碎石樁處理下軟土路基沉降變形研究

陳 超，廖景高

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都 610059)

碎石樁處理下軟土路基沉降變形研究

陳 超，廖景高

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都 610059)

基于遂(寧)—資(陽(yáng))—眉(山)高速公路軟土路基碎石樁處理工程實(shí)例，以碎石樁處理軟土路基理論為依據(jù)，結(jié)合路基變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)路基的沉降、側(cè)向變形之間的關(guān)系及變化規(guī)律進(jìn)行定量和定性分析，得出軟土沉降、側(cè)向位移與填筑高度之間的關(guān)系，對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)與施工起到一定的參考和指導(dǎo)作用。

碎石樁；軟土；沉降；側(cè)向位移

碎石樁復(fù)合地基的加固效果主要有3種作用：1)振密擠密效應(yīng)，即施工成樁過(guò)程中，樁周土受到振擠而使樁周土強(qiáng)度增大；2)置換效應(yīng)，即地基的原軟土被較高強(qiáng)度的樁體置換而使地基強(qiáng)度增大；3)加速排水效應(yīng)，即樁體使地基土排水滲流的滲徑縮短而加速地基土固結(jié)，隨時(shí)間的延長(zhǎng)提高地基的承載能力。另外，樁體及樁周土組成的加固層對(duì)下臥層起到很好的墊層作用，擴(kuò)散了上部荷載，從而減少了下臥層的沉降[1-7]。

1 工程概況

遂(寧)—資(陽(yáng))—眉(山)高速公路位于四川盆地腹地，全長(zhǎng)124.766 km，設(shè)計(jì)車速為80 km/h，公路全線經(jīng)過(guò)大量的農(nóng)田、谷地、沼澤地區(qū)，軟土分布十分廣泛。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，軟土層從上到下主要分為：1)第四系全新統(tǒng)人工填土層(Q4me)，主要由種植土組成，厚度一般為0.5～1.0 m ；2)第四系全新統(tǒng)沼澤沉積層(Q4f)，主要由高液限黏土和低液限黏土組成，厚度一般為6～7 m，最厚達(dá)10 m以上； 3)第四系全新統(tǒng)殘坡積層(Q4el+dl)，主要由低液限黏土組成，層厚一般為3～5 m；4)侏羅系上統(tǒng)遂寧組(J3s)或蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)，巖性主要為紫紅色鈣質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。全線有68個(gè)碎石樁監(jiān)測(cè)斷面，其中有26個(gè)軟基厚度為1～5 m的I類監(jiān)測(cè)斷面，有42個(gè)軟基厚度>5 m的II類監(jiān)測(cè)斷面。

2 沉降分析

2.1 I類監(jiān)測(cè)斷面填筑期沉降量與填土高度關(guān)系

圖1 K52+750斷面剖面圖

TJ1-8工區(qū)K52+750監(jiān)測(cè)斷面，處理方式為碎石樁，縱橫間距為1.6 m，呈梅花樁型布置，地下水深度為0.5 m，軟土類型為第四系全新統(tǒng)沼澤沉積層(Q4f)，厚度為5.0 m的低液限黏土，下層為侏羅系上統(tǒng)遂寧組(J3s)，填土高度為17.9 m，填土為強(qiáng)風(fēng)化泥巖碎塊石。K52+750斷面坡面圖如圖1所示。

通過(guò)對(duì)K52+750沉降數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，該斷面的沉降量與填筑高度如表1所示。

表1 K52+750沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)表1做出累計(jì)沉降量與填土高度的曲線圖，并根據(jù)曲線做出趨勢(shì)線，如圖2所示。趨勢(shì)方程為

y=14.635x-62.018，

(1)

式中y為沉降量;x為填筑高度。

式(1)中相關(guān)系數(shù)R2=0.975 0。

根據(jù)其它監(jiān)測(cè)斷面沉降與累計(jì)填筑高度數(shù)據(jù)分析可得表2。

圖2 K52+750斷面累計(jì)沉降與填筑高度曲線圖

表2 I類監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合線與相關(guān)系數(shù)

斷面趨勢(shì)線方程相關(guān)系數(shù)R2K59+270y=17571x-2060709747K60+900y=19988x-1480109617K120+900y=20316x-1628909651K122+080y=23301x-2462109988K124+030y=17862x-1933409930

通過(guò)對(duì)I類監(jiān)測(cè)斷面的沉降量與填筑高度分析可得，在路堤填筑期間軟土路基沉降量與填筑高度可近似用線性函數(shù)表示為y=Ax-B(A、B為擬合系數(shù))。

2.2 II類監(jiān)測(cè)斷面填筑期沉降量與填土高度關(guān)系

圖3 K52+150斷面坡面圖

TJ1-8工區(qū)K53+150監(jiān)測(cè)斷面，處理方式為碎石樁，縱橫間距為1.8 m，呈梅花樁型布置，地下水深度為0.5 m，軟土類型為第四系全新統(tǒng)沼澤沉積層(Q4f)，厚度6.5 m處為低液限黏土，下層為侏羅系上統(tǒng)遂寧組(J3s)，填土高度為15.5 m，填土為強(qiáng)風(fēng)化泥巖碎塊石。K53+150斷面坡面圖如圖3所示。

通過(guò)對(duì)K53+150沉降數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，該斷面的沉降量與填筑高度如表3所示。

根據(jù)表3做出累計(jì)沉降量與填土高度的曲線圖，并根據(jù)曲線做出趨勢(shì)線，如圖4所示。趨勢(shì)方程為y=17.267x-29.863，相關(guān)系數(shù)為R2= 0.941 9。

現(xiàn)階段，我國(guó)對(duì)于民族地區(qū)教育工作非常重視，大力普及九年義務(wù)教育也有了顯著的成果。現(xiàn)在大力推進(jìn)義務(wù)教育均衡發(fā)展工作，城寨彝族支系白倮人村寨也成為州級(jí)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，我縣也正努力打造城寨白倮人民族村寨旅游區(qū)，這些都是倮族發(fā)展的機(jī)會(huì)，不過(guò)，現(xiàn)在根據(jù)相關(guān)的調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，白倮人學(xué)生輟學(xué)率比較高，這對(duì)于當(dāng)?shù)亟逃陌l(fā)展及城寨倮族村寨旅游開發(fā)造成了巨大阻礙，也讓普九成果難以鞏固，影響了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。面對(duì)這樣的情況，必須對(duì)白倮人學(xué)生輟學(xué)問(wèn)題給予更大的關(guān)注，這樣有利于提升城寨倮族的整體素質(zhì)，讓倮族能夠跟隨時(shí)代發(fā)展的步伐，最終助推義務(wù)教均衡發(fā)展的實(shí)施及城寨白倮民族村寨旅游發(fā)展。

根據(jù)其它監(jiān)測(cè)斷面沉降與累計(jì)填筑高度數(shù)據(jù)分析見(jiàn)表4。

通過(guò)對(duì)軟土路基路中沉降與填土高度線性回歸分析，路基沉降與填土高度較好的符合線性關(guān)系。通過(guò)這一關(guān)系，對(duì)于推算施工期間累計(jì)沉降量以及修建構(gòu)造物時(shí)預(yù)留沉降量等都具有重要意義[8-10]。

通過(guò)對(duì)I類監(jiān)測(cè)和II類監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分析可得，II類監(jiān)測(cè)斷面的線性函數(shù)的A比I類監(jiān)測(cè)略大，其主要原因是I類監(jiān)測(cè)斷面的填筑高度和軟土厚度較大，沉降速率也偏大。

表3 K53+150沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖4 K53+150斷面累計(jì)沉降與填筑高度曲線圖

表4 II類監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)線與相關(guān)系數(shù)

斷面趨勢(shì)線方程相關(guān)系數(shù)R2K9+550y=18824x-4158209794K38+939y=20512x-1622409850K39+753y=16103x-1381609939K42+975y=35824x-4239609717K104+300y=25285x-2157009785

3 側(cè)向位移分析

3.1深層型軟土地基水平位移

影響路堤下路基側(cè)向位移的因素很多，如低級(jí)結(jié)構(gòu)形式、地基土的性質(zhì)、填土性狀、路基尺寸、填土高度和填土速率等。而路堤下軟土側(cè)向變形問(wèn)題十分復(fù)雜，目前除了數(shù)值分析的方法，還未有實(shí)用的計(jì)算和理論分析方法[11-15]。

圖5 K8+059斷面剖面圖

TJ1-2工區(qū)K8+059監(jiān)測(cè)斷面，處理方式為碎石樁，縱橫間距為1.6 m，呈梅花樁型布置，地下水深度為0.5 m。軟土第一層為第四系全新統(tǒng)沼澤沉積層(Q4f)，厚度為1.3 m的高液限黏土；第二層為第四系全新統(tǒng)沼澤沉積層(Q4f)，厚度為10.8 m的低液限黏土；下層為侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)，填土高度為12.2 m，填土為強(qiáng)風(fēng)化泥巖碎塊石。K8+059斷面坡面如圖5所示。

TJ1-2工區(qū)K8+059監(jiān)測(cè)斷面，深層水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表5所示。由表5可知，在填筑期間，軟土路基水平位移隨著填土量增加而增加。

表5 K8+059斷面水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

注：比值為最大位移與地表位移之比。

圖6 K8+059水平位移圖

從表5與圖6可以看出，最大水平位移發(fā)生在地表下5～6 m；最大水平位移與地表水平位移的比為2.1～4.3，增加填土高度，兩者之比變化不明顯；最大位移隨填土高度的增加有一定的變化。

3.2淺層型軟土地基水平位移

圖7 K76+500斷面剖面圖

TJ1-11工區(qū)K76+500監(jiān)測(cè)斷面，處理方式為碎石樁，縱橫間距為1.8 m，呈梅花樁型布置，地下水深度為0.3 m，軟土第一層為第四系全新統(tǒng)沼澤沉積層(Q4f)，厚度為0.3 m的高液限黏土；第二層為第四系全新統(tǒng)沼澤沉積層(Q4f)，厚度為6.7 m的低液限黏土；下層為侏羅系中統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J2p)，填土高度為10.5 m，填土為強(qiáng)風(fēng)化泥巖碎塊石。K76+500斷面坡面圖如圖7所示。

通過(guò)對(duì)TJ1-11工區(qū)K76+500監(jiān)測(cè)斷面，深層水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表6所示。由表6可知，在填筑期間，軟土路基水平位移隨著填土增加而增加。

根據(jù)對(duì)該斷面的深層水平位移監(jiān)測(cè)可得圖8。

表6 K76+500斷面水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

注：比值為最大位移與地表位移之比。

由表6和圖8可知，在1.5～2.5 m處的水平位移與地表水平位移的比為1.0～2.5，即應(yīng)力集中區(qū)破壞通常發(fā)生在這一區(qū)域。

3.3夾層型軟土地基水平位移

TJ1-2工區(qū)K11+414監(jiān)測(cè)斷面，處理方式為碎石樁，縱橫間距為1.7 m，呈梅花樁型布置，地下水深0.5 m，軟土第一層為第四系全新統(tǒng)沼澤沉積層(Q4f)，厚度為3.3 m的高液限黏土；第二層為第四系全新統(tǒng)沼澤沉積層(Q4f)，厚度為5.4 m的低液限黏土；第三層為高液限黏土，厚度為2.1 m。下層侏羅系中統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J2p)，填土高度為9.4 m，填土為強(qiáng)風(fēng)化泥巖碎塊石。K11+414斷面坡面如圖9所示。

圖8 K76+500水平位移圖

圖9 K11+414斷面剖面圖

對(duì)TJ1-2工區(qū)K11+414監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，深層水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表7所示。由表7可知，在填筑期間，軟土路基水平位移隨填土增加而增加。

根據(jù)對(duì)該斷面的深層水平位移監(jiān)測(cè)可得圖10。

表7 K11+414斷面水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

注：比值為最大位移與地表位移之比。

圖10 K11+414水平位移圖

從表7與圖10可以看出，夾層型軟土的最大位移與其它軟土路基有明顯區(qū)別，其主要原因與地形有關(guān)。從圖10可以看出，最大位移發(fā)生在深8.5 m左右，隨荷載增加，最大位移發(fā)生明顯的變化，最大位移在深2.5 m左右。最大位移與地表位移之比為1.2～2.5。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)I類和II類監(jiān)測(cè)斷面填筑期的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可得：1)高速公路軟土路基在填筑期的沉降量與填筑高度之間的關(guān)系可用線性方程表示，不同的時(shí)間段，得出不同的方程。2)在沉降量與填筑高度的方程式中，影響系數(shù)A的主要因素為填筑高度。填筑高度越大，A值越大，A=15～25；B主要與初始監(jiān)測(cè)時(shí)路堤填筑高度有關(guān)，取值變化幅度較大。

對(duì)軟土路基的水平位移監(jiān)測(cè)分析可得：1)在荷載作用下，軟土路基的水平位移變形主要與軟土結(jié)構(gòu)和地形有關(guān)。2)淺層、夾層、深層型軟土路基的水平位移表現(xiàn)出不同的規(guī)律：淺層路基的最大位移主要在深1.5～2.5 m左右，且最大位移與地表位移的比為1.0～2.5；夾層路基的最大位移可能發(fā)生在較深處(與地形結(jié)構(gòu)有關(guān))，但主要還是發(fā)生在深2.5 m左右，最大位移與地表位移的比為1.2～2.5；深層型路基的最大位移可能發(fā)生在深5～6 m處，最大位移與地表位移的比為2.1～3.0。3)軟土路基最大位移位置與地形有關(guān)，隨著荷載的增加，最大位移的位置可能會(huì)發(fā)生微妙的變化，其原因是隨著荷載的增加，應(yīng)力發(fā)生了變化，使軟土內(nèi)的主應(yīng)力集中發(fā)生了微量的變化。

[1]張艷美,張鴻儒,張旭東.碎石樁復(fù)合地基的研究進(jìn)展與分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2005,13(01):100-106.

[2]李中華,王建平,李立新.碎石樁加固軟土地基效果的評(píng)價(jià)[J].沈陽(yáng)建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2001,17(2):94-96.

[3]張軍其.路基邊坡穩(wěn)定的非概率可靠度分析[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2011.

[4]張保衛(wèi).贛南高速公路碎石樁復(fù)合地基性狀分析及研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2009.

[5]孫微微,劉遠(yuǎn)才.碎石樁復(fù)合地基的作用機(jī)理[J].林業(yè)建設(shè),2007(3):56-58.

[6]霍錦宏.碎石樁單樁復(fù)合地基的承載性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

[7]孫微微.路堤荷載下碎石樁復(fù)合地基沉降計(jì)算方法研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué),2005.

[8]王曉謀，袁懷宇，賈其軍，等.路堤下河灘相軟土地基變形研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2003,16(2)：22-26.

[9]李飛,艾冰.路堤荷載下地基土側(cè)向位移預(yù)測(cè)及計(jì)算分析[M].南京：河海大學(xué)出版社，2006.

[10]李飛.路堤下軟土地基側(cè)向位移與沉降關(guān)系分析研究[J].巖土力學(xué),2006,27(增刊)：809-813.

[11]畢丹,張焱,張?jiān)?CGMT樁在河南高速公路加固中的應(yīng)用[J].山西建筑，2009,35(2)：270-271.

[12]李興毓.基于MATLAB的CFG樁復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

[13]劉敦平.雙向增強(qiáng)體復(fù)合地基承載力特性及數(shù)值分析[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2008.

[14]張良奇.CGMT樁在路基加固中的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2008.

[15]孫林娜.復(fù)合地基沉降及按沉降控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

ResearchonSoftSoilRoadbedSettlementDeformationinGravelPileTreatment

CHENChao，LIAOJing-gao

(CollegeofEnvironmentandCivilEngineering,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China)

Based on the gravel pile treatment foundation engineering project of Sui (ning)-Zi (yang)-Mei (shan) superhighway, the theory of gravel pile treatment in soft soil roadbed and the roadbed deformation monitoring data, this article carrys on the qualitative and quantitative analysis of the roadbed settlement and the relation of lateral deformation as well as its ange rules and then obtains the relationship of the soft soil settlement, lateral displacement and the filling height, which provides a certain guidance and reference for the design and construction of similar projects.

gravel pile; soft soil; sedimentation; lateral displacement

2013-11-11

陳 超(1989—)，男，山東萊蕪人，成都理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)槁坊冃巍⑸罨印痘A(chǔ).

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.01.013

U416.1

A

1672-0032(2014)01-0059-05