振動沉管擠密碎石樁復合地基原位監測試驗研究

梁元林

(葛洲壩湖北大廣北高速公路有限責任公司　黃岡　438000)

振動沉管擠密碎石樁復合地基原位監測試驗研究

梁元林

(葛洲壩湖北大廣北高速公路有限責任公司黃岡438000)

摘要為評價振動沉管擠密碎石樁對軟土地基的處治效果，文中采用原地監測試驗對比分析處治后軟土地基的沉降量、沉降速率、水平位移、側向位移等。結果表明，碎石樁樁體質量良好，振動沉管擠密碎石樁施工工藝可行、質量可靠。

關鍵詞振動沉管擠密碎石樁復合地基原位檢測試驗研究

軟土具有壓縮性高、含水量大、滲透性差、抗剪強度低等特點，在附加應力作用下會由于壓縮變形和剪切變形而產生較大的沉降，甚至破壞[1-3]。在高速公路建設中，軟基的穩定性和沉降問題是最為關鍵的問題之一，它不僅影響施工的組織、安排和質量問題等，而且關系到整個項目的成敗。由于地域不同、沉積環境有差異，各地的軟土在厚度、分布及物理力學性質上各有特點，而每條高速公路的設計特點，如路堤填筑高度、填筑材料、填筑方式及工期均有嚴格的要求；因此根據不同的軟基處理方案，設置相應的監測內容，是確保施工順利進行及道路質量的關鍵[4-5]。大廣北高速公路(麻城至浠水段)采用振動沉管擠密碎石樁施工工藝處理的軟基路段有2 540 m，對其進行現場監測研究的目的和意義如下。

(1) 通過對軟基處理路段的施工監測，進一步驗證其處治效果，為施工工藝與質量檢驗提供研究依據，同時為今后同類工程提供參考。

(2) 通過對軟基處理路段的施工監測，在保證路堤施工過程的安全和穩定的前提下，提出最佳填土速率和應采取的工程措施。

(3) 根據現場實測的沉降量、沉降速率、水平位移、側向位移等資料，分析預測地基土的工后沉降，并在與設計值進行比較分析的基礎上，及時調整分層填土厚度和填土速率。

(4) 穩定控制標準、超載厚度、卸載時機判定等均需要根據原位試驗和現場測試確定。同時，變更設計和加載方案的確定也需要利用監測數據進行反演參數。

1原位監測實施方案

1.1　監測斷面布置及儀器設備

1.1.1監測斷面布置

綜合考慮軟基工程地質情況、碎石樁樁體質量檢測結果、路堤設計高度、填土施工進度等因素；選取軟土工程性質較差、具有不同的軟土埋深及層厚較大的斷面以及路堤設計填土高度較大的斷面，對應的樁號為K84+000，土路基設計高度為4.6 m，軟土埋深0 m，軟土厚度為6 m，處理深度為9.5 m，軟基處理方式為碎石樁+砂墊層+格柵。監控斷面見圖1，監測內容包括表面沉降、側向位移、孔壓、水平位移等。斷面設置及監測內容見表1。

圖1　監測斷面立面布置圖(單位:cm)

樁號沉降板邊樁或水平位移孔隙水壓力計K84+000CJ1CJ2CJ3BZ1CX1CX2CX3CX4BZ2KYJ1KYJ2KYJ3KYJ4KYJ5

1.1.2監測儀器設備

儀器設備進場前，作好維修保養工作，保證儀器設備的正常使用；按要求作好儀器設備的標定檢驗工作。

1.2　監測實施方案

1.2.1監測內容與測試技術要點

(1) 地表沉降監測。采用日本產NA2型精密水準儀和2 m銦瓦水準標尺，按二等水準測量要求方法施測。每次施測前要檢查、校正i角，采用儀器設備、測站線路、觀測人員“三固定”的方法提高觀測精度；每次觀測還應注記填土高度、天氣情況，并繪制觀測點位置平面圖，觀測結束后采用計算器算出每個觀測點的觀測值。

(2) 水平位移監測。邊坡土體水平位移觀測一般采用經緯儀視準線法觀測邊樁頂部的位移量。即用經緯儀配合鋼卷尺進行，基準點布設在填土影響范圍外的構筑物或單獨埋設，測量出各個觀測點與視準線之間的距離，根據三角關系計算出邊樁的位移值。

(3) 側向位移監測。首先在路堤外埋設測斜管，使用KPI測斜儀在測斜管中逐段(每隔500 mm測讀1次，測完后，將測頭旋轉180°再測1次，2次觀測深度應一致)測出產生位移后管軸線與鉛垂線的夾角，分段求出水平位移，累加得出總位移量及沿管軸線整個孔深位移的變化情況。

(4) 孔隙水壓力監測。本方案將在軟土深度范圍內埋設常規電測孔隙水壓力探頭，以測試在路堤填筑施工中孔隙水壓力增長與消散規律，以指導填土施工。通過繪制各種圖表，正確地評價路堤的應力狀態，判斷強度增長情況，反算土工參數，實現對路堤孔隙水壓力的長期跟蹤測試，獲得路堤應力的長期規律性結論。

(5) 水位監測。地下水位對于路堤穩定性也有著直接的影響，會造成孔隙水壓力的變化，故需設置1~2個水位孔對軟基路段進行水位觀測，以掌握水位變化的規律。

1.2.2變形監控頻率

為了收集到足夠多的信息，以便對復合地基承載變形機理進行研究，對地基強度增長、變形情況作出比較準確的判斷，確保加載過程中路基的穩定，必須保證一定的監測頻率。在不同時期，監測需要按照不同頻率進行。

1.2.3監測控制標準

《公路軟土地基路堤設計與施工技術規范(JTJ 017-96)》對路堤沉降速率做出了穩定性控制標準，即路堤中線地面沉降速率每晝夜不大于10 mm，坡腳水平位移每晝夜不大于5 mm。但是影響沉降速率和側向位移的因素是比較復雜的，它們隨著地基土的性質、加荷方式以及地基處理方法等而變化，所以控制標準不應該是常數。根據《大慶至廣州高速公路湖北省麻城至浠水段兩階段施工圖設計》的有關設計要求，路堤填筑速率與變形控制的標準按下面要求執行。

(1) 路基加載時，填筑速率應由施工觀測來控制，其標準為：路中心的表面沉降速率宜控制在10 mm/d以內，坡腳處的側向位移宜控制在5 mm/d以內，單級孔壓系數小于0.6，綜合孔壓系數小于0.4。

(2) 路基中心的表面沉降速率在5 mm/d以內時，可以進行下一層路堤的填筑。

(3) 軟基監測應實行動態控制，在施工過程中應加強檢測，當發現側向位移速率等指標不正常，路基有失穩的趨勢時，必須立即向相關單位通報，并立即向路基兩側卸載。

2監測成果分析

2007年1月采用振動沉管擠密碎石樁工藝處治的軟基路段施工已全部完成，經對碎石樁質量檢驗，全部質量滿足設計要求，具備填筑路堤施工條件。現場原位監測工作基本與填土工作同時開始，下面分別對典型斷面(K84+400)的各監測項目的觀測成果進行分析。

2.1　地表沉降監測

在填土0.3 m時，在本斷面埋設了3個沉降板，對沉降板進行高程觀測。填土施工過程中以每層填土厚度按標準層0.3 m考慮，若填土荷載過大，則以實際填土高度計算，填土的重度為20 kN/m3，因為沉降板埋設在砂墊層上所填的一層土(土工格柵)的上面，所以軟基的沉降量沒有考慮砂墊層的影響。現填土高度為4.3 m，填土已經完畢。填土施工期間的沉降觀測，路基填土荷載、時間與沉降的關系見圖2。

圖2　時間-荷載-沉降過程曲線圖(K84+400)

由圖2可知，路基沉降隨著填土荷載的增加而增大，填土越高沉降增加越大，各沉降板的沉降趨勢一致。路堤填土從2007年4月15日開始、2007年8月27日完成設計填土高度4.3 m，134 d填土期間，路基沉降增長相對較快，最大速率為2.37 mm/d，最大累計沉降為79.88 mm。截至2008年4月28日，設計7個月預壓期已完成，累計最大沉降為107.67 mm，整個觀測期內，沉降速率和累計沉降均大大低于控制值10 mm/d。預壓期完成后實測最大沉降值為107.67 mm，僅為設計計算的205 mm預期沉降值的52.5%，結果表明碎石樁處理效果明顯。

2.2　深層水平位移監測

在坡腳兩側按照圖1所示，在監測斷面各埋設2個測斜觀測孔。位移正方向為偏離道路方向，與路的軸線方向垂直；位移負方向偏向道路方向，與路的軸線方向垂直。圖3給出了斷面觀測孔CX1的地基土深層水平位移。

圖3　深層測斜曲線節選圖(K84+000-CX1)

由圖3可見，CX1位于左路堤坡角外3.8 m，累計位移值最大約為30.94 mm。從所測的深層水平位移曲線也反映出在填土高峰期間，深層水平位移量變化明顯，而隨著填土速率的逐漸降低，深層水平位移量呈現相應的減小趨勢，這一監測結果與地表沉降的監測結果一致。雖然在填土期間，其水平位移很大，但是總體穩定后，此位移波動微小，即表示在整個填土期間，深層水平位移值變化很小。

同時從圖中可見填土高峰期間，深層水平位移量增加明顯，而隨著填土速率的逐漸降低，深層水平位移量呈現相應的減小趨勢，這一監測結果與地表沉降的監測結果一致。填土期間各測孔監控部位的位移速率小于1.0 mm/d，監測結果表明填土加載期間地基的整體穩定性能較好，也說明了該段采用碎石樁地基處理的方法是有效且實用的。

2.3　地表水平位移監測

在鉆孔安裝測斜管時，同時按照圖1所示位置，對監測斷面埋設水平位移監測邊樁。依據地表水平位移觀測成果表(因數據量較大，不在本文計列)，并對照深層位移監測成果分析，結果表明：邊樁離道路中心線越遠其位移越小，根據觀測的結果，各邊樁的位移速率均小于2 mm/d，這也說明了隨著填土荷載的不斷施加，路堤在逐漸增高，路堤對路基兩側影響是有限的，整個填土施工過程中，地表水平位移速率控制在標準范圍內，地基整體穩定性良好，也表明了該段采用碎石樁對軟土地基進行處理，達到了良好的效果。

2.4　孔隙水壓力監測

K84+400斷面孔隙水壓力原位監測時程線見圖4。對照實時監測數據，從圖4中可以發現孔隙水壓力的增長與消散與2個因素有關，一是填土施工，即相當于增加了荷載；二是地下水位的升降。土中孔隙水壓力的每一次增長和消散，都是一次土中有效應力逐漸增加，即地基土的承載力逐漸提高的過程。2007年4月到9月施工填土這段時間，孔壓曲線變化頻繁，且呈現逐漸增加的趨勢，其原因是前次填土的荷載所造成的孔隙水壓力還沒有完全消散，就開始了下層填土的施工；而在施工完畢之后，孔壓曲線變化處于一直變小之中，即表示孔隙水壓力一直在變小，即使中間有些反復變大，主要是因為下暴雨或者大雪導致地下水位增高使孔隙水壓力變大。總體來說，在填土過程中，孔壓值未出現隨荷載增加而急劇上升的現象，表明地基土內部未被破壞。分析本斷面的5個觀測孔結果可知，其孔壓值變化都較小，基本上屬于正常變化范圍，碎石樁的處理效果明顯，從而顯著改善了路基力學的特性。

圖4　孔隙水壓力消散時程曲線圖(K84+000)

3結論

(1) 地基土表面水平位移最大發生在緊鄰路基兩側的邊樁，遠離道路中心線的邊樁位移最小。邊樁的位移基本上反映了土體的實際位移情況，路基土體沒有出現明顯的水平位移，路堤施工過程中路基處于穩定狀態。

(2) 填土過程中，所有斷面均未產生明顯的超孔隙水壓力變化，說明荷載增加沒有引起地基中孔隙水壓力的明顯增長與消散，表明地基處于穩定狀態。

(3) 碎石樁是一個良好的排水通道，隨著時間的延長，土的排水固結作用較為明顯，樁間土的性質得到進一步的改善。

(4) 碎石樁質量良好，進一步驗證了碎石樁樁體質量檢驗評定結果與實際達到一致，證明振動沉管擠密碎石樁施工工藝可行、質量可靠。

參考文獻

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Investigation on Vibration Sinking Gravel

Compaction Pile by In-situ Detection Test

LiangYuanlin

(Hubei Daguangbei Expressway Co., Ltd., Huanggang 438000, China)

Abstract：In order to evaluate the performance of vibration sinking gravel compaction pile, this paper compares the detection data of typical cross sections, including settlement, settlement rate, horizontal displacement and lateral displacement. Experimental results indicate that the gravel pile has excellent performance. Therefore, it is feasible to use this method to reinforce the soft soil in practical project.

Key words:vibration sinking gravel compaction pile; composite foundations; in-situ detection; experimental investigation

收稿日期：2015-09-03

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.029