高速公路巖溶路基樹根樁加固試驗(yàn)研究

黃 斌

(湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長沙 410015)

高速公路巖溶路基樹根樁加固試驗(yàn)研究

黃 斌

(湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長沙 410015)

為探求樹根樁加固高速公路巖溶地基的適宜性，選取典型巖溶地區(qū)路基進(jìn)行現(xiàn)場載荷試驗(yàn)，獲得樹根樁單樁承載力特征值、樁間土地基承載力特征值及抗剪強(qiáng)度參數(shù)，并對(duì)加固后的巖溶地區(qū)路基進(jìn)行施工填筑數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明：現(xiàn)場載荷試驗(yàn)所得單樁承載力和復(fù)合地基承載力均滿足工程設(shè)計(jì)要求；樹根樁施工時(shí)的注漿液明提高樁間土的抗剪強(qiáng)度，粘聚力c提高1.75倍，內(nèi)摩擦角φ提高1.45倍；數(shù)值模擬結(jié)果表明樹根樁能有效加固軟弱的巖溶路基，減小了巖溶地區(qū)路基的工后沉降變形。研究成果可為樹根樁在高速公路巖溶路基地基處理中的應(yīng)用提供參考和指導(dǎo)。

巖溶路基； 樹根樁； 承載力現(xiàn)場載荷試驗(yàn)； 數(shù)值模擬； 抗剪強(qiáng)度

0 前言

巖溶是可溶性巖石在溶蝕水的作用下，產(chǎn)生的各種地質(zhì)作用、形態(tài)和現(xiàn)象的總稱。在中國南方巖溶地質(zhì)分布廣泛、發(fā)育強(qiáng)烈，其主要類型包括石牙、石林、溶溝、洼地和溶洞等。各種類型的巖溶對(duì)高速公路建設(shè)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害[1-3]，例如：隱伏巖溶易造成路基塌陷失穩(wěn)；巖溶積水排泄不暢形成地面積水、冒水，易軟化路基等；巖溶路基因積水軟化引起高速公路路面沉降過大。因此，加強(qiáng)對(duì)巖溶地區(qū)高速公路地基處理方法的研究，對(duì)提高路基穩(wěn)定性、降低工程造價(jià)和保證高速公路正常運(yùn)營具有重要意義。

隨著高速公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，在工程建設(shè)過程中積累了大量的巖溶地質(zhì)災(zāi)害處理經(jīng)驗(yàn)。國內(nèi)主要采取的方法有：跨越法，主要采用以橋梁或者涵洞的方式跨越溶洞，雖然該方法能較好的解決溶洞路基問題，但為了實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁、涵洞的有效支撐，其基礎(chǔ)部分需要遠(yuǎn)離溶洞區(qū)域，因此該方法將會(huì)增加治理費(fèi)用；加固法，主要采用洞內(nèi)支撐或樁基等加固巖溶，但這種加固方式需要較穩(wěn)定的持力層，而巖溶地區(qū)裂隙發(fā)育，缺少穩(wěn)定的持力層；堵塞法，主要是采用黏土或塊石充填，該方法不可避免的改變地下水系，當(dāng)溶洞被堵塞后，里面的地下水不能被排出容易使路基軟化。因此，尋求一種新的、可靠的處理巖溶路基的處置技術(shù)已迫在眉睫。

樹根樁[4]也稱微型樁，近年來被廣泛的應(yīng)用于基坑工程、隧道工程[5]、邊坡工程[6-8]和軟弱地基加固[9，10]，通過查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，樹根樁在加固高速公路巖溶路基方面的研究，目前的研究程度不夠深入，相關(guān)的研究成果鮮見報(bào)道。為研究樹根樁加固巖溶路基的可行性，本文以湖南省永藍(lán)高速公路巖溶路基為工程地質(zhì)背景，基于前人的研究成果，展開樹根樁加固該地區(qū)高速公路巖溶路基的適宜性方面的試驗(yàn)研究，以期為該地區(qū)巖溶路基選用安全適用、技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的地基處理方法提供評(píng)價(jià)。

1 工程簡介

湖南永藍(lán)高速公路全長145 km，概算總投資108億元，該路主線采用四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，路基寬度24.5 m。經(jīng)勘查，整條公路很多路段都將修建在典型的喀斯特地區(qū)，尤其是土建01合同K53+491-K62+138路段更是屬于不良工程地質(zhì)區(qū)域，該地段存在大量的巖溶現(xiàn)象如圖1所示，且沿線分布有廣泛的軟土，使得該工程地基處理難度加大。經(jīng)設(shè)計(jì)研究決定，擬采用樹根樁處理該地區(qū)高速公路巖溶地基，其可行性擬通過現(xiàn)場試驗(yàn)和相應(yīng)的數(shù)值模擬加以驗(yàn)證

圖1 永藍(lán)高速公路所在區(qū)域內(nèi)裸露出的溶洞Figure 1 The karst cave of yonglan high way

2 樹根樁加固基本理論

樹根樁是通過一定方法在巖溶地基中先成孔，再在孔中置入設(shè)計(jì)所要求的鋼筋籠和注漿用的注漿管，清孔后在孔中投入一定規(guī)格的石料或細(xì)石砼，再用水泥漿液進(jìn)行壓力注漿所形成同徑或異徑的樁。經(jīng)樹根樁加固處理后的地基稱為復(fù)合地基，它是由改良后的樁間土與樹根樁樁體共同承擔(dān)荷載。單樁承載力為：

(1)

式中：m為樁土面積置換率；Ap為樹根樁樁身截面面積；k1、k2分別為樹根樁單樁承載力提高系數(shù)和樁間土強(qiáng)度提高系數(shù)；fsp、Rk、fs分別為復(fù)合地基承載力特征值、單樁承載力特征值和樁間土承載力特征值；其中Rk、fs作為樁、土分別由樁基靜載試驗(yàn)和淺層載荷試驗(yàn)確定。

3 復(fù)合地基承載力現(xiàn)場載荷試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

本文中該高速公路沿線巖溶發(fā)育數(shù)目極多，且?guī)r溶規(guī)模大小不一。為深入研究樹根樁加固技術(shù)對(duì)高速公路巖溶路基承載力的提高效果，現(xiàn)場載荷試驗(yàn)選取該高速公路具有典型代表的K56+737處巖溶路基進(jìn)行研究，該處地質(zhì)剖面及設(shè)計(jì)填方如圖2所示，其中第一地層為粉質(zhì)粘土，厚度為1.0～6.7 m，平均厚度為5.3 m；第二地層為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r，泥質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)較軟，瘤狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造；第三地層為中風(fēng)化白云巖，內(nèi)有一溶洞，寬度約為12 m，高度約為1.5～2.8 m，整個(gè)路堤填筑高度為17.5 m。

本次試驗(yàn)樹根樁直徑為200 mm，注漿壓力為0.3～0.5 MPa，注漿材料采用水灰比0.6的水泥漿。

圖2 K26+700工程地質(zhì)剖面圖Figure 2 The engineering geological profile of K26+700

3.2 樹根樁靜載試驗(yàn)

樁基靜載試驗(yàn)是一項(xiàng)方法可行，理論上無可爭議的樁基檢測技術(shù)。在確定單樁極限承載力方面，它是目前最為準(zhǔn)確、可靠的檢驗(yàn)方法。本次靜載試驗(yàn)是在試樁頂上分級(jí)施加靜荷載直到2.0倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)為止，從而測得樁的加載荷載Q和單樁的下沉量S的關(guān)系，依據(jù)最新《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》：“單樁承載力宜通過現(xiàn)場靜載試驗(yàn)確定，在同一條件下試樁數(shù)量不宜少于總樁數(shù)的1%，并不少于3根”，因此本次試驗(yàn)選取3根樹根樁作為試樁進(jìn)行樁基極限承載力靜載試驗(yàn)，采用慢速維持荷載法，即逐級(jí)加載，每級(jí)荷載達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后加下一級(jí)荷載，直到樁體破壞。

試樁1～試樁3靜載試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，以Q-S曲線上直線段末端的拐點(diǎn)確定單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Ru，圖3中單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Ru=653.5～747.3 kN。根據(jù)最新《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，單樁承載力特征值Ra為：

(2)

故最小單樁承載力特征值Ra=326.75 kN，而初步設(shè)計(jì)中單樁設(shè)計(jì)承載力Rd=300 kN，最小單樁承載力特征值Ra>Rd=300 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 樹根樁靜載試驗(yàn)Q-S曲線Figure 3 The Q-S curve of root pile static load test

3.3 樁間土淺層載荷試驗(yàn)

淺層載荷試驗(yàn)的剛性承壓板采用大小D=30 cm，t=2 cm的圓形鋼板，選取地基處理后樁間土試驗(yàn)點(diǎn)1～試驗(yàn)點(diǎn)3進(jìn)行淺層載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)加載方式采用分級(jí)維持荷載沉降相對(duì)穩(wěn)定法(慢速法)，每級(jí)荷載增量取測試地基土層預(yù)估極限承載力的1/10，每級(jí)加載后，按間隔10、10、10、15、15 min以后為每隔半小時(shí)測讀一次沉降量，各級(jí)荷載下沉降相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)采用連續(xù)2 h的每小時(shí)沉降量不超過0.1 mm，可施加下一級(jí)荷載，當(dāng)出現(xiàn)以下任一情況時(shí)可終止加載：

① 某級(jí)荷載作用下，沉降量急劇增大，承壓板周圍土體出現(xiàn)明顯隆起；

② 在某一級(jí)荷載下，24 h內(nèi)沉降速率不能達(dá)到穩(wěn)定；

③ 某級(jí)荷載作用下，承壓板的累計(jì)沉降量已大于其直徑的6%；

④ 當(dāng)達(dá)不到極限荷載，而最大加載壓力已大于設(shè)計(jì)要求值的2倍。

根據(jù)初步設(shè)計(jì)，經(jīng)樹根樁加固巖溶路基后，試驗(yàn)所在路段設(shè)計(jì)地基承載力特征值為200 kPa，因此淺層載荷試驗(yàn)最大加載值取為28.0 kN。分級(jí)施加靜荷載從而測得復(fù)合地基樁間土承載力和下沉量的關(guān)系，如表1所示。

由表1可知：荷載Q介于0～28.0 kN之間時(shí)，荷載(Q)與沉降量(S)之間的關(guān)系有非常明顯的直線段，Q=22.0～23.0 kN為該直線段的比例界限，故該試土層的承載力特征值為311.4～325.5 kPa，大于該路段設(shè)計(jì)地基承載力特征值200 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 樁間土現(xiàn)場直剪試驗(yàn)

數(shù)值模擬參數(shù)的選取需要現(xiàn)場直剪試驗(yàn)取得。根據(jù)分析，樹根樁之所以能夠加固巖土體，提高巖土體的承載力，其原因有2點(diǎn)： ①原來松散的巖土體通過注漿之后，漿液在壓力作用下灌入巖土體的空隙、節(jié)理、裂隙等脆弱部位，漿液就地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)凝固后起到固結(jié)、粘合、防滲和提高抗剪強(qiáng)度和抗變形的能力。 ②樹根樁對(duì)松散的巖土體具有錨固作用，采用注漿工藝成樁后，樹根樁上連著許多化學(xué)漿脈，這樣就形成了在大樹根樁的底端連著有許多小樹根樁。大、小樹根樁作為巖土體的有力骨架增強(qiáng)了錨固作用，為提高地基承載力提供有力保障。

現(xiàn)場直剪試驗(yàn)選取編號(hào)為1-1、1-2、1-3、1-4、1-5加固后的樁間土進(jìn)行直剪試驗(yàn)(見圖4)，選取相同區(qū)域編號(hào)為2-1、2-2、2-3、2-4、2-5未加固的土體進(jìn)行對(duì)比直剪試驗(yàn)。取樣尺寸50 cm×50 cm×35 cm，人工開槽后將開鑿部分試樣用塑料袋包裹起來，以免試樣的含水量在開鑿時(shí)逐漸損失，開鑿?fù)瓿珊罅⒓丛陧斆鏉仓蜆?biāo)號(hào)砂漿保護(hù)，四周用鋼模板保護(hù)。

圖4 現(xiàn)場原位直剪試驗(yàn)Figure 4 In-situ direct shear test on site

現(xiàn)場直剪試驗(yàn)表明：第一層黏土通過靜壓灌漿后，樹根樁樁間土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)得到大幅度提高，見表2，其中粘聚力c由灌漿前的24 kPa提高到灌漿后42 kPa，內(nèi)摩擦角φ由注漿前的17.81°提高到灌漿后的25.86°。由此可見，通過樹根樁注漿施工后原路基土體強(qiáng)度得到大幅度地提高。

表2 樹根樁加固前后黏土現(xiàn)場直剪試驗(yàn)結(jié)果Table2 Thedirectsheartestresultsofrootpilereinforcedclaybe?foreandafter組別試驗(yàn)點(diǎn)編號(hào)法向應(yīng)力s/MPa剪切力峰值τ/MPa摩擦角φ/(°)粘聚力c/kPa樹根樁加固后樁間土1-18728351-211639961-3166912331-4176412651-518371314258642樹根樁加固前原狀土2-13883542-27734442-38995612-413756692-51534732178124

4 樹根樁處理巖溶路基的數(shù)值模擬結(jié)果

4.1 模型概況

根據(jù)初步設(shè)計(jì)，該高速公路K26+700處是一填方路堤，填方高度17.5 m，路基填筑土體從下往上共分8層填筑。采用大型通用有限元軟件ANSYS，按照實(shí)際地層和填筑路堤建立有限元模型并劃分網(wǎng)格，再導(dǎo)入FLAC3D中，加入pile單元模擬初步設(shè)計(jì)中的樹根樁(見圖5)，其中6根白色pile單元中下部穿過一個(gè)平均高度為2.8 m，寬度為12 m的溶洞，其余樹根樁呈三角形展開分布。各地層數(shù)值模擬參數(shù)，見表3。

圖5 計(jì)算模型Figure 5 Calculation model

表3 各地層數(shù)值模擬參數(shù)Table3 Acrossthelayernumericalsimulationparameters地層彈性模量E/MPa泊松比μ1粉質(zhì)粘土(加固前)200432泥質(zhì)灰?guī)r(加固前)2000273白云巖(加固前) 15000231粉質(zhì)粘土(加固后)600352泥質(zhì)灰?guī)r(加固后)2000273白云巖(加固后) 1500023ρ/(kg·m-3)c/MPaφ/(°)180000241781200067225220010032190000422586200067225220010032

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

① 樹根樁施工前模擬結(jié)果。

路基設(shè)計(jì)標(biāo)高高于原始路基標(biāo)高，按照設(shè)計(jì)要求需要填筑17.5 m，本次分析研究未加入樹根樁的天然路基在17.5 m填筑土體荷載作用下路基及溶洞的沉降。經(jīng)分析驗(yàn)算：位于強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r(第二層巖土體)下面的溶洞在上覆巖土體自重作用下能夠保持平衡。

隨著路堤分層填筑的進(jìn)行，該溶洞頂部的豎向位移非線性的逐漸增大，當(dāng)路堤填筑完成后，豎向位移最大達(dá)到-2 756 mm(見圖6)，溶洞已在路堤填筑土體作用下完全垮塌。同時(shí)，路堤右側(cè)坡腳與原地面局部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致路堤右側(cè)坡腳底沉降過大，易導(dǎo)致路堤右側(cè)邊坡在使用過程中失穩(wěn)。

圖6 未加固時(shí)路堤填筑后豎向位移Figure 6 The vertical displacement of unreinforced embankment

② 樹根樁施工后模擬結(jié)果。

本次分析對(duì)比前面未用樹根樁進(jìn)行路基加固的情況，研究了按照設(shè)計(jì)要求經(jīng)樹根樁加固處理后的復(fù)合地基在17.5 m填筑土體荷載作用下路基變形情況(見圖7)

圖7 樹根樁加固后路堤填筑后豎向位移Figure 7 The vertical displacement of root pile reinforcement embankment

由圖7可知：路堤填土及其下溶洞經(jīng)樹根樁加固后，路堤填土強(qiáng)度和剛度得到大幅度提高，最大豎向位移為-34 mm，滿足高速公路工后沉降要求。同時(shí)右側(cè)坡面與原始地面由于樹根樁的抗剪能力的提高，無應(yīng)力集中現(xiàn)象。右側(cè)坡體穩(wěn)定性得到加強(qiáng)。

原路基中點(diǎn)豎向位移在樹根樁加固巖溶路基前后與填筑層數(shù)的關(guān)系圖見圖8。隨著填筑層數(shù)的增加，未經(jīng)樹根樁加固時(shí)，路堤下面溶洞垮塌越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致原路基中點(diǎn)跟隨大幅沉降，最大達(dá)到-1 090 mm；而加固后最大沉降僅-20.7 mm，滿足高速公路施工沉降要求。

圖8 加固前后原路基中點(diǎn)豎向位移與路堤填筑層數(shù)關(guān)系Figure 8 The relationship of original roadbed midpoint vertical displacement and embankment filling layer

5 結(jié)論

樹根樁作為處置湖南省西部地區(qū)高速公路巖溶路基的地基處理方法，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)和相應(yīng)的數(shù)值模擬分析，得出如下結(jié)論：

① 樹根樁加固巖溶路基時(shí)，注漿液對(duì)樁間土的抗剪強(qiáng)度有了明顯的提高，粘聚力c提高1.75倍，內(nèi)摩擦角φ提高1.45倍，復(fù)合地基的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于天然原狀土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，同時(shí)單樁承載力特征值達(dá)326.75 kN，以上因素對(duì)提高巖溶路基土的承載力和抗變形能力提供了保障。

② 數(shù)值模擬分析顯示，原路基未用樹根樁進(jìn)行地基處理時(shí)，由于下伏小型溶洞坍塌等造成路基大面積大位移沉降，最大沉降達(dá)到-2 756 mm，嚴(yán)重高速公路的施工和正常使用。經(jīng)過樹根樁加固，溶洞得到填充，路基強(qiáng)度得到提高后，原路基中點(diǎn)最大沉降為-20.7 mm，溶洞最大豎向位移為34 mm。加固效果異常明顯。

③ 樹根樁作為處理巖溶路基的地基處理方法，具有施工對(duì)環(huán)境影響極小，具有施工容易操作等優(yōu)點(diǎn)，在加固高速公路巖溶路基有良好的加固效果，因此在處理巖溶路基方面具有廣闊的推廣前景。

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The Research on Strengthening Expressway Karst Roadbed by Root Pile

HUANG Bin

(Hunan Communications Research Institute， Changsha， Hunan 410015， China)

In order to seek for the suitability of strengthening expressway karst roadbed by root pile，the field loading test in typical karst roadbed area was selected.According to this test，the bearing capacity eigenvalue of single pile of root pile，the bearing capacity eigenvalue of foundation of soil between piles and the shear strength parameters was obtained.Meanwhile，the karst roadbed construction after being reinforced was analyzed by numerical simulation.The result shows that both the bearing capacity of single pile and the bearing capacity of composite foundation can meet the demand of engineering design.In the construction of root pile，the grouting fluid well increases the shear strength of soil between piles.The cohesion C and the internal friction angle φ increases by 1.75 times and 1.45 times.The result of numerical simulation shows that root pile can effectively reinforce the weak Karst roadbed and decrease the settlement deformation of Karst roadbed area.The research result can provide reference and guidance for the foundation treatment of expressway karst roadbed by root pile.

karst roadbed； root pile； field loading test of bearing capacity； numerical simulation； shear strength

2016 — 08 — 22

黃 斌(1979 — )，男，湖南懷化人，工程師，從事公路路基材料研究與試驗(yàn)工作。

U 213.1+52

A

1674 — 0610(2016)06 — 0204 — 05