長塑料排水板聯(lián)合短攪拌樁加固深厚軟土地基試驗研究

陳尚勇

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

將塑料排水板和攪拌樁聯(lián)合起來處理軟土地基是地基處理的一種新方法，一般有兩種處理工法:一種是塑料排水板和攪拌樁間隔布置，兩者處理深度一致，即“2D”工法，劉松玉等［1-4］對該工法做了細致研究;二是塑料排水板與攪拌樁間隔布置，但是塑料排水板的處理深度大于攪拌樁的處理深度，即“長板+短樁”工法，葉官寶等［5-10］對該工法進行了研究。目前，在鐵路軟土地基加固中采用塑料排水板聯(lián)合攪拌樁技術還處于探索階段，中鐵第四勘察設計院集團有限公司在甬臺溫鐵路中［11］進行了長塑料排水板聯(lián)合短攪拌樁處理深厚海相軟土地基的試驗研究，結果表明地基的工后沉降仍然較大。本文開展的長塑料排水板聯(lián)合短攪拌樁試驗研究［12］，處理對象不同于前面文獻所述純軟土地基，短攪拌樁用來處理淺層松軟的粉質黏土、粉土，以提高地基承載能力，加快施工進度，又不致產(chǎn)生較大的刺入變形;深層軟土地基采用長塑料排水板處理，形成排水通道，加快軟土固結變形。

1 試驗工點概況

試驗工點位于京滬高速鐵路虹橋動車所北咽喉北端高速動車進段線，路堤高0.5～2.8 m，位于深厚軟土地基。考慮到排水固結法穩(wěn)定問題及工后沉降控制效果，以及深厚軟土地基“懸浮攪拌樁”的工后沉降較大的問題，在該段采用了長塑料排水板聯(lián)合短攪拌樁的方式處理地基，以求達到既減少地基總沉降，增加淺層地基的承載力和穩(wěn)定性，又加快深層地基土的固結，減小工后沉降的目的。

1.1 工程地質條件

試驗工點處濱海沖-海積平原區(qū)，地層為第四系地層，軟土發(fā)育，地層如下:①人工雜填土，雜色，松散，稍濕;②粉質黏土，褐灰色，軟塑;③粉土，灰色，稍密，飽和，夾薄層黏性土;④淤泥質粉質黏土，灰色，流塑;⑤粉質黏土，灰色，軟塑。地基土物理力學指標見表1。

表1 地基土基本物理力學參數(shù)

1.2 地基處理方案

設計采用長塑料排水板聯(lián)合短攪拌樁進行地基處理。塑料排水板長20.0 m，間距1.2 m，正方形布置;攪拌樁長8.0 m，間距1.2 m，正方形布置，采用 P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥摻入比≥15%。試驗段地基處理設計示意見圖1。

圖1 試驗段地基處理平面示意(單位:m)

地基處理施工完畢，攪拌樁28 d齡期鉆芯取樣檢測結果，所有試樣的抗壓強度為1.12～1.51 MPa，平均抗壓強度為1.29 MPa;復合地基荷載試驗結果，地基承載力為172～270 kPa，平均為216 kPa，均滿足設計要求。

2 現(xiàn)場測試結果分析

2.1 地基表面沉降

兩個斷面監(jiān)測得到的荷載-時間-沉降變化曲線如圖2所示。至2010年7月16日，GDJK3+535斷面樁頂最大沉降量為105 mm(C1-1)，樁間土最大沉降量為116 mm(C1-2);GDJK3+570斷面樁頂最大沉降量為78 mm(C2-3)，樁間土最大沉降量為85 mm(C2-4)。2010年1月5日預壓土開始卸載后，沉降速率大大減小，至2月，部分沉降板監(jiān)測的沉降發(fā)生回彈，回彈量1～4 mm;3月以后，沉降基本穩(wěn)定。

圖2 荷載-時間-沉降變化曲線

橫向，樁間土沉降出現(xiàn)中間大、兩邊小的盆形沉降，但路肩和路基中心相差甚小，其差異沉降率(中心-路肩沉降差與距離的比值)為0.18% ～0.39%，遠比單純塑料排水板處理地基的小，表明經(jīng)攪拌樁處理后，可以大大減小地基橫向不均勻沉降，這對防止路堤填料開裂、提高路堤填筑質量，保證砂墊層中水的順利排出是非常有利的。

2.2 樁土差異沉降

分別將測試斷面對應的3對樁、土沉降標的沉降量取差值，可得到各斷面各代表位置的樁土差異沉降量，如圖3所示。樁土差異沉降主要發(fā)生于上部填土的施工時期，填筑完成以后，樁土差異沉降趨于穩(wěn)定，此時，樁與樁間土將共同承擔上部填土荷載。GDJK3+535斷面樁土差異沉降最大值約為11 mm，GDJK3+570斷面最大差異沉降量約為14 mm，最終穩(wěn)定在5～10 mm。

圖3 荷載-時間-樁土差異沉降曲線

2.3 深層沉降

在測試斷面中心位置布置深層沉降管，進行地基深層沉降觀測，兩斷面各埋設深層沉降環(huán)22個，監(jiān)測得到的深層沉降曲線見圖4。GDJK3+535斷面0 m深度磁環(huán)最大沉降值為115 mm，相對應樁間土沉降板C1-4的沉降量為103 mm;GDJK3+570斷面深0 m深度磁環(huán)最大沉降值為97 mm，相對應樁間土沉降板C2-4沉降值為85 mm。0 m深度磁環(huán)測出的沉降量與地表沉降量基本相當，其測量值與沉降板的測量結果比較接近，兩種測試方法沉降測試較吻合。

從時間方面看，隨著時間的推移，各深度的沉降速率逐漸減小，卸載后深層沉降曲線基本重合，表明地基土深部的沉降已基本穩(wěn)定;GDJK3+570斷面卸載后還發(fā)生了回彈現(xiàn)象，回彈量2～6 mm。

圖4 深層沉降曲線

兩個斷面反映出的深層沉降規(guī)律基本一致。在攪拌樁加固深度范圍(8 m)內，土體壓縮量較小，分別為12.1、7.5 mm，占總沉降的10.5%、7.7%，表明攪拌樁加固范圍內形成了復合地基，該區(qū)域的抗變形能力有較大提高。攪拌樁深度以下排水板深度范圍內(8～20 m)，土體各深度的沉降量隨著深度的增加而減小。GDJK3+535斷面該范圍內的沉降量為65.9 mm，占總沉降的57.3%，GDJK3+570斷面該范圍內的沉降量為59.5 mm，占總沉降的61.4%。排水板深度以下土體的壓縮量，GDJK3+535斷面該范圍內的沉降量為37 mm，占總沉降的32.2%，GDJK3+570斷面該范圍內的沉降量為30 mm，占總沉降的30.9%。地基深層各部分沉降量占總沉降量的比例匯總見表2。

2.4 水平位移

在GDJK3+535斷面右側和GDJK3+570斷面左側分別埋設水平位移監(jiān)測管各一根，測試水平位移值見圖5。

表2 深層沉降占總沉降比例

從圖5中可以看出，水平位移主要產(chǎn)生于塑料排水板加固區(qū)，GDJK3+535斷面最大水平位移值為14.0 mm，深度為地表以下14 m處;GDJK3+570斷面最大水平位移值為12.2 mm，深度為地表以下10 m處。處理后，地基的側向變形很小，由側向剪切變形引起的附加沉降量也將大大減小。

圖5 水平位移曲線

2.5 超孔壓

超孔壓的消散可以反映深部土體在路堤荷載作用下的固結過程，在測試斷面布置孔隙水壓力計，孔壓計的埋設間距2 m。圖6為測試斷面荷載-時間-超孔壓變化曲線。總體來講，各測點的超孔壓都比較小，最大只有31.5 kPa，遠小于相應位置的附加應力，說明排水板的排水效果良好。比較而言，④層淤泥質粉質黏土中的超孔壓相比其他位置要大一些。GDJK3+535斷面超孔壓在14、16 m和18 m深度處較大，最大值為18.2 kPa;GDJK3+570斷面的超孔壓在16、18 m和20 m深度處較大，最大值為31.5 kPa。在攪拌樁加固范圍，超孔壓很小，在10 kPa以內，除了排水板的排水作用以外，還因為荷載很大一部分由攪拌樁承擔，土體僅承受部分附加應力的緣故。

圖6 荷載-時間-超孔壓變化曲線

根據(jù)塑料排水板處理區(qū)孔隙水壓力的測試結果，可以計算該區(qū)的固結度。圖7為測試斷面塑料排水板處理區(qū)超孔隙水壓力/附加應力-深度曲線，據(jù)此可以計算超孔壓面積和附加應力面積。附加應力按Boussinesq解，固結度等于有效應力面積與附加應力面積的比值。經(jīng)計算，填筑到位時，排水板加固區(qū)綜合固結度約為80%;預壓2.7個月后，塑料排水板加固區(qū)綜合固結度達到88%左右，處理效果良好。

2.6 樁土壓力比

在測試斷面布置土壓力計來對土體進行土壓力觀測，在每一斷面各埋設了6個土壓力盒(樁頂3個，樁間3個)。圖8為各組土壓力盒編號的示意。

圖9為荷載-時間-樁土應力曲線。在上部填土荷載作用下，樁頂上的土壓力明顯大于樁周土所承受的土壓力。在監(jiān)測開始時，樁頂和樁間土上的土壓力同時提高，樁頂上的土壓力提高速率更快。當上部填土施工完成時，樁頂與樁周土上的土壓力都不再發(fā)生變化，樁土應力比基本保持在一個定值。上部填土荷載卸除后，樁頂和樁間土的壓力又會減小。

圖7 超靜孔隙水壓力/附加應力-深度曲線

圖8 土壓力盒編號示意

經(jīng)計算分析，各斷面的樁土應力比隨路堤填筑高度增加而增大，在上部填土完畢后，樁土應力比基本趨于穩(wěn)定，說明填筑時荷載主要先由樁承擔，隨著樁、土、土工格柵變形的協(xié)調，荷載逐漸向土體轉移。填筑到位后，樁土應力比基本穩(wěn)定，形成了穩(wěn)定的復合地基。表3為樁土應力比統(tǒng)計表，樁土應力比變化范圍為1.3～3.1，平均2.1左右。

表3 樁土應力比統(tǒng)計

3 沉降計算方法

3.1 總沉降計算方法

總沉降計算時，攪拌樁復合地基及下臥層中的附加應力均按Boussinesq解，攪拌樁加固區(qū)壓縮模量取復合模量(攪拌樁Es取80 MPa)，沉降計算方法采用《建筑地基基礎設計規(guī)范》中的分層總和法，沉降計算深度取至附加應力為自重應力0.2倍處。為更直觀地反映各層沉降對總沉降的貢獻大小，對每層按壓縮模量分別取沉降修正系數(shù)。地基各層理論計算沉降與實測推算沉降對比見表4，理論計算值地基土的沉降主要發(fā)生在塑料排水板加固區(qū)，其次為下臥層，攪拌樁+塑料排水板加固區(qū)的沉降量很小。

圖9 荷載-時間-樁土應力變化曲線

表4 路堤+預壓荷載作用下地基各層理論計算沉降與實測推算沉降對比

圖10為GDJK3+535斷面分層沉降理論計算值與實測推算值比較，由圖10可知，理論計算值與實測推算值的主要差別在于塑料排水板處理區(qū)的沉降，理論值約為實測推算值的約2倍左右，這主要是由于攪拌樁復合地基的限制作用，致使該層的水平位移很小，由橫向剪切變形引起的附加沉降較小。因此，建議該層的沉降量取《建筑地基基礎設計規(guī)范》理論計算值的50%。

圖10 GDJK3+535斷面分層理論計算值與實測推算值比較

3.2 工后沉降計算方法

工后沉降的計算，需要計算預壓土卸載時地基土沉降完成的比例。攪拌樁+塑料排水板加固區(qū)屬于復合地基，加上淺層孔隙水容易排出，在超載預壓的情況下，可將總沉降的0～10%作為殘余沉降計入工后沉降。

塑料排水板處理區(qū)，按塑料排水板排水固結理論計算，預壓3個月后塑料排水板加固區(qū)的綜合固結度為96.1%，按實測孔隙水壓力反算的綜合固結度為88%，可將總沉降的10%～20%作為殘余沉降計入工后沉降。

下臥層內部無排水通道，預壓期完成的固結度很小，可將下臥層總沉降的90～100%計入工后沉降。

4 結論

(1)GDJK3+535、GDJK3+570測試斷面，荷載大小分別為104.5、95.0 kPa，樁間土最大沉降量為116、85 mm，沉降控制效果良好。

(2)樁土差異沉降5～10 mm;攪拌樁深度以下排水板深度范圍內沉降量為地基主要沉降變形區(qū)域;水平位移主要產(chǎn)生于塑料排水板加固區(qū)，最大水平位移值分別為14.0 mm和12.2 mm;超孔隙水壓力主要產(chǎn)生于地基土體的④層——淤泥質粉質黏土，預壓2.7個月后，塑料排水板加固區(qū)綜合固結度達到88%左右，處理效果良好。

(3)測試斷面的樁土應力比隨路堤填筑高度增加而增大，樁土應力比變化范圍為1.3～3.1，平均樁土應力比為2.1左右，與以往測試攪拌樁復合地基樁土應力比基本一致。

(4)總沉降計算方法采用分層總和法并乘以相應修正系數(shù)，其中攪拌樁+塑料排水板處理區(qū)的壓縮模量取樁土復合模量，塑料排水板處理區(qū)沉降量取理論值的50%;超載預壓3個月以上的情況下，建議各層總沉降按以下殘余沉降比例計入工后沉降:攪拌樁處理區(qū)0～10%，攪拌樁+塑料排水板處理區(qū)10% ～20%，下臥層90% ～100%。

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