灰土擠密樁在處理濕陷性黃土地基中的應用

2012-07-29 08:09:32秦仕偉謝兆行

山西建筑 2012年28期

秦仕偉謝兆行

(1．長安大學公路學院，陜西西安 710064; 2．聊城市濟聊館高速公路管理處，山東聊城 252000)

0 引言

濕陷性黃土是一種黃色或黃褐色的結構疏松、大孔隙，具有一定濕陷性的土。濕陷性黃土遇水浸濕后物理、力學性質急劇變差，在自重及其他荷載作用下產生濕陷變形，濕陷變形的產生常使高速公路的路基沉陷、路面變形或開裂、公路邊坡坍塌等多種病害。高速改擴建工程一般為雙向四車道擴容至雙向八車道，采用的施工方法為雙側對稱拼接加寬、單側加寬或整體新建的方式。在我國黃土地區，地基以第四紀新黃土為主，由于第四紀新黃土具有不均勻性、高壓縮性、強濕陷性，因此須對地基部分進行處理。灰土擠密樁法是一種有效的消除黃土濕陷性的地基處理方法，一般適用于處理地下水位以上、深度5 m～15 m的濕陷性黃土或人工填土地基。

1 工程概況及設計要求

連霍線(G30)陜西境是國家高速公路網的重要組成部分。本項目采用雙側對稱拼接加寬和整體新建方式進行改擴建，其中拼接段長99．75 km。

此次，灰土擠密樁法處理濕陷性黃土地基設計指標為灰土擠密樁呈等邊三角形布設，樁長為6．00 m，樁徑為d=0．40 m，樁間距為S=1．00 m，如圖1所示，填料采用石灰劑量為12%(重量比)的灰土。灰土擠密樁施工結束后，清除0．50 m的虛樁，樁頂設置厚度為0．50 m的石灰劑量為8%的灰土墊層。設計要求樁身灰土壓實系數為λc≥93%，復合地基承載力fspk≥200 kPa。

圖1 灰土擠密樁布設示意圖

地基處理施工方法及工藝參照國家行業標準［3-5］等規范中的有關規定及要求進行施工。

灰土擠密樁施工工藝采用沉管機一次性成孔至設計深度，將樁間土擠密，然后分層填入石灰劑量為12%(重量比)的灰土，用機械夯錘分層夯實，逐層回填夯實成樁。

2 試驗方案與方法

首先，選取代表性路段進行靜載荷試驗結果進行分析，由于采用雙側拼接加寬(拼接方式如圖2所示)，靜載荷試驗點S1，S2，S3，S4布設如圖3所示。

其次，為了考察經灰土擠密樁處理后的樁間土的濕陷情況，采用人工探井的方法，進行人工取樣，取樣間隔1 m，然后通過室內試驗測試土樣的濕陷系數。

最后，對灰土擠密樁樁體的質量進行試驗，取樣同樣是采用探井方法，為了檢測樁體長度是否滿足要求，對樁長小于6 m的，則探井深度不小于6 m，同時進行樁身取樣，對樁體灰土進行無側限抗壓強度試驗。

圖2 路基拼接方式示意圖

圖3 靜載試驗點布設示意圖

2．1 靜載荷試驗方法

采用慢速維持荷載法進行復合地基靜力載荷法試驗，如圖4所示。

圖4 靜載試驗示意圖

靜載試驗分8級加載，每級加壓25 kPa，最大加載400 kPa，為設計值的2 倍。每級加載后10 min，10 min，10 min，15 min，15 min測讀，以后每隔30 min測讀一次，當1 h內的沉降量小于0．1 mm時，即認為穩定，可加下一級荷載，終止加壓標準按照中華人民共和國行業標準《建筑地基處理技術規范》附錄A的規定執行。

2．2 樁間土擠密效果及樁身強度檢測

無側限抗壓強度試驗采用應變控制式無側限壓縮儀，如圖5所示。

試樣制備:試樣按三軸試驗中原狀試樣制備進行，直徑d=39．1 mm，高度h=80 mm(圓柱形試樣)。試樣制備時應先用切土刀切取一稍大于規定尺寸的土柱，放在切土架上，用切土器切削土樣，邊削邊壓切土器，直到切削到比要求的試樣高度約高2 cm為止，取出試樣，按規定的高度將兩端削平、稱量，并取余土測定試樣的含水率。

圖5 應變控制式無側限壓縮儀

圖6 軸向應力與應變關系曲線

試樣飽和:試樣飽和采用反壓力飽和法，試樣裝好后，調節孔隙水壓力為101．325 kPa(大氣壓力)，先對試樣施加10 kPa～20 kPa的周圍壓力，待孔隙壓力變化穩定后測記讀數，然后同時施加周圍壓力和反壓力，每級增量為30 kPa，待孔隙水壓力穩定后測記孔隙水壓力和體變管讀數，然后再施加下一級周圍壓力和反壓力，每施加一級壓力都測定孔隙水壓力，當孔隙水壓力增量與周圍壓力增量Δu/Δσ3＞0．98時，認為試樣達到飽和。

試驗過程:試樣制備完畢后兩端涂抹一薄層凡士林安放于底座，轉動手輪使試樣與傳壓板剛好接觸，測力計調零。以軸向應變1%/min ～3%/min的速度轉動手輪(0．006 mm/min～0．12 mm/min)，使試驗在8 min～20 min內完成。應變在3%以前，每0．5%應變記讀百分表讀數一次，應變達到3%以后，每1%應變記讀百分表讀數一次，當測力計百分表讀數出現峰值或穩定時，再繼續剪3%～5%應變值即可停止試驗;當讀數無峰值時，試驗進行到應變達20%為止。試驗完畢計算:

軸向應變:

軸向應力:

試驗結論:繪制軸向應力與軸向應變關系曲線如圖6所示，曲線上最大軸向應力作為無側限抗壓強度;當曲線上峰值不明顯時，取軸向應變為15%所對應的軸向應力作為無側限抗壓強度。

3 試驗結果與分析

由4臺靜載荷試驗所得的荷載(P)與沉降(S)關系繪制出各試驗點相應的P—S曲線，見圖7。試驗的P—S曲線均無明顯的比例極限，加載至400 kPa均未發生極限破壞現象。S1檢測點終極荷載下總沉降5．39 mm，P—S曲線較平直。S2檢測點終極荷載下總沉降6．58 mm，P—S曲線較平直。S3檢測點終極荷載下總沉降10．7 mm，P—S曲線呈緩變型。S4檢測點終極荷載下總沉降11．08 mm，P—S曲線呈緩變型。各檢測點試驗曲線尾部均無明顯拐點出現。檢測點S1，S2為路基拼接部，路基拼接部在最大加載量的一半即P=200 kPa作用下，最大沉降量為2．72 mm，相對沉降量 S/D=0．003＜0．006，故可按相對變形值 S/D=0．006(D為載荷板直徑)時所對應的荷載取承載力，根據規范“按相對變形值確定的承載力特征值應不大于最大加載值的一半”的規定，判定該灰土擠密樁路基拼接部的承載力特征值fspk=200 kPa。檢測點S3，S4為新建路基，新建路基在最大加載量的一半即P=200 kPa作用下，最大沉降量為3．68 mm，則相對沉降量 S/D=0．004＜0．008，故可按相對變形值S/D=0．008(D為載荷板直徑)時所對應的荷載取承載力，根據規范“按相對變形值確定的承載力特征值應不大于最大加載值的一半”的規定，判定該灰土擠密樁新修路基的承載力特征值fspk=200 kPa。

3．1 樁間土擠密效果檢測結果

選取T-C04標段K52+830～K52+980區段的樁間同一探井的6個土樣，對樁間土進行擠密效果分析。

圖7 各測點P—S曲線

表1中給出的是西潼高速濕陷性黃土地基未處理時的物理力學性質指標，從表1可以看出未處理過的濕陷性黃土濕陷系數均較大，當 0．015≤δs≤0．03 為輕微濕陷，0．03≤δs≤0．07 為中等濕陷，由表1可以判定西潼高速公路為中等濕陷性黃土地基。表2給出了灰土擠密樁處理后的6個土樣的物理力學性質指標，其中濕陷系數均小于0．015，根據《濕陷性黃土地區建筑規范》當濕陷系數δs的值小于0．015時，應定為非濕陷性黃土，可以判定樁間土濕陷性已完全消除，樁間土擠密效果良好。

表1 濕陷性黃土物理力學性質指標［1］

表2 樁間土的主要物理力學性質指標

3．2 樁身夯實試驗結果

選取T-C04標段K52+830～K52+980區段的同一灰土樁的6個樁身試樣，對灰土樁樁體壓實度與無側限抗壓強度進行分析，詳見表3。從表3中可以看出，6個樁身試樣壓實系數λc介于0．93～0．98之間，壓實系數 λc均不小于 0．93，平均壓實系數為0．96，樁體無側限抗壓強度qu介于188 kPa～233 kPa之間，平均無側限抗壓強度為208 kPa，個別試樣壓實系數及無側限抗壓強度偏低的原因，筆者認為有以下幾點:

1)取樣過程中，或運輸過程中，或切樣過程中土樣擾動，使土樣受到破壞;

2)灰土樁個別樁填夯未嚴格按施工規范進行，使樁身的壓實度及強度未達到規范要求;

3)灰土樁樁身養生條件有差別，造成個別土樣強度略低;

4)試驗過程中個別試樣的操作和讀數存在試驗誤差及人為誤差。

依據國家行業標準［3-8］等規范可以判定灰土樁樁身填夯質量較好，壓實系數平均值滿足λc≥0．93的設計要求，灰土樁無側限抗壓強度也滿足復合地基承載力fspk≥200 kPa的設計要求。