高速公路軟土地基粉噴樁復(fù)合地基處治效果分析

苗 洺 源

(山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006)

粉噴樁復(fù)合地基是通過(guò)在地基內(nèi)部施作粉噴樁，提高天然地基的承載力，加固區(qū)域由原地基土(或改良后的地基土)和粉噴樁組成的人工地基。結(jié)合準(zhǔn)確的地質(zhì)調(diào)查，制定科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行粉噴樁加固后可提高地基承載力，有效控制沉降。美國(guó)是世界上最早進(jìn)行水泥粉噴樁技術(shù)研究的國(guó)家，20世紀(jì)60年代，日本為了解決礦石堆料場(chǎng)軟土地基沉降變形的問(wèn)題，引入了粉噴樁技術(shù)。粉噴樁技術(shù)在日本軟基處理中得到了廣泛的應(yīng)用，其技術(shù)水平也領(lǐng)先于世界絕大多數(shù)國(guó)家。粉噴樁技術(shù)所使用的固化材料和作用機(jī)理差異不大，為了滿(mǎn)足施工需要，各國(guó)相繼開(kāi)展施工攪拌機(jī)械的研究，并取得了大量成果。

我國(guó)對(duì)粉噴樁技術(shù)的研究起步較晚，20世紀(jì)70年代我國(guó)才開(kāi)始進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，并在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究中開(kāi)始研發(fā)攪拌機(jī)械。20世紀(jì)80年代，我國(guó)第一臺(tái)粉噴樁攪拌機(jī)下線，并被應(yīng)用在上海一軟基加固工程中，取得了較好的效果。雖然我國(guó)粉噴樁技術(shù)起步較晚，但經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)粉噴樁攪拌機(jī)械取得了很多研究成果，最多已達(dá)一機(jī)六頭，可適用于各類(lèi)軟土地基的施工。粉噴樁以其技術(shù)優(yōu)勢(shì)在軟土地基加固中得到了廣泛的應(yīng)用，但也會(huì)受到施工人員技術(shù)水平、施工地質(zhì)等因素的影響，必須在施工中做好質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)地基承載力進(jìn)行檢測(cè)，分析確定加固效果。

1 粉噴樁復(fù)合地基加固機(jī)理

粉噴樁是使用專(zhuān)用的機(jī)械設(shè)備將固化劑與地基土體充分拌和，通過(guò)一系列的物理化學(xué)作用形成穩(wěn)定的樁體，形成力學(xué)強(qiáng)度明顯高于周?chē)馏w的樁體。粉噴樁常用的固化劑有水泥粉和石灰粉，是在鉆孔過(guò)程中噴入土體內(nèi)部，通過(guò)鉆桿葉片與地基土體攪拌。但由于樁體內(nèi)部固化劑分布并不均勻，這就導(dǎo)致樁體內(nèi)部的強(qiáng)度是不均勻的。樁身截面中心處強(qiáng)度最小，向外強(qiáng)度不斷增大。粉噴樁樁體在荷載作用下，樁體應(yīng)力自上而下逐步下降，最大軸力范圍分布在樁頂以下1 m～2 m范圍內(nèi)。粉噴樁復(fù)合地基主要依靠粉噴樁承受荷載，樁周土體所承受的荷載較小。粉噴樁復(fù)合地基是通過(guò)樁身與樁周土體共同承受地基上部荷載，其加固原理可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)：

1)樁體效應(yīng)。粉噴樁樁體強(qiáng)度和彈性模量遠(yuǎn)高于周?chē)馏w，在地基承受荷載時(shí)，樁頂會(huì)承受更大的荷載。作用在地基上部的大部分荷載由樁體承受，并進(jìn)一步傳遞到深層土體中。在粉噴樁的加固作用下，地基的沉降明顯減小，承載能力提高，產(chǎn)生樁體效應(yīng)。

2)吸收水分。水泥粉噴樁在施工過(guò)程中，水泥粉會(huì)吸收水分，水泥水化反應(yīng)過(guò)程中也會(huì)消耗一定數(shù)量的水，加速樁周土體排水固結(jié)，進(jìn)而達(dá)到提高樁周土體強(qiáng)度的作用。

3)限制土體側(cè)向位移。未經(jīng)處治的軟土地基，由于土體沒(méi)有限制，在外部荷載作用下容易產(chǎn)生側(cè)向位移。粉噴樁施作后，形成群樁復(fù)合地基，在樁體的限制作用下，樁周土體的側(cè)向位移受到約束，側(cè)向位移減小，也減少了地基沉降變形。

4)墊層作用。墊層在粉噴樁復(fù)合地基中起到了關(guān)鍵的作用，不僅可以協(xié)調(diào)變形，還可以減少基礎(chǔ)底部的應(yīng)力集中。當(dāng)荷載作用在基礎(chǔ)上部時(shí)，墊層可以協(xié)調(diào)地基變形，使樁體向上和向下刺入，而當(dāng)沉降達(dá)到一定值時(shí)，樁體與土體才會(huì)共同承受荷載。由于樁體的壓縮模量遠(yuǎn)高于復(fù)合地基的壓縮模量，在地基承受荷載作用時(shí)，墊層可以調(diào)整地基上部的應(yīng)力。如果墊層厚度較小，樁頂應(yīng)力遠(yuǎn)高于樁周土體的應(yīng)力，容易在樁頂產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。如果墊層厚度適中，可有效分散基礎(chǔ)底部的應(yīng)力，防止產(chǎn)生應(yīng)力集中。

2 軟土地基水泥粉噴樁處治設(shè)計(jì)方案

2.1 依托工程項(xiàng)目概況

山西省某高速公路路基分布有軟土地基，土質(zhì)主要為軟塑亞黏土。該區(qū)域地下水位較高，軟土地基天然承載力低，在外部動(dòng)荷載作用下容易產(chǎn)生砂土液化，必須進(jìn)行加固處理后方可進(jìn)行路基填筑施工。軟土層深度為5 m～13 m，分布不均勻。該施工區(qū)域設(shè)計(jì)采用高填方路堤，最大填方高度為11 m，為了提高地基承載力，設(shè)計(jì)采用粉噴樁對(duì)地基進(jìn)行加固處理。

2.2 水泥粉噴樁設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目水泥粉噴樁設(shè)計(jì)樁徑0.5 m，采用正梅花形布置，樁間距1.5 m，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)根據(jù)軟土地層厚度確定。水泥粉噴樁從道路中線向兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，最外側(cè)樁位距離路基邊坡不大于2 m。墊層采用碎石墊層，厚度為50 cm，碎石規(guī)格有30 mm～50 mm和50 mm～70 mm兩種，按7∶3比例進(jìn)行配置，且墊層寬度應(yīng)超出路基坡腳1 m。水泥粉噴樁采用32.5級(jí)水泥，設(shè)計(jì)摻量為15%，水泥土試件90 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.0 MPa。水泥粉噴樁設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

3 粉噴樁復(fù)合地基加固效果分析

3.1 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)

為了檢測(cè)水泥粉噴樁對(duì)軟土地基的加固效果，選取有代表性的樁體開(kāi)展單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，選取測(cè)點(diǎn)開(kāi)展單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)。選定施工路段300 m長(zhǎng)度為試驗(yàn)段，分別選取18根樁進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，單樁最大試驗(yàn)荷載260 kN。選取部分單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。文章選取285號(hào)、386號(hào)和482號(hào)三根樁為研究對(duì)象，繪制單樁荷載P—沉降S曲線如圖2所示。

表1 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

結(jié)合表1數(shù)據(jù)和圖2曲線變化情況可知，各測(cè)樁單樁豎向抗壓極限承載力均為130 kN，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。各測(cè)樁單樁荷載P—沉降S曲線變化平緩，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)。

3.2 單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)

選取18處有代表性的地基開(kāi)展單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，每處最大試驗(yàn)荷載240 kPa，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表2所示。文章選取294號(hào)、363號(hào)和452號(hào)三處單樁復(fù)合地基，統(tǒng)計(jì)檢測(cè)結(jié)果繪制荷載P—沉降S曲線如圖3所示。

表2 粉噴樁復(fù)合地基抗壓承載力檢測(cè)結(jié)果

結(jié)合表2數(shù)據(jù)和圖3曲線變化情況可知，所選各測(cè)點(diǎn)粉噴樁單樁復(fù)合地基承載力特征值均為120 kPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。粉噴樁復(fù)合地基荷載P—沉降S曲線變化較平緩，也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)。

4 結(jié)論

結(jié)合工程案例，對(duì)軟土地基水泥粉噴樁加固原理、方案設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，并選取有代表性的單樁和單樁復(fù)合地基進(jìn)行地基承載力試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：1)對(duì)水泥粉噴樁軟土地基加固機(jī)理進(jìn)行闡述，并結(jié)合工程實(shí)例給出了完整的加固設(shè)計(jì)方案；2)分析加固后軟基地基承載力檢測(cè)結(jié)果，單樁地基承載力均達(dá)到了130 kN，單樁復(fù)合地基復(fù)合地基承載力特征值均為120 kPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明達(dá)到了預(yù)期目的。