灰土擠密樁加固濕陷性黃土路基效果評(píng)價(jià)

■劉崢敏

（新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，烏魯木齊 830000）

濕陷性黃土屬欠壓密路基土， 具有孔隙大、非飽和的典型特征，在含水率穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)能夠保持一定的承載能力，可滿足承載要求，但當(dāng)處于浸水狀態(tài)時(shí)，則會(huì)顯著降低承載力，給路基穩(wěn)定性帶來(lái)隱患。 此外，濕陷性黃土浸水引起的路基穩(wěn)定性不足帶來(lái)的路基變形常表現(xiàn)為突然性與局部性破壞，將嚴(yán)重危害公路安全。 因此，對(duì)濕陷性黃土路基進(jìn)行有效加固具有重要意義。

加固軟弱濕陷性黃土路基，常采用的方案包括3 類： 傳遞土體荷載、 加固土體強(qiáng)度及增加土體密度，而灰土擠密樁加固法的基本原則是基于增加土體密度的方案。 國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)灰土擠密樁加固法的研究已有一定基礎(chǔ)，馬蘭等[1]在公路涵洞地基加固工程中采用灰土擠密樁法，選取并對(duì)比了不同樁徑倍數(shù)的樁間距條件下的地基加固效果，對(duì)加固后涵洞地基的沉降效果進(jìn)行了對(duì)比；李彤等[2]研究了大型廠房濕陷性地基加固工程，采用了灰土擠密樁法進(jìn)行加固，將理論公式和土質(zhì)條件因地制宜地結(jié)合，并考慮到當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)，闡述了設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵點(diǎn)；王少東等[3]為消除濕陷性路基土給公路建設(shè)質(zhì)量和造價(jià)帶來(lái)的不利影響，將灰土擠密樁和CFG 樁結(jié)合使用， 發(fā)現(xiàn)這種施工方案能有效增強(qiáng)路基承載力；潘偉偉等[4]在污水站濕陷性土質(zhì)地基處理加固工程中采用了灰土擠密樁方案，針對(duì)施工過(guò)程中出現(xiàn)的縮孔問(wèn)題展開(kāi)了討論，提出了重錘擠擴(kuò)夯填等解決方案；陳燕等[5]在高層建筑濕陷性地基處理中同樣采取了灰土擠密樁加固方法，并與水泥土擠密樁加固法相對(duì)比，論證了各自的優(yōu)勢(shì)和加固效果。

綜上所述，針對(duì)濕陷性黃土加固方法、灰土擠密樁施工應(yīng)用及濕陷性基礎(chǔ)加固效果方面已有較多研究基礎(chǔ)，包括公路涵洞地基、大型廠房濕陷性地基及高層建筑濕陷性地基等。 但在高等級(jí)公路路基加固方面的應(yīng)用方面， 涉及到具體土灰比擬定、施工技術(shù)主要參數(shù)及后續(xù)加固指標(biāo)確認(rèn)的全生命周期分析上仍有待拓展。 本研究基于實(shí)體工程，介紹灰土擠密樁加固方案施工技術(shù)的主要參數(shù)，探究灰土擠密樁加固方案效果，在分析加固機(jī)理的基礎(chǔ)上，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)濕陷性黃土基本物理力學(xué)指標(biāo)，并對(duì)加固后路基指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，以驗(yàn)證其加固效果。

1 加固機(jī)理

通過(guò)夯擊方案將振動(dòng)沉管夯擊至濕陷性黃土路基內(nèi)， 沉管周邊的濕陷性黃土?xí)徽駝?dòng)擠壓壓實(shí)，達(dá)成初次擠密的效果。 隨后將灰土回填至樁孔內(nèi)，再次對(duì)其進(jìn)行夯擊直至成為樁體，此過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)二次擠密，均可提升濕陷性黃土的承載能力。

此外， 擠密樁體的原材料組成包括土體和石灰，在二者的拌合過(guò)程中伴隨著凝結(jié)硬化、離子交換及結(jié)晶碳化等復(fù)雜的化學(xué)和物理變化， 最終可形成高模量的灰土樁體，有著較大強(qiáng)度。濕陷性黃土在周邊高強(qiáng)度灰土樁體的擠密作用下， 干密度不斷提升，欠壓密改善，飽和度提升，孔隙比下降。由灰土擠密樁和經(jīng)擠密樁擠密加固的黃土共同形成人工復(fù)合路基體系， 可有效實(shí)現(xiàn)濕陷性黃土的加固目標(biāo)。

2 工程概況

本研究在研究過(guò)程中結(jié)合了某新建公路建設(shè)工程，其最大填土高度為18 m。 該工程地處黃土高原干濕過(guò)渡區(qū)劃，在構(gòu)造作用、天然侵蝕和地質(zhì)變動(dòng)作用下，分布有豐富的黃土層，屬于典型的濕陷性特征，濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)，濕陷深度為1.4～8.3 m。為了保證該公路路基穩(wěn)定性，在加固前對(duì)其物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，選取了136 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)土樣進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)其指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1）。

表1 濕陷性土樣物理力學(xué)指標(biāo)

該濕陷性黃土路基加固工程所選用的灰土擠密樁法確定的樁徑為40 cm， 各灰土擠密樁間距離為100 cm，樁身長(zhǎng)度為8.0 m，樁點(diǎn)布設(shè)形式見(jiàn)圖1。

圖1 樁點(diǎn)布設(shè)形式圖

3 灰土擊實(shí)試驗(yàn)

3.1 原材料

灰土室內(nèi)試驗(yàn)所選用灰土與工程現(xiàn)場(chǎng)灰土保持一致，包含濕陷性黃土與優(yōu)質(zhì)消石灰。其中消石灰的氧化鎂和氧化鈣成分高于60%， 夾石量小于4%，粒徑不大于5 mm，未消解殘?jiān)繎?yīng)不超過(guò)9%。

3.2 土灰比確定

參照業(yè)內(nèi)相關(guān)工程施工經(jīng)驗(yàn)，擬定了3 個(gè)初定土灰比，分別為9∶1、8∶2 及7∶3，分別進(jìn)行室內(nèi)檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)。 針對(duì)每一個(gè)土灰比再分別擬定6 組不同的等步長(zhǎng)含水率，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，其中試驗(yàn)前灰土應(yīng)與工程施工保持一致， 提前1 d 加水進(jìn)行粉化。得出的各土灰比對(duì)應(yīng)含水率和最大干密度情況見(jiàn)表2。

表2 灰土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

分別可以得出土灰比為9∶1 的試驗(yàn)組最佳含水率為15.0%，其對(duì)應(yīng)的最大干密度為1.627 g/cm3；土灰比為8∶2 的試驗(yàn)組最佳含水率為21.1%， 其對(duì)應(yīng)的最大干密度為1.608 g/cm3； 土灰比為7∶3 的試驗(yàn)組最佳含水率為20.6%， 其對(duì)應(yīng)的最大干密度為1.599 g/cm3；

3.3 強(qiáng)度驗(yàn)證

選定上述3 組土灰比及其分別對(duì)應(yīng)的最佳含水率水平，分別制備了4 組試件，檢驗(yàn)其7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2 可知，土灰比為9∶1、8∶2 及7∶3 的各組試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均能滿足規(guī)范要求的大于300 kPa；而當(dāng)土灰比為8∶2 時(shí)，試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值最高，為531 kPa，最大值達(dá)到549 kPa。以最大強(qiáng)度為控制指標(biāo)展開(kāi)進(jìn)一步研究，因此最終確定灰土擠密樁的土灰比為8∶2， 對(duì)應(yīng)的最佳含水率為21.1%，最大干密度為1.608 g/cm3。

圖2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

4 施工要點(diǎn)分析

首先須控制軸線準(zhǔn)確放至施工界面，為避免偏移現(xiàn)象，應(yīng)采取木樁固定方案進(jìn)行處理，同時(shí)用石灰標(biāo)記在樁間均勻布點(diǎn)；通過(guò)軸線和布點(diǎn)標(biāo)記將樁機(jī)平穩(wěn)、垂直地移動(dòng)至預(yù)定點(diǎn)位；以隔樁跳打的方式進(jìn)行沉管成孔，須確保沉管精準(zhǔn)對(duì)正樁位點(diǎn)（水平偏差應(yīng)在樁距3%以內(nèi)，垂直度偏差應(yīng)在樁長(zhǎng)1%以內(nèi)），用紅漆標(biāo)記沉管深度線；成孔應(yīng)遵循先外層后內(nèi)層的原則，同一排、同一列樁孔須間隔實(shí)施；拌制灰土的過(guò)程中不得采用人工拌制，應(yīng)嚴(yán)格控制加水量并按照土灰比分多次加水以機(jī)械拌制到灰土顏色均勻；回填夯實(shí)應(yīng)參考試夯情況，選取300 kg左右夯錘重量的桿式機(jī)具精準(zhǔn)對(duì)正后實(shí)施，應(yīng)以夯錘自由下落不觸及孔壁為標(biāo)準(zhǔn)，填料夯實(shí)前須底夯10 次，填料速度及夯實(shí)頻率應(yīng)嚴(yán)格把控。

5 加固效果驗(yàn)證

5.1 路基承載力

考慮到該公路路基承載力設(shè)計(jì)要求為200 kPa以上，在進(jìn)行承載力檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)按照設(shè)計(jì)值的1.5倍進(jìn)行加載， 即300 kPa 的加載荷載。 采用分級(jí)加載的方案，承載板形狀為1.15 m 邊長(zhǎng)的正方形。 沿濕陷性黃土現(xiàn)場(chǎng)施工段縱向隨機(jī)抽取了6 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)所得P-S 曲線見(jiàn)圖3。

圖3 P-S 曲線圖

從圖3 可知，抽檢的6 處加固施工點(diǎn)均未出現(xiàn)極限破壞標(biāo)志，曲線末端無(wú)拐點(diǎn)。 各處試驗(yàn)點(diǎn)可滿足設(shè)計(jì)路基承載力要求， 最終沉降量分別為33.6 mm、28.4 mm、37.5 mm、36.8 mm、33.4 mm 及30.5 mm。

5.2 灰土壓實(shí)系數(shù)

該公路濕陷性黃土路基加固灰土擠密樁的設(shè)計(jì)壓實(shí)系數(shù)應(yīng)≥0.96。 在加固施工的過(guò)程中取樣檢測(cè)灰土干密度情況，其中擠密樁長(zhǎng)8 m，在樁頂及往下每隔1 m 取樣1 處， 每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)取樣8 處灰土，共取樣48 處灰土。 經(jīng)檢測(cè)，其壓實(shí)系數(shù)情況見(jiàn)表3。

表3 灰土壓實(shí)系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)檢測(cè)， 抽檢的6 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)共48 處灰土檢測(cè)樣本，其平均干密度均與上文室內(nèi)灰土試驗(yàn)的最大干密度1.608 g/cm3相近，6 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的平均壓實(shí)系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)的≥0.96 要求；48 處灰土檢測(cè)樣本中僅有2 處壓實(shí)系數(shù)為0.95，小于0.96 的要求，滿足率為95.8%，灰土擠密樁壓實(shí)加固效果良好。

5.3 樁間土擠密系數(shù)

壓實(shí)系數(shù)可用于評(píng)定灰土分層壓實(shí)效果的參數(shù)，此外，還須考慮灰土擠密樁對(duì)樁間土擠密效果進(jìn)行評(píng)定， 因此提出樁間土擠密系數(shù)的概念加以分析。

經(jīng)檢測(cè)，灰土擠密樁施工范圍內(nèi)的濕陷性黃土的最大干密度為1.76 g/cm3， 與之對(duì)應(yīng)的最佳含水率為15.8%。 在施工過(guò)程中對(duì)樁間土進(jìn)行取樣，其取樣方法與灰土取樣類似，即抽檢6 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)共48處樁間土。 擠密系數(shù)定義為樁間土的實(shí)測(cè)干密度與理論最大干密度的比值。48 處樁間土的干密度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 干密度檢測(cè)情況

擠密系數(shù)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，均≥0.93，滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 樁間土擠密系數(shù)計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

本研究基于實(shí)體工程，探討灰土擠密樁加固方案， 介紹灰土擠密樁加固方案施工技術(shù)的主要參數(shù)，在分析加固機(jī)理的基礎(chǔ)上，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)濕陷性黃土基本物理力學(xué)指標(biāo)， 并對(duì)加固后路基指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，以驗(yàn)證其加固效果，得出如下結(jié)論：（1）確定灰土擠密樁土灰比為8∶2， 對(duì)應(yīng)的最佳含水率為21.1%， 最大干密度為1.608 g/cm3；（2）6 處加固施工點(diǎn)均未出現(xiàn)極限破壞標(biāo)志， 曲線末端無(wú)拐點(diǎn)；（3）6個(gè)檢測(cè)點(diǎn)灰土平均壓實(shí)系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，48 處灰土檢測(cè)樣本滿足率為95.8%；（4）擠密系數(shù)的計(jì)算結(jié)果均≥0.93，滿足設(shè)計(jì)要求。