振動(dòng)沉管擠密碎石樁復(fù)合地基原位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究

梁元林

(葛洲壩湖北大廣北高速公路有限責(zé)任公司　黃岡　438000)

振動(dòng)沉管擠密碎石樁復(fù)合地基原位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究

梁元林

(葛洲壩湖北大廣北高速公路有限責(zé)任公司黃岡438000)

摘要為評(píng)價(jià)振動(dòng)沉管擠密碎石樁對(duì)軟土地基的處治效果，文中采用原地監(jiān)測(cè)試驗(yàn)對(duì)比分析處治后軟土地基的沉降量、沉降速率、水平位移、側(cè)向位移等。結(jié)果表明，碎石樁樁體質(zhì)量良好，振動(dòng)沉管擠密碎石樁施工工藝可行、質(zhì)量可靠。

關(guān)鍵詞振動(dòng)沉管擠密碎石樁復(fù)合地基原位檢測(cè)試驗(yàn)研究

軟土具有壓縮性高、含水量大、滲透性差、抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)，在附加應(yīng)力作用下會(huì)由于壓縮變形和剪切變形而產(chǎn)生較大的沉降，甚至破壞[1-3]。在高速公路建設(shè)中，軟基的穩(wěn)定性和沉降問(wèn)題是最為關(guān)鍵的問(wèn)題之一，它不僅影響施工的組織、安排和質(zhì)量問(wèn)題等，而且關(guān)系到整個(gè)項(xiàng)目的成敗。由于地域不同、沉積環(huán)境有差異，各地的軟土在厚度、分布及物理力學(xué)性質(zhì)上各有特點(diǎn)，而每條高速公路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，如路堤填筑高度、填筑材料、填筑方式及工期均有嚴(yán)格的要求；因此根據(jù)不同的軟基處理方案，設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，是確保施工順利進(jìn)行及道路質(zhì)量的關(guān)鍵[4-5]。大廣北高速公路(麻城至浠水段)采用振動(dòng)沉管擠密碎石樁施工工藝處理的軟基路段有2 540 m，對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究的目的和意義如下。

(1) 通過(guò)對(duì)軟基處理路段的施工監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證其處治效果，為施工工藝與質(zhì)量檢驗(yàn)提供研究依據(jù)，同時(shí)為今后同類(lèi)工程提供參考。

(2) 通過(guò)對(duì)軟基處理路段的施工監(jiān)測(cè)，在保證路堤施工過(guò)程的安全和穩(wěn)定的前提下，提出最佳填土速率和應(yīng)采取的工程措施。

(3) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的沉降量、沉降速率、水平位移、側(cè)向位移等資料，分析預(yù)測(cè)地基土的工后沉降，并在與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較分析的基礎(chǔ)上，及時(shí)調(diào)整分層填土厚度和填土速率。

(4) 穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)、超載厚度、卸載時(shí)機(jī)判定等均需要根據(jù)原位試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試確定。同時(shí)，變更設(shè)計(jì)和加載方案的確定也需要利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演參數(shù)。

1原位監(jiān)測(cè)實(shí)施方案

1.1　監(jiān)測(cè)斷面布置及儀器設(shè)備

1.1.1監(jiān)測(cè)斷面布置

綜合考慮軟基工程地質(zhì)情況、碎石樁樁體質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果、路堤設(shè)計(jì)高度、填土施工進(jìn)度等因素；選取軟土工程性質(zhì)較差、具有不同的軟土埋深及層厚較大的斷面以及路堤設(shè)計(jì)填土高度較大的斷面，對(duì)應(yīng)的樁號(hào)為K84+000，土路基設(shè)計(jì)高度為4.6 m，軟土埋深0 m，軟土厚度為6 m，處理深度為9.5 m，軟基處理方式為碎石樁+砂墊層+格柵。監(jiān)控?cái)嗝嬉?jiàn)圖1，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括表面沉降、側(cè)向位移、孔壓、水平位移等。斷面設(shè)置及監(jiān)測(cè)內(nèi)容見(jiàn)表1。

圖1　監(jiān)測(cè)斷面立面布置圖(單位:cm)

樁號(hào)沉降板邊樁或水平位移孔隙水壓力計(jì)K84+000CJ1CJ2CJ3BZ1CX1CX2CX3CX4BZ2KYJ1KYJ2KYJ3KYJ4KYJ5

1.1.2監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備

儀器設(shè)備進(jìn)場(chǎng)前，作好維修保養(yǎng)工作，保證儀器設(shè)備的正常使用；按要求作好儀器設(shè)備的標(biāo)定檢驗(yàn)工作。

1.2　監(jiān)測(cè)實(shí)施方案

1.2.1監(jiān)測(cè)內(nèi)容與測(cè)試技術(shù)要點(diǎn)

(1) 地表沉降監(jiān)測(cè)。采用日本產(chǎn)NA2型精密水準(zhǔn)儀和2 m銦瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺，按二等水準(zhǔn)測(cè)量要求方法施測(cè)。每次施測(cè)前要檢查、校正i角，采用儀器設(shè)備、測(cè)站線(xiàn)路、觀測(cè)人員“三固定”的方法提高觀測(cè)精度；每次觀測(cè)還應(yīng)注記填土高度、天氣情況，并繪制觀測(cè)點(diǎn)位置平面圖，觀測(cè)結(jié)束后采用計(jì)算器算出每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)值。

(2) 水平位移監(jiān)測(cè)。邊坡土體水平位移觀測(cè)一般采用經(jīng)緯儀視準(zhǔn)線(xiàn)法觀測(cè)邊樁頂部的位移量。即用經(jīng)緯儀配合鋼卷尺進(jìn)行，基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在填土影響范圍外的構(gòu)筑物或單獨(dú)埋設(shè)，測(cè)量出各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)與視準(zhǔn)線(xiàn)之間的距離，根據(jù)三角關(guān)系計(jì)算出邊樁的位移值。

(3) 側(cè)向位移監(jiān)測(cè)。首先在路堤外埋設(shè)測(cè)斜管，使用KPI測(cè)斜儀在測(cè)斜管中逐段(每隔500 mm測(cè)讀1次，測(cè)完后，將測(cè)頭旋轉(zhuǎn)180°再測(cè)1次，2次觀測(cè)深度應(yīng)一致)測(cè)出產(chǎn)生位移后管軸線(xiàn)與鉛垂線(xiàn)的夾角，分段求出水平位移，累加得出總位移量及沿管軸線(xiàn)整個(gè)孔深位移的變化情況。

(4) 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)。本方案將在軟土深度范圍內(nèi)埋設(shè)常規(guī)電測(cè)孔隙水壓力探頭，以測(cè)試在路堤填筑施工中孔隙水壓力增長(zhǎng)與消散規(guī)律，以指導(dǎo)填土施工。通過(guò)繪制各種圖表，正確地評(píng)價(jià)路堤的應(yīng)力狀態(tài)，判斷強(qiáng)度增長(zhǎng)情況，反算土工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)路堤孔隙水壓力的長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試，獲得路堤應(yīng)力的長(zhǎng)期規(guī)律性結(jié)論。

(5) 水位監(jiān)測(cè)。地下水位對(duì)于路堤穩(wěn)定性也有著直接的影響，會(huì)造成孔隙水壓力的變化，故需設(shè)置1~2個(gè)水位孔對(duì)軟基路段進(jìn)行水位觀測(cè)，以掌握水位變化的規(guī)律。

1.2.2變形監(jiān)控頻率

為了收集到足夠多的信息，以便對(duì)復(fù)合地基承載變形機(jī)理進(jìn)行研究，對(duì)地基強(qiáng)度增長(zhǎng)、變形情況作出比較準(zhǔn)確的判斷，確保加載過(guò)程中路基的穩(wěn)定，必須保證一定的監(jiān)測(cè)頻率。在不同時(shí)期，監(jiān)測(cè)需要按照不同頻率進(jìn)行。

1.2.3監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)

《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范(JTJ 017-96)》對(duì)路堤沉降速率做出了穩(wěn)定性控制標(biāo)準(zhǔn)，即路堤中線(xiàn)地面沉降速率每晝夜不大于10 mm，坡腳水平位移每晝夜不大于5 mm。但是影響沉降速率和側(cè)向位移的因素是比較復(fù)雜的，它們隨著地基土的性質(zhì)、加荷方式以及地基處理方法等而變化，所以控制標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)該是常數(shù)。根據(jù)《大慶至廣州高速公路湖北省麻城至浠水段兩階段施工圖設(shè)計(jì)》的有關(guān)設(shè)計(jì)要求，路堤填筑速率與變形控制的標(biāo)準(zhǔn)按下面要求執(zhí)行。

(1) 路基加載時(shí)，填筑速率應(yīng)由施工觀測(cè)來(lái)控制，其標(biāo)準(zhǔn)為：路中心的表面沉降速率宜控制在10 mm/d以?xún)?nèi)，坡腳處的側(cè)向位移宜控制在5 mm/d以?xún)?nèi)，單級(jí)孔壓系數(shù)小于0.6，綜合孔壓系數(shù)小于0.4。

(2) 路基中心的表面沉降速率在5 mm/d以?xún)?nèi)時(shí)，可以進(jìn)行下一層路堤的填筑。

(3) 軟基監(jiān)測(cè)應(yīng)實(shí)行動(dòng)態(tài)控制，在施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)側(cè)向位移速率等指標(biāo)不正常，路基有失穩(wěn)的趨勢(shì)時(shí)，必須立即向相關(guān)單位通報(bào)，并立即向路基兩側(cè)卸載。

2監(jiān)測(cè)成果分析

2007年1月采用振動(dòng)沉管擠密碎石樁工藝處治的軟基路段施工已全部完成，經(jīng)對(duì)碎石樁質(zhì)量檢驗(yàn)，全部質(zhì)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，具備填筑路堤施工條件?，F(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)工作基本與填土工作同時(shí)開(kāi)始，下面分別對(duì)典型斷面(K84+400)的各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的觀測(cè)成果進(jìn)行分析。

2.1　地表沉降監(jiān)測(cè)

在填土0.3 m時(shí)，在本斷面埋設(shè)了3個(gè)沉降板，對(duì)沉降板進(jìn)行高程觀測(cè)。填土施工過(guò)程中以每層填土厚度按標(biāo)準(zhǔn)層0.3 m考慮，若填土荷載過(guò)大，則以實(shí)際填土高度計(jì)算，填土的重度為20 kN/m3，因?yàn)槌两蛋迓裨O(shè)在砂墊層上所填的一層土(土工格柵)的上面，所以軟基的沉降量沒(méi)有考慮砂墊層的影響。現(xiàn)填土高度為4.3 m，填土已經(jīng)完畢。填土施工期間的沉降觀測(cè)，路基填土荷載、時(shí)間與沉降的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2　時(shí)間-荷載-沉降過(guò)程曲線(xiàn)圖(K84+400)

由圖2可知，路基沉降隨著填土荷載的增加而增大，填土越高沉降增加越大，各沉降板的沉降趨勢(shì)一致。路堤填土從2007年4月15日開(kāi)始、2007年8月27日完成設(shè)計(jì)填土高度4.3 m，134 d填土期間，路基沉降增長(zhǎng)相對(duì)較快，最大速率為2.37 mm/d，最大累計(jì)沉降為79.88 mm。截至2008年4月28日，設(shè)計(jì)7個(gè)月預(yù)壓期已完成，累計(jì)最大沉降為107.67 mm，整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)，沉降速率和累計(jì)沉降均大大低于控制值10 mm/d。預(yù)壓期完成后實(shí)測(cè)最大沉降值為107.67 mm，僅為設(shè)計(jì)計(jì)算的205 mm預(yù)期沉降值的52.5%，結(jié)果表明碎石樁處理效果明顯。

2.2　深層水平位移監(jiān)測(cè)

在坡腳兩側(cè)按照?qǐng)D1所示，在監(jiān)測(cè)斷面各埋設(shè)2個(gè)測(cè)斜觀測(cè)孔。位移正方向?yàn)槠x道路方向，與路的軸線(xiàn)方向垂直；位移負(fù)方向偏向道路方向，與路的軸線(xiàn)方向垂直。圖3給出了斷面觀測(cè)孔CX1的地基土深層水平位移。

圖3　深層測(cè)斜曲線(xiàn)節(jié)選圖(K84+000-CX1)

由圖3可見(jiàn)，CX1位于左路堤坡角外3.8 m，累計(jì)位移值最大約為30.94 mm。從所測(cè)的深層水平位移曲線(xiàn)也反映出在填土高峰期間，深層水平位移量變化明顯，而隨著填土速率的逐漸降低，深層水平位移量呈現(xiàn)相應(yīng)的減小趨勢(shì)，這一監(jiān)測(cè)結(jié)果與地表沉降的監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。雖然在填土期間，其水平位移很大，但是總體穩(wěn)定后，此位移波動(dòng)微小，即表示在整個(gè)填土期間，深層水平位移值變化很小。

同時(shí)從圖中可見(jiàn)填土高峰期間，深層水平位移量增加明顯，而隨著填土速率的逐漸降低，深層水平位移量呈現(xiàn)相應(yīng)的減小趨勢(shì)，這一監(jiān)測(cè)結(jié)果與地表沉降的監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。填土期間各測(cè)孔監(jiān)控部位的位移速率小于1.0 mm/d，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明填土加載期間地基的整體穩(wěn)定性能較好，也說(shuō)明了該段采用碎石樁地基處理的方法是有效且實(shí)用的。

2.3　地表水平位移監(jiān)測(cè)

在鉆孔安裝測(cè)斜管時(shí)，同時(shí)按照?qǐng)D1所示位置，對(duì)監(jiān)測(cè)斷面埋設(shè)水平位移監(jiān)測(cè)邊樁。依據(jù)地表水平位移觀測(cè)成果表(因數(shù)據(jù)量較大，不在本文計(jì)列)，并對(duì)照深層位移監(jiān)測(cè)成果分析，結(jié)果表明：邊樁離道路中心線(xiàn)越遠(yuǎn)其位移越小，根據(jù)觀測(cè)的結(jié)果，各邊樁的位移速率均小于2 mm/d，這也說(shuō)明了隨著填土荷載的不斷施加，路堤在逐漸增高，路堤對(duì)路基兩側(cè)影響是有限的，整個(gè)填土施工過(guò)程中，地表水平位移速率控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，地基整體穩(wěn)定性良好，也表明了該段采用碎石樁對(duì)軟土地基進(jìn)行處理，達(dá)到了良好的效果。

2.4　孔隙水壓力監(jiān)測(cè)

K84+400斷面孔隙水壓力原位監(jiān)測(cè)時(shí)程線(xiàn)見(jiàn)圖4。對(duì)照實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從圖4中可以發(fā)現(xiàn)孔隙水壓力的增長(zhǎng)與消散與2個(gè)因素有關(guān)，一是填土施工，即相當(dāng)于增加了荷載；二是地下水位的升降。土中孔隙水壓力的每一次增長(zhǎng)和消散，都是一次土中有效應(yīng)力逐漸增加，即地基土的承載力逐漸提高的過(guò)程。2007年4月到9月施工填土這段時(shí)間，孔壓曲線(xiàn)變化頻繁，且呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，其原因是前次填土的荷載所造成的孔隙水壓力還沒(méi)有完全消散，就開(kāi)始了下層填土的施工；而在施工完畢之后，孔壓曲線(xiàn)變化處于一直變小之中，即表示孔隙水壓力一直在變小，即使中間有些反復(fù)變大，主要是因?yàn)橄卤┯昊蛘叽笱?dǎo)致地下水位增高使孔隙水壓力變大?？傮w來(lái)說(shuō)，在填土過(guò)程中，孔壓值未出現(xiàn)隨荷載增加而急劇上升的現(xiàn)象，表明地基土內(nèi)部未被破壞。分析本斷面的5個(gè)觀測(cè)孔結(jié)果可知，其孔壓值變化都較小，基本上屬于正常變化范圍，碎石樁的處理效果明顯，從而顯著改善了路基力學(xué)的特性。

圖4　孔隙水壓力消散時(shí)程曲線(xiàn)圖(K84+000)

3結(jié)論

(1) 地基土表面水平位移最大發(fā)生在緊鄰路基兩側(cè)的邊樁，遠(yuǎn)離道路中心線(xiàn)的邊樁位移最小。邊樁的位移基本上反映了土體的實(shí)際位移情況，路基土體沒(méi)有出現(xiàn)明顯的水平位移，路堤施工過(guò)程中路基處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 填土過(guò)程中，所有斷面均未產(chǎn)生明顯的超孔隙水壓力變化，說(shuō)明荷載增加沒(méi)有引起地基中孔隙水壓力的明顯增長(zhǎng)與消散，表明地基處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 碎石樁是一個(gè)良好的排水通道，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，土的排水固結(jié)作用較為明顯，樁間土的性質(zhì)得到進(jìn)一步的改善。

(4) 碎石樁質(zhì)量良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了碎石樁樁體質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定結(jié)果與實(shí)際達(dá)到一致，證明振動(dòng)沉管擠密碎石樁施工工藝可行、質(zhì)量可靠。

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Investigation on Vibration Sinking Gravel

Compaction Pile by In-situ Detection Test

LiangYuanlin

(Hubei Daguangbei Expressway Co., Ltd., Huanggang 438000, China)

Abstract：In order to evaluate the performance of vibration sinking gravel compaction pile, this paper compares the detection data of typical cross sections, including settlement, settlement rate, horizontal displacement and lateral displacement. Experimental results indicate that the gravel pile has excellent performance. Therefore, it is feasible to use this method to reinforce the soft soil in practical project.

Key words:vibration sinking gravel compaction pile; composite foundations; in-situ detection; experimental investigation

收稿日期：2015-09-03

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.029