水泥攪拌樁和土工織物復(fù)合地基在某工程中的運(yùn)用

張金山

(廣州工程總承包集團(tuán)有限公司)

1 工程概況

某市政橋梁位于廣州市某河流內(nèi)，橋長約120m，采用預(yù)應(yīng)力簡支梁結(jié)構(gòu)。橋?qū)捈s24.5m，橋頭填土高達(dá)4m。因在軟土地基，為了解決橋頭路堤沉降和穩(wěn)定性問題，初步方案采用塑料排水板和超載預(yù)壓處理，采用這種方法雖然成本較低，但需要有一段很長時(shí)間的預(yù)壓期，且橋臺(tái)處鉆孔灌注樁施工須在預(yù)壓期滿后，再進(jìn)行一次開挖才能進(jìn)行?？紤]到施工工期有限的情況，決定采用土工織物加水泥攪拌樁的處理方案。

2 工程地質(zhì)條件

大橋位于淤積層地段，地勢平坦開闊，其土層分布及其巖土力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 巖土參數(shù)

3 方案基本思路

土工織布加筋的作用，一是提高路堤本身的穩(wěn)定性，特別是本工程中采用的直立式擋土墻護(hù)坡，土工織物加筋可以抵消部分填土的水平推力，減小路堤對(duì)橋臺(tái)樁和擋土墻的水平土壓力；二是土工織布加筋改善了攪拌樁和樁間土之間的應(yīng)力分擔(dān)比，因路堤是相對(duì)軟性體，并不像房屋建筑中采用的剛性基礎(chǔ)，土工織物加筋提高了樁的應(yīng)力分擔(dān)比，同時(shí)加筋也使路堤的不均勻沉降減小。水泥攪拌樁的主要作用，一是提高地基的承載力，二是大大減小地基的沉降量，使其工后沉降量在控制范圍之內(nèi)，解決橋臺(tái)與路堤的縱向變形協(xié)調(diào)問題。

4 水泥攪拌樁的加固原理

水泥攪拌樁所用漿液成分主要為水泥。水泥拌到土層中后，能強(qiáng)烈地吸收土體中的孔隙水。這些孔隙水和水泥中的有效成分進(jìn)行水化反應(yīng)后就被固定成結(jié)晶水。水化反應(yīng)中，產(chǎn)生出來的鈣離子能和土體中的礦物結(jié)晶表面吸咐著的鈉、鉀離子進(jìn)行當(dāng)量吸咐交換，使大量分散的土顆粒結(jié)成較大的“土顆粒-鈣-土顆?！蓖翀F(tuán)粒，而水泥水化生成的氫氧化鈣膠體，又能把這些較大的土團(tuán)粒粘結(jié)在一起。這樣便改變了土的結(jié)構(gòu)，使被加固土體的強(qiáng)度提高。此外，鈣和粘土礦物中的二氧化硅和三氧化二鋁還能進(jìn)行硬凝反應(yīng)，水泥水化物中的氫氧化鈣還能進(jìn)行碳酸化作用。上述作用都能改變土的結(jié)構(gòu)和成分，大大提高其強(qiáng)度。

5 方案和計(jì)算

在天然地基條件下，橋頭3.85m 高的填土，橋臺(tái)臺(tái)后路堤邊坡采用U 型分布擋土墻形式，經(jīng)計(jì)算，橋頭總沉降量為s=125cm。20 年設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的工后沉降量達(dá)42cm。路堤穩(wěn)定安全系數(shù)只有0.70。

5.1 水泥攪拌樁方案

為了使路線縱斷面平滑、順暢，決定采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的橋臺(tái)，為處理橋臺(tái)無沉降量至路基有較大沉降的過渡，水泥攪拌樁的處理必須采用分段過渡處理，控制標(biāo)準(zhǔn)為：①橋頭30㎝范圍內(nèi)的工后沉降量在10cm 以內(nèi)。②控制縱向變化率為6‰。

水泥攪拌樁的樁徑采用常規(guī)的50cm，噴漿量采用45㎏/m。樁體28d 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于750kpa。平面采用梅花型布置。

橋兩岸軟土層深為9.8m；橋東岸軟土層深度為11.7m，為了盡可能減小下臥層的沉降量，以及增加樁底的承載力，水泥攪拌樁打穿軟土層，水泥攪拌樁深度分別為9.8m 和11.7m。縱向變形過渡依靠布置間距的變化來解決，依據(jù)以上的控制標(biāo)準(zhǔn)，橋頭處理過渡段長為70m，分為三個(gè)區(qū)段：30m 為1.2m 間距；20m 為1.5m 間距；20m 為1.8m 間距，縱斷面布置如圖1 所示。三個(gè)區(qū)段的平均計(jì)算總沉降量依次為21.4cm、26.5cm、31.8cm，平均工后沉降量分別為：6.7cm、9.5cm、11.7cm。橫斷面布置如圖2 所示。

5.2 土工織物加筋

如圖1、圖2 所示，土工織物布置在60㎝厚的碎石含量較大的石渣墊層之中，使之形成剛度較大的加筋墊層，在橋臺(tái)臺(tái)背和兩側(cè)擋土，將土工布回折2m。

⑴由豎向分布荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力

假定土工織物的彎曲形狀為拋物面，如圖3 所示，在荷載作用下，其受力特點(diǎn)呈三向應(yīng)力特點(diǎn)，按力的平衡原理可導(dǎo)出織物的應(yīng)力Tv，如式⑴。

式⑴中，

a——1/2 兩樁的外側(cè)距離；

S——土工織物的中心撓度；

P1——豎向荷載；

圖1 縱斷面設(shè)計(jì)圖

圖2 橫斷面設(shè)計(jì)圖

圖3 受力分析圖

P2——地基反力。

當(dāng)填土高度為3.85m 的情況下，P1=80kpa；當(dāng)間距為1.2m 時(shí)，置換率m=0.157，a=0.375m；假設(shè)s=0.05m，應(yīng)力分擔(dān)比n=3.5。

則由式⑴可得Tv=16.2kn/m。

⑵水平荷載

假設(shè)土工織物的影響范圍只為60㎝厚的碎石墊層，則其水平拉應(yīng)力如式⑶。

式⑶中，

Ka——加筋碎石墊層的主動(dòng)土壓力，Ka=tg2（45°－φ/2）

φ——加筋碎石墊層的內(nèi)摩擦角（°），通常取35°；

H——路堤高度；

γs——路堤填筑重度；

Hg——土工織物影響厚度。

設(shè)：φ=35°，γs=21kn/m3，H=3.85m，Hg=0.6m，Th=23.0 kn/m，T=Tv+Th=39.2kn/m。

本工程中采用的土工織物為300g/m2的編織土工布，經(jīng)向拉伸強(qiáng)度≧50.0kn/m；緯向拉伸強(qiáng)度≧40.0kn/m。

6 土工織物加水泥攪拌樁的加固作用

土工織物加水泥攪拌樁在橋頭軟土地基處理中的作用是：作為橋臺(tái)剛性樁基礎(chǔ)無沉降量至橋頭路堤有較大沉降量的過渡、協(xié)調(diào)橋臺(tái)與路堤之間的變形。特別是對(duì)軟土層深度小于15m 的地基，是解決橋頭路堤變形問題的最佳方案。

土工織物加筋墊層不但提高路堤的穩(wěn)定性，減小對(duì)橋臺(tái)樁和邊坡?lián)跬翂Φ乃酵翂毫?，而且能提高樁土間的應(yīng)力分擔(dān)比，改善樁土間的受力狀態(tài)，減小不均勻沉降。

土工織物加粉噴樁的處理方案與目前公路軟土地基中常用的排水固結(jié)法相比，無需預(yù)壓期，只需較短的養(yǎng)護(hù)期，對(duì)于施工期緊的工程，更為合適。

完工后，通過沉降監(jiān)測，完全達(dá)到設(shè)計(jì)值，實(shí)際效果良好。