臺(tái)背新填土水泥碎石樁復(fù)合路基路用性能試驗(yàn)研究

譚博盛,鄧 超

(1.廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司 第四分公司，廣東 廣州 511431；2.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

1 研究背景

碎石樁適用于提高軟土地基抗液化性能在工程中得到廣泛應(yīng)用，近10年碎石樁土復(fù)合地基理論與實(shí)踐取得了豐碩成果，并在實(shí)踐研究中得到改進(jìn)，如包括筋箍碎石樁土復(fù)合地基[1]、格柵加筋碎石樁土復(fù)合地基[2]的加筋碎石樁土復(fù)合地基[3-5]、端夯擴(kuò)碎石樁土復(fù)合地基[6-8]及水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基[9-11]。改進(jìn)的碎石樁土復(fù)合地基的工程應(yīng)用更加廣泛，如建筑領(lǐng)域軟土地基加固[12]、交通領(lǐng)域路基沉陷、翻漿、橋頭跳車、路基滑移等問(wèn)題的處置。前述大多是碎石樁軟土地基處理加固理論與實(shí)踐成果，與碎石樁軟土復(fù)合地基高速公路新填土及預(yù)防橋頭跳車相比，路基加固碎石樁土復(fù)合路基有其獨(dú)有的特點(diǎn)：如交通領(lǐng)域和建筑領(lǐng)域?qū)λ槭瘶锻翉?fù)合地基的設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制指標(biāo)[13]及地基承載力、變形要求存在差異，能否直接應(yīng)用于路基加固技術(shù)還需進(jìn)一步研究。路基的回彈模量和彎沉值是路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)的敏感參數(shù)之一[14]，對(duì)高等級(jí)路面的設(shè)計(jì)指標(biāo)和路面性能影響較大，因此合理的評(píng)價(jià)和確定路基回彈模量和彎沉意義重大。針對(duì)湖南省某高速公路蓋板通道臺(tái)背新填土路基即填即用且尚未完成自重固結(jié)的特點(diǎn)，鑒于漿固碎石樁處置地基具有總沉降小、工期短、樁體置換作用明顯、工后次固結(jié)沉降小等優(yōu)點(diǎn)[15]，本文通過(guò)對(duì)湖南省某高速公路蓋板通道臺(tái)背新填土路基水泥碎石樁處置前后路基強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究水泥碎石樁加固處理臺(tái)背新填土路基的增強(qiáng)效果，可為類似工程提供借鑒。

2 工程概況及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

2.1 工程概況

湖南某高速公路是湖南省高速公路規(guī)劃網(wǎng)中的重要區(qū)間，本文試驗(yàn)區(qū)選擇該高速K14+277蓋板通道臺(tái)背右幅新填方路基，地基處理若采用異地借方或換填則需高昂的費(fèi)用，并使工程進(jìn)度滯后，因此選擇開(kāi)挖土作為路基填料。路基填料經(jīng)顆粒分析及液塑限試驗(yàn)確定為黏土質(zhì)礫(GC)，級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果如表1示，薄片試驗(yàn)及XRD衍射試驗(yàn)結(jié)果表明黏土質(zhì)礫由松散塊狀構(gòu)造，黑云母不規(guī)則片狀，粒徑較大，出現(xiàn)細(xì)粒片狀集合產(chǎn)出的伊利石，石英含量14.6%，高嶺石9.9%，地開(kāi)石18.6%，云母含量37.6%，斜綠泥石11.4%，長(zhǎng)石7.9%，如圖1、2所示。室內(nèi)試驗(yàn)得到其天然含水率為23.51%～24.42%，塑限27%，液限53%，最佳含水率14.8%，最大干密度1.847 g/cm3，摻配少量碎石等，且該路段路基頂?shù)幕貜棌澇猎O(shè)計(jì)值為200(0.01 mm)，壓實(shí)度符合要求，但彎沉無(wú)法滿足路基設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)采用樁徑500 mm振動(dòng)沉管水泥碎石樁(P.O32.5水泥摻量5%，碎石粒徑20～50 mm，質(zhì)地堅(jiān)硬、具有一定的強(qiáng)度、水穩(wěn)定性好、不易風(fēng)化且級(jí)配良好的石料)進(jìn)行加固處理，水泥碎石樁對(duì)路基土具有置換、改良、排水、約束作用，以提高臺(tái)背新填土路基強(qiáng)度和有效預(yù)防橋頭跳車，樁長(zhǎng)6.5～7.2 m，樁位平面布置及路基剖面圖如圖3所示。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)方案

試驗(yàn)路基為新填土路堤，由黏土質(zhì)礫(含少量碎石)作為路基填料，填料在最佳含水率下按0.15m分層填筑壓實(shí)至路基設(shè)計(jì)標(biāo)高，填筑壓實(shí)過(guò)程嚴(yán)格按照規(guī)范要求以控制路基壓實(shí)質(zhì)量，故不考慮地下水影響，近似認(rèn)為基頂下同深度處一定平面范圍內(nèi)路基土具有相同的物理力學(xué)特性。同時(shí)，為避免水泥碎石樁施工前路基土相關(guān)測(cè)試對(duì)水泥碎石樁施工后路基土測(cè)試產(chǎn)生影響，水泥碎石樁施工前后路基土試驗(yàn)對(duì)比測(cè)試點(diǎn)距離為0.5 m。各試驗(yàn)點(diǎn)布置如表2、圖3示。

表1 路基填料級(jí)配篩分試驗(yàn)結(jié)果

圖1黏土質(zhì)礫薄片圖 圖2黏土質(zhì)砂XRD粉晶衍射曲線圖

圖3 樁位平面及路基剖面圖(單位：m)

表2 試驗(yàn)點(diǎn)布置

注：工前路基土測(cè)試試驗(yàn)為路基土填筑壓實(shí)完成后，水泥碎石樁施工前，對(duì)路基土進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)測(cè)試試驗(yàn)；工后路基土測(cè)試試驗(yàn)為水泥碎石樁施工齡滿后，對(duì)路基土進(jìn)行的相關(guān)測(cè)試試驗(yàn)；單樁復(fù)合路基為測(cè)試試驗(yàn)水泥碎石樁齡滿后形成的復(fù)合路基的相關(guān)測(cè)試試驗(yàn)。

2.2.1 回彈模量測(cè)試 在路基壓實(shí)填筑完成，依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG E60-2008)[16]，采用承載板法測(cè)試水泥土碎石樁施工前后路基土回彈模量，為防止填筑路基表面受外界條件影響，測(cè)試點(diǎn)選在基頂以下300 mm。水泥碎石樁施工前，在樁體施工布置點(diǎn)進(jìn)行回彈模量測(cè)試，水泥碎石樁施工完成至齡滿后對(duì)樁體進(jìn)行回彈模量測(cè)試，工后路基土回彈模量測(cè)試時(shí)，為減小施工擾動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，測(cè)試深度為基頂下1.0 m。

(1)試驗(yàn)設(shè)備及加載方法。試驗(yàn)采用千斤頂附設(shè)加勁橫梁反力法，由標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試車一臺(tái)(后軸重100 kN)、彎沉儀(2臺(tái))、百分表(精度0.01 mm)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試裝置(直徑300 mm厚20 mm的承載板、千斤頂測(cè)力環(huán)、墊塊、加勁橫梁)組成。將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試裝置安放于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試車尾部車底橫梁中間下方，構(gòu)成加載反力系統(tǒng)，兩臺(tái)彎沉儀測(cè)頭分別置于承載板兩側(cè)立柱上。荷載采用油壓千斤頂提供，并由測(cè)力環(huán)讀數(shù)控制，如圖4示。

(2)加載及結(jié)果處理。試驗(yàn)裝置安裝完畢，預(yù)壓0.05 MPa，持續(xù)時(shí)間1 min，卸載預(yù)壓后百分表對(duì)零，再進(jìn)行分級(jí)加載和卸載。采用規(guī)范規(guī)定最大施加荷載達(dá)0.70 MPa，加載分為9級(jí)，第一級(jí)為0.05 MPa，每級(jí)增加0.05 MPa至第四級(jí)荷載0.20 MPa，以后每級(jí)增量0.10 MPa，換算后控制測(cè)力環(huán)讀數(shù)變動(dòng)，當(dāng)荷載等級(jí)達(dá)到0.70 MPa或回彈變形值大于1 mm時(shí)試驗(yàn)停止。測(cè)試結(jié)果利用文獻(xiàn)[16]中公式T0943-1～5計(jì)算得到回彈模量值。

圖4回彈模量測(cè)試試驗(yàn) 圖5動(dòng)力觸探試驗(yàn)

在考慮現(xiàn)場(chǎng)加載條件下，近似以樁土單元體[1,17]來(lái)進(jìn)行水泥碎石樁土復(fù)合地基變形分析，對(duì)單樁復(fù)合地基回彈模量測(cè)試，即以現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)尺寸為1.0 m×1.0 m×0.02 m剛性承載板進(jìn)行復(fù)合地基承載力測(cè)試，利用每級(jí)卸載回彈變形均值，通過(guò)半無(wú)限彈性空間體方形剛性承載板沉降計(jì)算公式反算近似得到回彈模量。采用混凝土堆載法構(gòu)成加載反力系統(tǒng)，加載采用一個(gè)油壓千斤頂，千斤頂?shù)闹行奈挥诔袎喊逯行?，加載量通過(guò)油壓傳感器控制，變形通過(guò)對(duì)稱布置于承壓板的4個(gè)量程為50 mm位移傳感器測(cè)量，其分辨力不小于0.01 mm，4個(gè)測(cè)試結(jié)果取均值?；貜椖Ａ繙y(cè)試前承載板采用100～200 mm中砂找平，使荷載板緊貼所測(cè)試的復(fù)合地基。預(yù)估最大加載值為300 kN，分為8級(jí)加載，每級(jí)加載量為37.5 kN。卸載級(jí)數(shù)可為加載級(jí)數(shù)的一半，等量進(jìn)行，每卸一級(jí)，間隔30 min，讀記回彈量，待卸完全部荷載后間隔3 h讀記總回彈量，本次試驗(yàn)卸載級(jí)數(shù)為5級(jí)，每級(jí)卸載值為60 kN。

2.2.2 重型動(dòng)力觸探 根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》(TB 10018-2018)[18]對(duì)水泥土碎石樁施工前后路基土及齡期滿30 d水泥碎石樁進(jìn)行重型動(dòng)力觸探?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)采用地質(zhì)鉆機(jī)起吊重錘，如圖5所示，錘重63.5 kg±0.5 kg，落距76 cm±2 cm，探頭直徑74 mm，錐角60°，探頭截面積43 cm2，探桿直徑42 mm，貫入深度10 cm時(shí)的錘擊數(shù)N63.5，測(cè)試路基土及水泥碎石樁承載性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 回彈模量測(cè)試結(jié)果

路基土填筑完成，在水泥碎石樁預(yù)施工位置進(jìn)行回彈模量測(cè)試，荷載式P與回彈變形L的關(guān)系如圖6所示。圖6表明較低荷載等級(jí)下回彈變形超過(guò)1.0 mm，該類新填土路基回彈模量不滿足規(guī)范規(guī)定高速路基回彈模量不小于30 MPa的要求。水泥碎石樁施工后，同區(qū)域路基土回彈模量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7所示，圖7表明水泥碎石樁施工振動(dòng)一定程度上可提高路基土頂下1.0 m范圍路基土回彈模量。

為探究水泥碎石樁施工齡滿后形成的樁土復(fù)合路基復(fù)合回彈模量，通過(guò)承載板法加卸載測(cè)試單樁復(fù)合路基的荷載-沉降變化，得到P-S曲線及分級(jí)卸載60 kPa下分級(jí)回彈變形，如圖8、9所示。對(duì)比復(fù)合路基FH1、FH2、FH3分級(jí)卸載下的回彈變形L表明該新填土單樁復(fù)合路基回彈變形主要發(fā)生在第一級(jí)卸載和最后一級(jí)卸載時(shí)，中間各級(jí)卸載回彈變形差異較小，具有類土石混合體路基沉降變形性質(zhì)[19]。

利用各級(jí)卸載回彈變形均值，通過(guò)半無(wú)限彈性空間體方形剛性承載板沉降計(jì)算公式反算近似得到回彈模量。當(dāng)采用承載板法進(jìn)行復(fù)合路基回彈模量測(cè)試時(shí)，考慮總回彈變形大于1.0 mm與規(guī)范中d=300 mm承載板回彈變形值不超過(guò)1.0 mm的差異，同時(shí)考慮承載板法復(fù)合路基P-S測(cè)試過(guò)程中塑性變形對(duì)彈性變形的影響，可用中間各級(jí)卸載回彈變形均值近似計(jì)算得到回彈模量。即:

(1)

圖6荷載P與回彈變形L的關(guān)系 圖7施工前后路基土回彈模量E測(cè)試結(jié)果

圖8單樁復(fù)合路基載荷試驗(yàn)曲線 圖9分級(jí)回彈變形

圖10 水泥碎石樁荷載-回彈變形關(guān)系曲線

圖11 不同預(yù)估方法下的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.2 動(dòng)力觸探

路基填筑完成，在水泥碎石樁預(yù)施工位置D1、D2、D3(圖3(a)所示)進(jìn)行重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，結(jié)果如圖12所示，該新填土路基動(dòng)力觸探錘擊數(shù)在2、3擊分布點(diǎn)較多，少量達(dá)到4擊，分析認(rèn)為是新填土中夾雜少量碎石的原因。

水泥碎石樁施工齡滿后對(duì)J1、J2、J3(圖3(a)所示)水泥碎石樁進(jìn)行動(dòng)力觸探試驗(yàn)，結(jié)果如圖13所示，圖13表明水泥碎石樁施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求錘擊數(shù)大于7擊的要求，樁頂1.0 m范圍內(nèi)動(dòng)力觸探錘擊數(shù)與樁體下部差異較大，即水泥碎石樁的樁頂強(qiáng)度高，符合水泥碎石樁復(fù)合路基的受力變形規(guī)律[12,15]對(duì)水泥碎石樁的強(qiáng)度要求。

水泥碎石樁施工完成齡滿后，分別在原動(dòng)力觸探測(cè)試點(diǎn)D1、D2、D3附近的LD1、LD2、LD3、LD4、LD5(圖3(a)所示)進(jìn)行路基土動(dòng)力觸探試驗(yàn)，比較施工前后路基土動(dòng)力觸探錘擊數(shù)變化情況。比較圖12、13可知水泥碎石樁施工后，由于碎石樁的置換、改良、排水作用使得路基土強(qiáng)度提高，因此動(dòng)力觸探錘擊數(shù)在3、4分布點(diǎn)比較多，甚至局部點(diǎn)錘擊數(shù)達(dá)到5、6。

為更好的比較同區(qū)域路基土施工前后動(dòng)力觸探錘擊數(shù)變化情況，分別在圖15、16、17中表示同區(qū)域(圖3(a)所示)地基土動(dòng)力觸探錘擊數(shù)，結(jié)果表明水泥碎石樁的施工一定程度上增加了路基深部土體的強(qiáng)度，錘擊數(shù)分布較高點(diǎn)更多，但樁頂下部1.0 m范圍內(nèi)，最大可達(dá)1.5 m，路基土動(dòng)力錘擊數(shù)較未施工前分布錘擊數(shù)偏低2分布點(diǎn)更多，局部點(diǎn)錘擊數(shù)僅1擊，這與文獻(xiàn)[6]中0.8 m結(jié)論基本一致。主要是因?yàn)樗嗨槭瘶妒┕r(shí)能量大，上覆路基土壓力不足，產(chǎn)生局部隆起變形，路基土受到施工等因素的影響發(fā)生擾動(dòng)破壞，導(dǎo)致擠密作用不明顯，上部路基土變得松散，因此在水泥碎石樁施工過(guò)程中可采取一定措施防止樁體上部土體的擾動(dòng)，如鋼套筒水泥碎石樁或格柵鋼套筒水泥碎石樁[20]。

圖12水泥碎石樁施工前路基土動(dòng)力觸探結(jié)果 圖13水泥碎石樁動(dòng)力觸探結(jié)果

圖14水泥碎石樁施工后路基土動(dòng)力觸探結(jié)果 圖15D1區(qū)域路基土動(dòng)力觸探結(jié)果

圖16D2區(qū)域路基土動(dòng)力觸探結(jié)果 圖17D3區(qū)域路基土動(dòng)力觸探結(jié)果

4 結(jié) 論

對(duì)湖南省某高速公路蓋板通道臺(tái)背新填土路基水泥碎石樁處置前后路用指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，比較分析水泥碎石樁施工前后路基回彈模量及重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1)水泥碎石樁的施工振動(dòng)一定程度上可提高路基土面下1.0 m范圍路基土回彈模量；

(2)新填土水泥碎石樁復(fù)合路基載荷試驗(yàn)中回彈變形主要發(fā)生在第一級(jí)卸載和最后一級(jí)卸載時(shí)，中間各級(jí)卸載回彈變形差異較小，具有類土石混合體路基沉降變形的性質(zhì)；

(3)水泥碎石樁施工后的新填土復(fù)合路基回彈模量滿足高等級(jí)公路不小于30 MPa的要求，反算彎沉滿足設(shè)計(jì)彎沉200(0.01 mm)的要求，但總回彈變形均值和中間各級(jí)回彈變形均值預(yù)測(cè)復(fù)合路基回彈模量與當(dāng)前樁土面積置換率m概念下樁土材料模量得到的復(fù)合模量差異較大，后者為前者的2.0倍左右。

(4)水泥碎石樁施工在一定程度上增加了路基深部土體強(qiáng)度，N63.5錘擊數(shù)分布較高點(diǎn)更多。在樁頂下部1.0～1.5 m范圍內(nèi)，可采用格柵鋼套筒或鋼套筒水泥碎石樁以防止由于樁體施工時(shí)發(fā)生路基土體擾動(dòng)破壞。