灰土擠密樁在公路軟土路基中的加固效果研究

孫冬爽

（中交遠洲交通科技集團有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

灰土擠密樁作為一種常見的加固路基的方式，廣泛應用在工程建設當中[1-2]。近年來，國內(nèi)學者對此進行了一些研究，如于貴等[3]和章海明[4]分析了灰土樁加固鐵路路基的理論不足，通過數(shù)值分析和室內(nèi)試驗分析了樁徑、樁距、樁長以及樁軸傾角對灰土樁加固效果的影響，研究結(jié)果可為加固鐵路路基提供參考；劉衛(wèi)杰[5]和崔春義等[6]以灰土擠密樁加固濕陷性土為研究對象，通過分析其成孔工藝、樁位、樁型材料等，提出了施工質(zhì)量控制建議。本文以灰土擠密樁加固某軟土路基工程為例，首先簡要介紹了灰土擠密樁的基本施工原理，然后總結(jié)了灰土擠密樁軟基施工工藝，最后基于PLAXIS有限元軟件，對比分析了天然地基、灰土樁地基的加固效果，以期為同類軟土路基工程的加固施工提供參考。

1 工程概況

某軟土地區(qū)公路路基，原始地表從上至下依次為素填土、粉質(zhì)黏土①～粉質(zhì)黏土⑥，厚度依次為6m、5m、10m、11m、6m和2.5m。原始地表以上從上至下依次為瀝青、水穩(wěn)、回填土和墊層。該處公路路基擬采用灰土擠密樁地基進行處理。路基上表面寬度設計值為14.0m，高度為2.5m，坡率按照1∶1.5設計，施工時采用分層鋪填碾壓的方法?；彝翗堕L為7m，樁徑為40cm，樁間距為1.6m，灰土樁加固如圖1所示。

圖1 某公路軟土路基結(jié)構(gòu)示意圖

2 灰土擠密樁的施工原理

灰土擠密樁法是復雜地質(zhì)條件下進行路基加固的一種常用方法。其原理是在軟土路基簡單處理整平后，使用打樁機在標記好的樁位點上進行打孔。在樁孔形成過程中，原來的土體受到鋼管或鉆桿的擠壓作用，產(chǎn)生橫向位移，從而使得相鄰兩個樁孔之間土體的密實度加強。成孔之后，繼續(xù)向樁孔內(nèi)填入石灰或素土，如果軟土較厚、樁孔較深，按照分層填入、層層夯實的方法，使之形成致密的高強度樁體。在夯實過程中，孔壁土體通過被夯材料徑向擴張而被進一步擠密，同時將地基與樁體連接成為一個整體，使得復合地基的載荷能力大幅度增強，解決路基沉降問題。實踐證明，灰土擠密樁法在濕陷性黃土地區(qū)、周期性凍融的凍土地區(qū)均有較為理想的路基加固效果，采用此法加固地基，修建的公路不僅路基沉降、路面裂縫的發(fā)生概率小，而且能提高路面平整度和行車舒適度。

3 灰土擠密樁的施工工藝

在本次公路工程中，施工單位經(jīng)過前期地質(zhì)勘測與分析后確定選擇灰土擠密樁法。為達到預期的擠密、加固效果，除了要熟悉整個施工流程外，還應加強技術(shù)管理，明確每個環(huán)節(jié)中需要重點把控的技術(shù)要點。

3.1 樁型的選擇

根據(jù)成孔方式不同，又可將灰土擠密樁分為直接擠密成孔與鉆孔夯擴擠密兩種形式。前者是借助于沉管、沖擊等方式，直接擠壓軟土地基形成樁孔。這種情況下需要相鄰兩個樁孔的距離較近，或者孔徑較大，以便于兩個樁孔中間的土體能夠在橫向擠密的過程中提高密實度。之后再向樁孔內(nèi)加入填料并夯實，最后形成穩(wěn)定的樁體。該方法適用于一些軟土分布不深的地區(qū)，優(yōu)勢在于操作簡便；后者使用長螺旋桿鉆機進行鉆孔，要求樁底進入持力層，拔出鉆頭清理孔內(nèi)泥渣、碎石后即可得到樁孔。此方法適用于那些軟土層厚度較深的地區(qū)，優(yōu)勢在于施工時噪音和振動小，不易出現(xiàn)縮孔、回淤等問題。

3.2 施工材料準備

灰土擠密樁施工中應用的材料以石灰和素土為主。兩者按照一定比例拌勻之后進行夯實，可以發(fā)生緩慢的膠泥反應，當混合料干燥后具備極高的強度，從而提高了樁體的荷載能力和水穩(wěn)性能。禁止使用耕植土，要求素土的塑性指數(shù)＞4，有機質(zhì)含量≤5%。生石灰要在使用前5d進行消解，對消解后的熟石灰還要進行篩選，清除其中混入的雜質(zhì)或者沒有消解的生石灰塊，要求最大粒徑＜5mm。

3.3 樁位放樣及成孔施工

在作業(yè)區(qū)域使用挖掘機進行簡單的清理，將地面碎石、雜物等全部清理干凈，并保證場地平整。按照施工圖在場地上劃線，標記出樁位點及序號。使用全站儀復核各樁體位置，誤差≤5cm。然后開始進行成孔施工。本次工程中表層軟土深度不大，因此選擇直接擠密成孔的方法?，F(xiàn)場成孔作業(yè)時，首先隨機選出3個標記好的樁位點，進行成孔擠密試驗。成孔后檢查成孔效果，無孔壁開裂、孔徑偏斜問題后，靜置24h后觀察有無孔內(nèi)滲水或縮孔、坍孔問題。經(jīng)確認成孔效果良好后，使用此法按照標記好的樁位序號，依次完成成孔施工。所有樁孔施工完畢后，還應安排專門的質(zhì)檢員仔細復核每一個樁孔的成孔情況，特別要關(guān)注成樁誤差的控制，例如垂直度誤差≤1.5%，樁徑誤差≤±2mm，樁長誤差≤±5mm。

3.4 填料拌和與運輸

按照設計好的配合比，將各項填料準備好。然后加入攪拌器中充分拌勻，保證色澤一致后，再向混合料中加入適量的清水，繼續(xù)攪拌使其達到最佳含水率。最后將制作完成的填料運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場。運輸過程中要注意兩點：其一是混合料應使用塑料薄膜覆蓋并加蓋較厚的毛氈，起到保溫效果，防止水分流失；其二是盡量縮短運輸時間，爭取做到現(xiàn)配現(xiàn)用，有助于提高成樁效果。

3.5 樁孔填夯

經(jīng)過前期的成孔檢驗與孔內(nèi)清理后，填料運輸至現(xiàn)場可直接倒入樁孔內(nèi)。本次施工中選擇了分層填料、逐層夯實的方法。每次填料高度為500mm，經(jīng)過夯實后可壓縮至300～400mm。填料放置完畢后，選擇夯實機進行夯擊，每組夯擊次數(shù)為10次。夯擊過程中應注意控制機械穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)歪斜、位移的情況。首層夯實之后，再繼續(xù)填入材料，重復上述步驟，直到樁孔內(nèi)填料達到設計標高?，F(xiàn)場施工人員應如實、準確地記錄夯擊次數(shù)、填料數(shù)量等相關(guān)參數(shù)，方便后期核驗。

3.6 養(yǎng)護作業(yè)

所有樁孔按照上述方法完成填料、夯實后，進入養(yǎng)護環(huán)節(jié)。在灰土擠密樁施工中，施工單位應高度重視養(yǎng)護工作的重要性，并且要采取科學的養(yǎng)護方法。本次工程中養(yǎng)生周期為7d，在形成的灰土樁復合地基表面鋪上一層塑料薄膜，可以保證其濕潤度。實行交通管制，養(yǎng)護結(jié)束后即可得到高強度的路基，可繼續(xù)進行路面施工。

4 灰土擠密樁軟土路基加固效果分析

為了評價灰土擠密樁在軟土路基中的加固效果，分別對天然地基、灰土樁地基完工后至運營6個月內(nèi)的路面沉降展開數(shù)值模擬對比分析。

4.1 數(shù)值建模

采用有限元軟件PLAXIS建立的數(shù)值模型如圖2所示。路基的頂部寬度取值為14.0m，高度為2.5m，坡率為1∶1.5。路堤坡底寬度為10.75m，模型整體寬度為40m，模型長度（垂直路基截面方向）取10m，土基高度為4m，灰土擠密樁長為7m，樁徑為40cm，樁間距為1.6m，建模均采用實體單位模擬。模型除上邊界外，其他邊界均進行位移約束，模型均采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。

圖2 數(shù)值模型圖

4.2 模擬結(jié)果及分析

天然地基、灰土擠密樁地基在營運期間的路面沉降如圖3所示。

由圖3（a）可知，隨著時間的推移，路面沉降逐漸增加，增速逐漸減緩，在第六個月時基本趨于穩(wěn)定。對于中心點來說，第六個月沉降量比初始增大了2.2%。與中心點沉降相比，隨著距中心點距離逐漸增大，最終沉降量逐漸減小。

由圖3（b）可知，隨著時間的推移，路面沉降逐漸增加，增速逐漸減緩，在第六個月時基本趨于穩(wěn)定。對于中心點來說，第六個月沉降量比初始增加了0.86%。且與中心點沉降相比，隨著距中心點距離逐漸增大，最終沉降量逐漸減小。相比于天然地基，采用復合地基時路面中心點在6個月后沉降要小38.2%，且營運6個月前后沉降量增幅緩慢，說明采用灰土樁加固軟土路基效果良好。

圖3 天然地基與灰土擠密樁地基沉降

5 結(jié)論

本文以某軟土路基工程采用灰土擠密樁加固為背景，首先總結(jié)介紹了灰土擠密樁的基本施工原理與施工工藝，然后借助PLAXIS有限元軟件建立軟基加固三維模型，針對天然地基、灰土樁地基的加固效果進行對比分析，得出以下結(jié)論：

（1）隨著時間的推移，天然地基、灰土樁地基加固后的路面沉降逐漸增大，且增速均逐漸減緩。

（2）采用復合地基較天然地基的路面中心點在6個月后沉降要小38.2%，且營運6個月前后沉降量增幅緩慢，故采用灰土樁加固軟土路基效果良好。