壓步履式深層攪拌粉噴樁機。1984 年7 月在廣東省云浮硫鐵礦鐵路專用線上應(yīng)用石灰攪拌攪拌加固單孔4.5m 蓋板箱涵的軟土地基獲得成功。 后來相繼在武昌和連云港用于下水道溝槽擋土墻和鐵路涵洞等軟基加固， 均獲得良好的效果。 此后，粉噴樁技術(shù)率先在我國沿海地區(qū)和長江中下游地區(qū)得到應(yīng)用，目前該方法已廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、市政工程、港口、碼頭、工業(yè)與民用建筑等行業(yè)的軟土地基加固中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 經(jīng)工程實踐證明，該方法具有以下特點：

（1）施工簡單、快速、施工效率高。 粉噴樁強度提高較快，因此特別適用于工期緊、快速提高強度等方面的工程。

（2）與其他加固方法相比較，水泥粉噴樁施工震動小、噪音低，可在市區(qū)和其他密集建筑群中進(jìn)行施工。

（3）土體加固后重度基本不變，對軟弱下臥層不會引起附加沉降。

（4）加固費用低，與鋼筋混凝土樁相比，可節(jié)省大量鋼材，降低加固費用。

土工合成材料是以人工合成聚合物為原料制成的各類產(chǎn)品，是巖土工程中應(yīng)用的合成材料的總稱。 可置于巖土或其他工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部、表面或各結(jié)構(gòu)層之間，具有加強、保護(hù)巖土或其他結(jié)構(gòu)功能的一種新型材料。 土工格柵是土工合成材料中的一種。

土工合成材料應(yīng)用于巖土工程是近幾十年發(fā)展起來的一門新技術(shù)。 在短短幾十年內(nèi)，發(fā)展十分迅猛，目前，已廣泛適用于各個基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)部門。 遠(yuǎn)在新石器時代，中國古代勞動人民利用茅草作為土的加筋材料。 在國外，英國人，美國人都曾用木排、棉織物作為加筋材料修筑道路或加強路面。 荷蘭人用柳枝加固堤壩。

近代土工合成材料的發(fā)展，是與合成材料—塑料、合成纖維和合成橡膠的發(fā)展分不開的。自從1870 年美國W.JOHN和I.SHYATT 發(fā)明賽路路后，各種塑料不斷研制成功，隨后不同類型的合成纖維也投入生產(chǎn)。 約在20 世紀(jì)30 年代大量塑料防滲膜開始用于水利工程之中。 合成纖維在土中的應(yīng)用是于20 世紀(jì)50 年代末期。 1958 年R.J.Barrett 在美國弗羅里達(dá)州利用聚路乙烯織物作為海岸塊石護(hù)坡路的墊層，一般認(rèn)為是應(yīng)用土工織物的開端。70 年代以后，在國外，織物逐步應(yīng)用在公路、鐵路、和水利工程等大型永久性工程之中。 80 年代后，土工格柵、土工網(wǎng)、土工墊、土工格室等新材料的出現(xiàn)，進(jìn)一步加快了土工合成材料應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。

實際上在1957 年以前， 以合成纖維織物做成的砂袋已經(jīng)在荷蘭、 德國和日本等國家應(yīng)用了（Giroud，1986；Velduizen，1986）。 在60 年代， 合成纖維土工織物主要是機織型的，大部分用于護(hù)岸防沖等工程。 非織造型織物（俗稱無紡織物或無紡布）在60 年代末期開始應(yīng)用于歐洲。 在70 年代，這種土工織物很快地從歐洲傳播到美洲、西非洲和澳洲，最后傳播到亞洲。 隨著使用范圍的不斷擴(kuò)大，土工合成材料的生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)也在迅速地提高，使其逐漸形成一門新的邊緣性學(xué)科。 在1983 年成立了“國際土工織物學(xué)會”（IGS）。 自從1977 年在巴黎召開第一屆國際土工織物會議以來， 到1995年為止已召開了5 屆專門關(guān)于土工合成材料方面的國際會議。 在這期間還召開了很多地區(qū)性或?qū)ｉT性的會議，大大促進(jìn)了這一新材料和新技術(shù)的發(fā)展。

土工合成材料在我國的應(yīng)用開始于20 世紀(jì)60 年代中期，首先是用在塑料薄膜或土工膜在渠道、大壩等水利工程中的防滲之中。 土工織物及其它加筋材料的應(yīng)用，在我國起步較晚，但發(fā)展很快。 目前水利水電建設(shè)方面，在全國各地的各項水電工程中均有不同程度的應(yīng)用土工織物，如三峽工程圍堰防滲等；其中電力系統(tǒng)新建電廠粉煤灰?guī)?0%以上采用土工織物修建庫堤。 鐵路建設(shè)方面也大規(guī)模地應(yīng)用土工織物加固路基，如廣茂鐵路、京九鐵路路基處理等等。 在港灣與海岸工程建設(shè)方面，也大量使用土工合成材料作為反濾、防護(hù)和加固材料，如青島前港灣區(qū)防波堤工程。 在公路建設(shè)方面，隨著近些年高等級公路地不斷建設(shè)，大量利用土工織物作為加筋材料，加固軟基建造擋墻，或用土工網(wǎng)等材料來護(hù)坡和綠化，或用土工織物、土工網(wǎng)、土工玻纖網(wǎng)等防止瀝青路面產(chǎn)生反射裂縫， 也有用土工網(wǎng)等加筋構(gòu)造物臺背的路基填土，以減小構(gòu)造物與路基填土之間的不均勻沉降，如已通車的滬寧高速公路、杭甬高速公路等等，在建的許多工程也普遍應(yīng)用，如南京長江二橋工程等。 此外，土工合成材料也大量應(yīng)用在我國的其它工程之中，如市政、環(huán)保、隧道工程、港口、工業(yè)與民用建筑等。 在應(yīng)用過程中，許多工程獲得了寶貴的實測資料。 我國到1996 年為止已經(jīng)召開了四屆全國性的土工合成材料學(xué)術(shù)會議。 土工合成材料在我國工程建設(shè)的各個方面均發(fā)揮了很重要的作用，如在1998 年的防汛搶險中得到了很多應(yīng)用，并引起了國務(wù)院有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的重視，隨后有關(guān)部門頒布了國家規(guī)范《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》。 國家?guī)讉€行業(yè)部門也以制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如水利部門、交通部門等。

土工合成材料的應(yīng)用潛力很大， 其發(fā)展前景是廣闊的，將來會用于更多的工程之中。 土工格柵作為一種新型的建筑材料，目前已廣泛應(yīng)用于公路、水利等工程之中，大量的工程實踐表明， 在高速公路路堤填土施工中大量應(yīng)用土工格柵，可以提高填土速度，縮短工期，提高填土極限高度，穩(wěn)定邊坡，減少用地，以及減小總沉降和不均勻沉降。 但目前對于土工格柵加筋堤坎的設(shè)計理論與方法仍然很不成熟，尚未形成一套公認(rèn)有效的計算方法和設(shè)計理論，計算結(jié)果和實測值有一定的差別，普遍地偏于保守，這樣就會造成設(shè)計上的盲目性和工程上的浪費，因此，無論從設(shè)計計算還是從工程實踐上都需加強對這一方面問題的研究，提高設(shè)計準(zhǔn)確性和合理性。

近幾年來，粉噴樁、土工織物等復(fù)合地基加固新技術(shù)在高速公路軟基處理中得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好的加固效果。 黃河沖積平原區(qū)的土為第四紀(jì)新近堆積土，土質(zhì)以低液限粉土、粘土為主，土質(zhì)特點為：（1）含水量高，孔隙比大，屬中高壓縮性土；（2）土質(zhì)剖面分層較多，力學(xué)性質(zhì)差異大；（3）地下水位較高，受季節(jié)影響水位波動大；（4）土質(zhì)剖面中常有軟土夾層。 因此，屬不良地基。

山東省有50%的陸地面積為黃河沖積平原區(qū)，齊河地處黃河北岸，典型的黃土沖積平原，土質(zhì)較差。 黃河大壩填土較高，為了減少路基沉降，提高路堤穩(wěn)定性，所以需對路基及高填土路堤進(jìn)行加固處理。 經(jīng)過方案比較采用了粉噴樁和土工格柵聯(lián)合加固處理技術(shù)。 該技術(shù)是用粉噴樁加固路基，用土工格柵加固路堤填土。 粉噴樁與土工格柵聯(lián)合應(yīng)用，既能發(fā)揮各自的作用又能相互協(xié)調(diào)，但是，對粉噴樁與土工格柵聯(lián)合加固的效果，沉降變形規(guī)律，附加應(yīng)力場，以及加筋的理論等缺乏研究。 因此，無論從設(shè)計計算還是從工程實踐上都需加強對這一方面問題的研究， 以提高設(shè)計準(zhǔn)確性和合理性，指導(dǎo)生產(chǎn)和實踐。

1 聯(lián)合處理技術(shù)的數(shù)值分析

隨著計算機的迅速發(fā)展，數(shù)值計算分析方法在巖土工程中得到廣泛應(yīng)用，目前數(shù)值計算方法主要有：差分法、有限元法、邊界元法、變分法、加權(quán)余量法等。 有限差分法是將研究區(qū)域用差分網(wǎng)格離散， 對于每個節(jié)點通過用差商代替導(dǎo)數(shù)，把課題的微分方程轉(zhuǎn)化為差分方程，然后結(jié)合初始條件和邊界條件，求解線性方程組得到課題的數(shù)值解。 該方法較直觀，并且近些年發(fā)展了任意網(wǎng)格的差分，使這一古老的方法又可以與有限元法相匹敵。 本次研究采用快速拉格朗日法（FLAC-3D）應(yīng)用程序?qū)Ω鞣N工況進(jìn)行數(shù)值模擬，以期研究加固機理、加固效果及應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。

1.1 計算方法

FLAC-3D 應(yīng)用程序采用比奧（BIOT）固結(jié)有限差分法求解。 比奧從比較嚴(yán)格的固結(jié)機理出發(fā)推導(dǎo)了準(zhǔn)確反映孔隙水壓力消散與土固結(jié)變形相互關(guān)系的三維固結(jié)方程。 它的基本公式包含平衡微分方程和連續(xù)微分方程兩部分。

在土體中任取一微分體，若體積力只考慮重力，則三維平衡微分方程為：

以上為總應(yīng)力方程，根據(jù)有效應(yīng)力原理，總應(yīng)力為有效應(yīng)力σ′與孔隙水壓力u 之和， 且孔隙水壓力不承受剪應(yīng)力，上式表示為有效應(yīng)力方程為：

由土骨架的本構(gòu)關(guān)系，可將式（2）中的應(yīng)力用應(yīng)變表示為：

式中，G 和v 分別為剪切模量和泊松比

再利用幾何方程將應(yīng)變表示為位移可得三維比奧固結(jié)方程為：

此外，由達(dá)西定律可得連續(xù)性方程：

飽和土體中任一點孔隙水壓力和位移隨著時間的變化，必須同時滿足平衡方程式（4）和連續(xù)性方程（5），兩式聯(lián)立起來就是比奧固結(jié)方程。

1.2 本構(gòu)模型

水泥土與樁間土都是非線性材料， 其變形與荷載大小、加載路徑、加載歷史有關(guān)，彈性模量及泊松比都是變量。 目前用于非線性材料的本構(gòu)模型較多， 可概括為非線性模型、彈塑性模型、塑性模型。

非線性模型主要有Duncan—Zhang（E—u E--B）模型。彈塑性模型主要有劍橋模型，lade 模型， 以及南京水利科學(xué)院沈珠江教授提出的三重屈服面模型，清華大學(xué)黃文熙提出的清華模型和河海大學(xué)殷宗澤教授提出的橢圓—拋物雙屈服面模型等。 彈塑性模型可以模擬屈服后的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，能更好的反映土體的實際變形特性和軟硬化性質(zhì)、及應(yīng)力路徑等的影響，缺點是公式比較復(fù)雜，眾多的參數(shù)難以確定，目前，仍然處于研究發(fā)展中。 本文地基土及路基填土、粉噴樁采用Mohr—Coulomb Plasticity 模型。 該模型用于承受剪應(yīng)力會發(fā)生屈服變形，但是屈服應(yīng)力僅僅依賴于小主應(yīng)力的材料。

1.3 Flac-3D 原理簡介及求解方法

Flac-3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）應(yīng)用程序是采用三維顯式有限差分法程序，它將計算區(qū)域劃分為若干個六面體單元，每個單元在給定的邊界條件下遵循指定的線性或非線性本構(gòu)關(guān)系，如果單元應(yīng)力使得材料屈服或產(chǎn)生塑性流動，則單元網(wǎng)格可以隨著材料的變形而變形，這就是所謂的拉格朗日算法。 由于采用了顯示有限差分格式來求解場的控制微分方程，并應(yīng)用了混合單元離散模型，可以準(zhǔn)確地模擬材料的屈服、塑性流動、軟化直至大變形，尤其在材料的彈塑性分析、大變形以及模擬施工過程等領(lǐng)域有其獨到的優(yōu)點。

Flac-3D 在求解中使用了如下三種計算方法：

a.離散模型方法。 連續(xù)介質(zhì)被離散為若干通過互相連接的六面體單元，作用力均被集中在節(jié)點上。

b.有限差分方法。 變量關(guān)于時間和空間的一階導(dǎo)數(shù)均用有限差分來近似。

c.動態(tài)松弛方法。應(yīng)用質(zhì)點運動方程求解，通過阻尼使系統(tǒng)運動衰減至平衡狀態(tài)。

1.4 工程實例

G309 線齊河段沿線地質(zhì)主要為黃河沖積平原區(qū)。 跨黃河二灘地質(zhì)勘察報告表明，該地區(qū)地下水位較淺，土質(zhì)以軟塑亞粘土為主，其天然承載力低，在動荷載作用下可發(fā)生砂土液化。 改線后的路線又經(jīng)過多處池塘，需經(jīng)過加固處理方可作為路基持力層。 由于該路段填土高（最高處12 米），結(jié)合工程地質(zhì)條件采用了粉噴樁和土工格柵復(fù)合地基聯(lián)合加固技術(shù)處理。 該工程段路基采用粉噴樁加固，樁長為16m，間距為1.1m； 路堤填土較高采用土工格柵加固， 格柵層間距0.6m。 采用Flac-3D 程序進(jìn)行數(shù)值模擬。

橫斷面如圖1。

圖1

試驗區(qū)在該路段K32+230 黃河二灘西側(cè)。該區(qū)土質(zhì)以低液限粘土為主，土的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1

邊坡為變坡，設(shè)計高程為26.254 米，地面高程14.262 米，填土高約為12 米（包括2 米的預(yù)壓填土）。 自地表向下打水泥粉噴樁，樁徑50cm，間距110cm，為正三角形布置，樁深16m。

路基土和路堤土采用六面體實體單元。土工格柵用cable 單元來模擬，cable 單元具有兩個結(jié)點， 每個結(jié)點有一個沿軸向的自由度。 一根真正cable 的可以用cable 單元的集合來模擬。cable 單元可以承受拉力和壓力，但是，不能承受彎矩。 Cable可以固定在網(wǎng)格的某個點上，力可以在實體和cable 單元之間傳遞；也可以承受點荷載和預(yù)應(yīng)力。cable 單元可以用來模擬很多種拉力起主要作用的結(jié)構(gòu)物。 用pile 單元來模擬粉噴樁，pile 單元是具有兩個結(jié)點， 每個結(jié)點有六個自由度的直線型的有限單元。 pile 單元可以與網(wǎng)格單元之間相互傳遞剪力、法向力、彎矩。 pile 單元是cable 單元和beam 單元的結(jié)合體。它能夠承受點荷載和分布荷載。pile 單元用來模擬與地基塊體既有切向摩擦力相互作用又有法向力相互作用的建筑結(jié)構(gòu)。

1.5 計算分析

圖2 有限差分法網(wǎng)格圖

實際工程中，粉噴樁為群樁共同作用，由于粉噴樁間距較小，樁徑為0.5 米，樁間距為0.6 米，不易設(shè)置過渡層單元，計算中樁周土采用了原狀土參數(shù)。 本文計算采用三維單元，由于路堤路基處于平面應(yīng)變狀態(tài)下，所以沿路堤長度方向即 z方向取較小的厚度1.1 米， 且在z 方向的邊界條件為z 方向的位移為0。樁是圓柱體，處理方法是采用樁單元即sel pile 。有限差分網(wǎng)格見圖2，圖3 為樁與土工格柵的幾何模型。

圖3 粉噴樁與格柵幾何模型

圖4 路基中心線下分層沉降計算結(jié)果

用FLAC-3D 模擬實際工況， 得出路基中心軸處地面線點的沉降為52 厘米，實測結(jié)果為41 厘米（沉降尚未穩(wěn)定），圖4 為路基中心線下分層沉降計算結(jié)果曲線，圖5 為路基中心線下實測分層沉降曲線。 對比圖4 與圖5 可以看出計算結(jié)果與實測結(jié)果基本吻合。 說明所選用的FLAC-3D 程序與所選用的計算參數(shù)用于數(shù)值模擬是可靠的。

圖5 路基中心線分層沉降實測值

1.5.1 加固后路基總沉降變形特點

為了研究聯(lián)合加固的路基變形特點，進(jìn)行不同情況計算對比。圖6，地基沉降曲線比較。聯(lián)合加固時，路基中心地基總沉降量為0.525m，不加固時，沉降量卻為0.830m。 比較可知，采用聯(lián)合加固法處理后，有效地減少地基總沉降量，說明所采用的加固處理措施合理可行，效果明顯。 粉噴樁復(fù)合地基可有效地減小加固區(qū)沉降量，尤其是能夠減少路基中心處的沉降量，但是，對減少坡腳處沉降影響不大。 因此，可以采取有效優(yōu)化布樁的原則， 在路面范圍內(nèi)采用較大量置換率，布置長樁；而在邊坡處，可適當(dāng)減少置換率，布置短樁而不影響加固效果，同時，還能節(jié)省材料，減少經(jīng)濟(jì)投入。

圖6 沒有加固與聯(lián)合加固地表沉降比較圖

1.5.2 加固后路基分層沉降變形特點

從圖7 中可以看出，下臥層的壓縮量為0.47 米；粉噴樁加固區(qū)的沉降量為0.05 米?？梢?，聯(lián)合加固后，加固區(qū)的下臥層的壓縮量占路基沉降量的絕大部分（90%），而加固區(qū)壓縮量只占其沉降量很小的比例（10%）。經(jīng)粉噴樁加固處理后，加固區(qū)沉降量有明顯減小，但下臥層沉降量沒有減小，相反有所增加，因此建議粉噴樁宜穿透軟弱層，坐落在持力層上。 對于現(xiàn)有下臥層沉降計算方法，主要問題是如何確定下臥層附加應(yīng)力場。

圖7 為聯(lián)合加固前后路基軸線下各深度沉降值

1.5.3 下臥層附加應(yīng)力與沉降特點

圖8 下臥層頂面附加應(yīng)力對比圖

圖8 為加固前后附加應(yīng)力對比圖。 聯(lián)合加固后，路基下臥層頂面附加應(yīng)力分布發(fā)生了變化。 加固后，路中心下臥層的附加應(yīng)力大于沒有使用粉噴樁時下臥層的附加應(yīng)力；而路堤坡腳處， 加固后下臥層的附加應(yīng)力小于不加固的附加應(yīng)力。 說明路基經(jīng)加固后，下臥層附加應(yīng)力有向路中心集中的趨勢。 在沉降分析中表現(xiàn)為，加固后，路基中線下臥層沉降量將比不加固增大，路基坡腳處下臥層沉降量將比不加固有所減少，加固后下臥層附加應(yīng)力大于不加固的附加應(yīng)力。 說明，粉噴樁在改善表層土質(zhì)的同時， 將荷載傳遞到較深的土層。采取聯(lián)合加固法后下臥層的附加應(yīng)力曲線與沒有粉噴樁相比，附加應(yīng)力曲線規(guī)律基本相同，只是量值稍大。 如果地基土表層軟弱而下層堅實，使用粉噴樁處理淺層地基效果將更為理想。

1.5.4 土工格柵對路基的沉降的作用分析

為了研究土工格柵在路堤加固中的作用，進(jìn)行了不同加固方案對比分析。 圖9 為粉噴樁加固處理后路基沉降曲線。從圖中可以看出，路基各分層的沉降量與聯(lián)合加固的沉降量基本一致。 這一現(xiàn)象說明，采用Flac-3D 程序能較好模擬樁體作用，而對于與土工格柵聯(lián)合作用計算方法尚待改進(jìn)。 實際工程中，土工格柵與土體結(jié)合后，特別是鋪設(shè)多層土工格柵后，土體的整體性加強了，整個路堤橫斷面的剛度增大了。 土工格柵采用cable 單元模擬，cable 單元能很好的模擬土工格柵受拉的力學(xué)性質(zhì)，但是，無法模擬路堤剛度增大這一事實。 路堤的剛度增大，會影響路基中附加應(yīng)力的分布，從而影響路基的沉降變形。 如果能進(jìn)一步改進(jìn)計算方法， 使新的計算方法反映路堤的剛度，才能準(zhǔn)確計算聯(lián)合加固的效果。

圖9 粉噴樁單獨加固路基沉降圖

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