樁承式加筋路堤在尾礦區(qū)的應用

彭少龍，王琥，蘇愛斌

(1.廣西新柳南高速公路有限公司，廣西 南寧 530021；2.廣西交投科技有限公司；3.廣西邕州高速公路有限公司)

根據(jù)《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2018—2030)》，廣西區(qū)至2030年全區(qū)高速公路總規(guī)模15 200 km，高速公路面積密度邁入國家第一梯隊。而廣西素有“有色金屬之鄉(xiāng)”之稱，礦產(chǎn)資源豐富，全區(qū)遍布各大小礦區(qū)。為避免搶占耕地或高填深挖等問題，廣西區(qū)高速公路建設時，穿過尾礦區(qū)的現(xiàn)象時有發(fā)生。尾礦區(qū)絕大部分是在未進行任何有效處理的地基上堆積而成的，穩(wěn)定性極差，而高速公路穿過礦區(qū)而建，更加劇了礦區(qū)的不穩(wěn)定性，容易造成潰壩而導致尾礦泄露，威脅周邊居民的生命財產(chǎn)安全，甚至造成巨大的不可逆的環(huán)境污染問題。

尾礦區(qū)一般由廢礦泥、礦渣等堆積而成，具有結(jié)構(gòu)松散、特別軟弱、承載力低、嚴重欠固結(jié)性、堆積厚度大、具毒性等特點，屬于軟弱地基，而在軟弱地基處治技術上，國內(nèi)外皆有學者在研究，處治技術種類各式各樣，剛性樁在處治技術中備受青睞。主要集中應用在軟土地基、路橋過渡段特殊處理工程、濕陷性類黃土地區(qū)高速鐵路路堤處治、已在運營階段的公路以及高速鐵路的路堤等狀況下的處治工程，如文獻[1]中，處治的工況環(huán)境是黃土地區(qū)路橋過渡段，通過綜合樁承式加筋路堤與路堤填土加筋技術的方法以減小差異沉降和橋頭跳車狀況，通過對現(xiàn)場試驗施工并監(jiān)測分析證明了該方法的實用性和有效性；文獻[2]主要對樁承式路堤進行技術性分析，并以濕陷性黃土為模擬背景，通過大型有限元ADINA對樁承式路堤在濕陷性黃土地區(qū)應用的沉降因素分析，為濕陷性黃土的處治提供理論分析，但缺乏實體工程驗證；文獻[3]、[4]以高速公路及高速鐵路為工程背景，通過足尺物理模型試驗研究應力分析，證明了樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基及樁承式加筋路堤在工程應用中的有效性；文獻[5-8]論述了樁承式加筋路堤的作用機理與應用研究成果,提出了對存在問題做進一步研究的建議,同時在現(xiàn)場進行了一系列相關試驗；文獻[7]在中低壓縮性土地區(qū)高速鐵路橋臺和涵洞之間的填方路基應用樁承式路堤，使得低壓縮性土地基沉降得到控制。樁承式加筋路堤在軟弱地基中得到了廣泛應用，但鮮有在尾礦區(qū)的工程處治案例，因此，該文擬采用樁承式加筋路堤方法，對經(jīng)過尾礦區(qū)的路基進行有效處治，以提高尾礦區(qū)路堤的穩(wěn)定性、降低沉降。

1 樁承式加筋路基設計方法

1.1 常用樁型及選用原則

(1)尾礦區(qū)高速公路地基處理可采用預應力混凝土薄壁管樁(PTC)、預應力高強混凝土管樁(PHC)、預制混凝土方樁等剛性樁。預應力混凝土薄壁管樁宜工廠預制、現(xiàn)場焊接接長，外徑為300～500 mm，壁厚為60～100 mm。

(2)根據(jù)現(xiàn)場擬處治的樁端持力層土質(zhì)詳細狀況、施工機械、現(xiàn)場施工狀況、路堤的詳細參數(shù)等，選擇技術相對成熟、經(jīng)濟適用性強、安全可靠性強的樁型和成樁工藝；宜采用強度較高，易于保證施工質(zhì)量的不擠土或少擠土樁型。

(3)根據(jù)現(xiàn)場待處治的地基土質(zhì)詳細狀況、成樁制造設備、樁身尺寸等多種因素計算并確定樁的直徑(或方樁尺寸)。同時，若處治現(xiàn)場所使用的是小直徑樁和低標號混凝土樁時，應驗算所使用的樁身強度。

1.2 樁設計

1.2.1 樁身設計

樁身設計主要關注兩大因素：① 樁身強度；② 樁身截面積。因此需要通過對二者的驗算，以確定其能否滿足荷載要求。樁身承載力由樁身強度和樁身截面積決定，計算式如下:

Rbp≥FubQmax

(1)

Rbp=Apfc

(2)

若己知樁身軸向抗壓強度標準值fc，可由式(1)、(2)求得樁身直徑最小值:

(3)

上述各式中：Rbp為樁身承載力(kN)；Ap為樁身截面面積(m2)；Fub為承載力設計安全系數(shù)，取1.2～1.5；Qmax為樁身所受最大軸力(kN)，近似取Fp的值；fc為樁身軸向抗壓強度標準值(MPa),按下式計算：

fc=φcφbqc

(4)

式中：φc為施工工藝系數(shù)，混凝土預制樁取φc=1.0；qc為混凝土軸向抗壓強度設計值(MPa)；φb為壓曲穩(wěn)定系數(shù)，一般情況取φb=1.0；參照JGJ 94-2008《建筑樁基技術規(guī)范》有關技術規(guī)范要求，當同時滿足下列情況時，應當充分考慮壓曲穩(wěn)定系數(shù)，即處治現(xiàn)場環(huán)境的軟土層不排水抗剪強度<10 kPa，且長細比>100，同時處治的方案使用直徑僅為20 cm以下的塑料套管樁等。

1.2.2 樁長

任何情況下，樁長應穿透軟土層。若處治對象為巨厚軟土層(大于30 m)，且樁長未穿透軟土層時，應保證樁長達到最危險滑弧面以下3 m的深度，同時應驗算軟弱下臥層的承載力。樁端進入持力層的深度按照不同的土質(zhì)而定：① 為黏性土、粉土時，深度應不小于2倍樁徑；② 為砂性土時，深度不應小于1.5倍樁徑；③ 為碎石類土時，深度不應小于1倍樁徑。若持力層以下有軟弱土層，該持力層的最小厚度不應小于10倍樁徑。樁長的具體取值還應滿足路堤沉降、單樁承載力及穩(wěn)定性要求。

1.2.3 單樁承載力驗算

根據(jù)JTG/TD 31-02-2013《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》及JGJ 94-2008《建筑樁基技術規(guī)范》的有關規(guī)定，PHC樁的單樁承載力估算公式如下：

(5)

式中：up為樁的周長(m)；qsi為中性點以下樁周第i層土的側(cè)阻力特征值(kPa)；qp為樁端端阻力特征值(kPa)；Ap為樁截面面積(m2)；li為中性點以下第i層土的厚度(m)；α為樁端阻力修正系數(shù)，取0.83；γ為分項系數(shù)，取1.65。

單樁承載力按下式進行驗算：

γ0Fp≤Ra

(6)

式中：γ0為工程重要系數(shù)，取1.1。

1.3 水平加筋墊層

1.3.1 墊層填料

在工程處治方案中，墊層材料的備選較多，為獲取最佳設計參數(shù)應根據(jù)試驗進行確定，而墊層材料的種類一般可分為以下幾種：① 級配良好的散粒狀材料，主要由砂礫、碎石、粗砂、中粗砂、含泥量較小(含泥量應不大于5%)的土石混合料(宕渣)組成；② 具有一定整體剛度的摻灰土等；③ 由不同材料混合而成的分層組合。

1.3.2 墊層厚度

加筋墊層的厚度以30～80 cm為佳，土工格柵間距一般為20～25 cm，加筋墊層的初擬厚度t可按下式計算：

t=(0.2～0.25)s

(7)

式中：s為樁間距離。

當軟土指標不是很理想時，可適當加厚。厚度取值應充分考慮樁帽的布置間距和軟土層的強度等相關因素，并通過計算驗證進一步調(diào)整。

1.3.3 加筋體應變

新聞媒體從業(yè)人員利用自己所掌握的地方官員或者企業(yè)負責人的不法行為證據(jù)材料，向地方官員和企業(yè)負責人收取費用，這種行為構(gòu)成違法，但是，不一定構(gòu)成敲詐勒索犯罪。敲詐勒索犯罪的客觀表現(xiàn)是對行為人實行精神上的強制，使其在心理上產(chǎn)生恐懼不敢抗拒。新聞媒體從業(yè)人員掌握地方官員或者企業(yè)負責人的違法犯罪證據(jù)材料，迫使地方官員或者企業(yè)負責人支付費用，以便幫助地方官員或者企業(yè)負責人消除影響，其行為構(gòu)成敲詐勒索；而地方官員或者企業(yè)負責人試圖花錢消災，向新聞媒體從業(yè)人員支付有關費用，其行為構(gòu)成違法，司法機關應當追究地方官員或者企業(yè)負責人的瀆職失職或者其他犯罪行為，只有這樣，才能從根本上消除影響力犯罪。

加筋體的應變按下式進行驗算：

εimax≤5%

(8)

式中：εimax為格柵最大拉應變。

2 尾礦區(qū)工程應用

2.1 工程項目概況

以廣西在建公路桂(平)-來(賓)高速公路穿過的尾礦區(qū)為工程案例。經(jīng)過前期勘察，尾礦區(qū)土層從上至下為：素填土、雜填土、黏土。尾礦區(qū)路基處治的目標為穩(wěn)定性和沉降控制。

2.2 工程處治概況

鑒于處治要求，采用PHC剛性樁并配以樁帽，樁上采用多層土工格柵加筋。PHC剛性樁嵌入持力層2.5 m，樁徑0.4 m，樁間距由1.5 m優(yōu)化為1.8 m，樁身采用C80預應力高強混凝土，樁帽采用1 m×1 m×0.35 m的C30混凝土現(xiàn)澆正方形臺體。

該工程采用靜壓樁施工技術進行剛性樁加筋路基施工，主要施工流程如下：① 施工前，尋找并填埋整平出一個比較穩(wěn)定的施工平臺；② 進行PHC管樁打樁施工；③ 按設計要求進行樁帽支模，混凝土澆筑；沉樁完成后，開挖至相應高程，割樁，然后澆筑混凝土樁帽，樁帽通過樁塞使混凝土與管樁連接；④ 對樁帽進行養(yǎng)護，達到強度后拆模，繼續(xù)養(yǎng)護至規(guī)范要求；⑤ 樁帽間用15 cm的碎石進行第1層鋪設，并整平；⑥ 進行第1～5層格柵的碎石填鋪和土填鋪平；⑦ 進行正常土填鋪及路面修筑施工。

值得關注的是，在PHC樁加筋路堤的施工過程中，難點和重點是PHC樁的施工，PHC 樁施工階段工程質(zhì)量控制的任務包括：施工準備階段的質(zhì)量控制；材料和施工機具的質(zhì)量控制，施工實施過程的質(zhì)量控制，施工后樁基質(zhì)量檢測。

施工完成后，鑒于施工效果驗證，需要對施工試驗區(qū)域進行檢測，監(jiān)測共選取2個斷面位置(表1)。具體觀測內(nèi)容為地基沉降。地基沉降主要反映填土速率對路堤的安全與穩(wěn)定的影響，指導和優(yōu)化現(xiàn)場施工；預測沉降變形趨勢；反映樁土差異沉降量；評價地基處理效果，體現(xiàn)剛性樁處理結(jié)果。

表1 斷面位置

2.3 監(jiān)測結(jié)果

通過側(cè)向位移和沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷路段在投入使用后的安全與穩(wěn)定狀況，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。在礦區(qū)布置4個測量點：2個樁頂沉降觀測點(A-D1、A-D3)、2個樁間土沉降觀測點(A-D2、A-D4)。沉降隨填土變化的時程曲線如圖1所示，沉降差隨填土變化的時程曲線如圖2所示(沉降差1為D2與D1的沉降之差，沉降差2為D4與D3的沉降之差，該礦區(qū)于2015年4月開始鋪設路面)。

圖2 沉降差時程曲線

由圖1、2可知：

圖1 沉降變化時程曲線

(1)從總體上看，樁頂沉降和樁間土沉降均隨填土高度的升高而增大，隨時間增長而增長，最后趨于穩(wěn)定。

(2)礦區(qū)路堤填筑階段發(fā)生的差異沉降為53.5 mm，占總差異沉降量(80.5 mm)的66%；這和L.Brian?on以及Chen研究得出的結(jié)論有所不同。二者的研究都顯示樁承式加筋路基的差異沉降一般在路堤填筑階段完成。這可能是因為該工程中尾礦土高度飽和及極度欠固結(jié)的特點導致沉降過程時間變長，使得路堤填筑完成后仍有差異沉降發(fā)生。

(3)礦區(qū)的樁間土、樁頂最大沉降量分別為88、8 mm，最大差異沉降為80 mm。一般來說，可以忽略路堤自身的壓縮沉降，則路堤總沉降可以樁頂沉降計，顯然可以看出采用樁承式加筋的地基處理方法能夠有效減小路基的沉降，礦區(qū)觀測到的最大沉降均滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

首先通過理論計算，確定樁身、樁長等參數(shù)，并加以驗算。接著，通過工程實例應用，按施工流程加以工藝和質(zhì)量控制完成示范工程，最后通過監(jiān)測點觀察發(fā)現(xiàn)：樁承式加筋路堤在尾礦區(qū)中應用可避免路面發(fā)生大沉降，證明了此方法在尾礦區(qū)路基處治工程應用中具有較高的實用價值。