臺背新填土水泥碎石樁復合路基路用性能試驗研究

譚博盛,鄧 超

(1.廣東省長大公路工程有限公司 第四分公司，廣東 廣州 511431；2.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083)

1 研究背景

碎石樁適用于提高軟土地基抗液化性能在工程中得到廣泛應用，近10年碎石樁土復合地基理論與實踐取得了豐碩成果，并在實踐研究中得到改進，如包括筋箍碎石樁土復合地基[1]、格柵加筋碎石樁土復合地基[2]的加筋碎石樁土復合地基[3-5]、端夯擴碎石樁土復合地基[6-8]及水泥粉煤灰碎石樁復合地基[9-11]。改進的碎石樁土復合地基的工程應用更加廣泛，如建筑領域軟土地基加固[12]、交通領域路基沉陷、翻漿、橋頭跳車、路基滑移等問題的處置。前述大多是碎石樁軟土地基處理加固理論與實踐成果，與碎石樁軟土復合地基高速公路新填土及預防橋頭跳車相比，路基加固碎石樁土復合路基有其獨有的特點：如交通領域和建筑領域?qū)λ槭瘶锻翉秃系鼗脑O計、質(zhì)量控制指標[13]及地基承載力、變形要求存在差異，能否直接應用于路基加固技術還需進一步研究。路基的回彈模量和彎沉值是路面結構厚度設計的敏感參數(shù)之一[14]，對高等級路面的設計指標和路面性能影響較大，因此合理的評價和確定路基回彈模量和彎沉意義重大。針對湖南省某高速公路蓋板通道臺背新填土路基即填即用且尚未完成自重固結的特點，鑒于漿固碎石樁處置地基具有總沉降小、工期短、樁體置換作用明顯、工后次固結沉降小等優(yōu)點[15]，本文通過對湖南省某高速公路蓋板通道臺背新填土路基水泥碎石樁處置前后路基強度指標進行現(xiàn)場試驗，研究水泥碎石樁加固處理臺背新填土路基的增強效果，可為類似工程提供借鑒。

2 工程概況及現(xiàn)場試驗方案

2.1 工程概況

湖南某高速公路是湖南省高速公路規(guī)劃網(wǎng)中的重要區(qū)間，本文試驗區(qū)選擇該高速K14+277蓋板通道臺背右幅新填方路基，地基處理若采用異地借方或換填則需高昂的費用，并使工程進度滯后，因此選擇開挖土作為路基填料。路基填料經(jīng)顆粒分析及液塑限試驗確定為黏土質(zhì)礫(GC)，級配試驗結果如表1示，薄片試驗及XRD衍射試驗結果表明黏土質(zhì)礫由松散塊狀構造，黑云母不規(guī)則片狀，粒徑較大，出現(xiàn)細粒片狀集合產(chǎn)出的伊利石，石英含量14.6%，高嶺石9.9%，地開石18.6%，云母含量37.6%，斜綠泥石11.4%，長石7.9%，如圖1、2所示。室內(nèi)試驗得到其天然含水率為23.51%～24.42%，塑限27%，液限53%，最佳含水率14.8%，最大干密度1.847 g/cm3，摻配少量碎石等，且該路段路基頂?shù)幕貜棌澇猎O計值為200(0.01 mm)，壓實度符合要求，但彎沉無法滿足路基設計要求。設計采用樁徑500 mm振動沉管水泥碎石樁(P.O32.5水泥摻量5%，碎石粒徑20～50 mm，質(zhì)地堅硬、具有一定的強度、水穩(wěn)定性好、不易風化且級配良好的石料)進行加固處理，水泥碎石樁對路基土具有置換、改良、排水、約束作用，以提高臺背新填土路基強度和有效預防橋頭跳車，樁長6.5～7.2 m，樁位平面布置及路基剖面圖如圖3所示。

2.2 現(xiàn)場測試試驗方案

試驗路基為新填土路堤，由黏土質(zhì)礫(含少量碎石)作為路基填料，填料在最佳含水率下按0.15m分層填筑壓實至路基設計標高，填筑壓實過程嚴格按照規(guī)范要求以控制路基壓實質(zhì)量，故不考慮地下水影響，近似認為基頂下同深度處一定平面范圍內(nèi)路基土具有相同的物理力學特性。同時，為避免水泥碎石樁施工前路基土相關測試對水泥碎石樁施工后路基土測試產(chǎn)生影響，水泥碎石樁施工前后路基土試驗對比測試點距離為0.5 m。各試驗點布置如表2、圖3示。

表1 路基填料級配篩分試驗結果

圖1黏土質(zhì)礫薄片圖 圖2黏土質(zhì)砂XRD粉晶衍射曲線圖

圖3 樁位平面及路基剖面圖(單位：m)

表2 試驗點布置

注：工前路基土測試試驗為路基土填筑壓實完成后，水泥碎石樁施工前，對路基土進行的現(xiàn)場相關測試試驗；工后路基土測試試驗為水泥碎石樁施工齡滿后，對路基土進行的相關測試試驗；單樁復合路基為測試試驗水泥碎石樁齡滿后形成的復合路基的相關測試試驗。

2.2.1 回彈模量測試 在路基壓實填筑完成，依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG E60-2008)[16]，采用承載板法測試水泥土碎石樁施工前后路基土回彈模量，為防止填筑路基表面受外界條件影響，測試點選在基頂以下300 mm。水泥碎石樁施工前，在樁體施工布置點進行回彈模量測試，水泥碎石樁施工完成至齡滿后對樁體進行回彈模量測試，工后路基土回彈模量測試時，為減小施工擾動對測試結果的影響，測試深度為基頂下1.0 m。

(1)試驗設備及加載方法。試驗采用千斤頂附設加勁橫梁反力法，由標準測試車一臺(后軸重100 kN)、彎沉儀(2臺)、百分表(精度0.01 mm)、現(xiàn)場測試裝置(直徑300 mm厚20 mm的承載板、千斤頂測力環(huán)、墊塊、加勁橫梁)組成。將現(xiàn)場測試裝置安放于標準測試車尾部車底橫梁中間下方，構成加載反力系統(tǒng)，兩臺彎沉儀測頭分別置于承載板兩側(cè)立柱上。荷載采用油壓千斤頂提供，并由測力環(huán)讀數(shù)控制，如圖4示。

(2)加載及結果處理。試驗裝置安裝完畢，預壓0.05 MPa，持續(xù)時間1 min，卸載預壓后百分表對零，再進行分級加載和卸載。采用規(guī)范規(guī)定最大施加荷載達0.70 MPa，加載分為9級，第一級為0.05 MPa，每級增加0.05 MPa至第四級荷載0.20 MPa，以后每級增量0.10 MPa，換算后控制測力環(huán)讀數(shù)變動，當荷載等級達到0.70 MPa或回彈變形值大于1 mm時試驗停止。測試結果利用文獻[16]中公式T0943-1～5計算得到回彈模量值。

圖4回彈模量測試試驗 圖5動力觸探試驗

在考慮現(xiàn)場加載條件下，近似以樁土單元體[1,17]來進行水泥碎石樁土復合地基變形分析，對單樁復合地基回彈模量測試，即以現(xiàn)場靜載荷試驗尺寸為1.0 m×1.0 m×0.02 m剛性承載板進行復合地基承載力測試，利用每級卸載回彈變形均值，通過半無限彈性空間體方形剛性承載板沉降計算公式反算近似得到回彈模量。采用混凝土堆載法構成加載反力系統(tǒng)，加載采用一個油壓千斤頂，千斤頂?shù)闹行奈挥诔袎喊逯行模虞d量通過油壓傳感器控制，變形通過對稱布置于承壓板的4個量程為50 mm位移傳感器測量，其分辨力不小于0.01 mm，4個測試結果取均值。回彈模量測試前承載板采用100～200 mm中砂找平，使荷載板緊貼所測試的復合地基。預估最大加載值為300 kN，分為8級加載，每級加載量為37.5 kN。卸載級數(shù)可為加載級數(shù)的一半，等量進行，每卸一級，間隔30 min，讀記回彈量，待卸完全部荷載后間隔3 h讀記總回彈量，本次試驗卸載級數(shù)為5級，每級卸載值為60 kN。

2.2.2 重型動力觸探 根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》(TB 10018-2018)[18]對水泥土碎石樁施工前后路基土及齡期滿30 d水泥碎石樁進行重型動力觸探。現(xiàn)場測試時采用地質(zhì)鉆機起吊重錘，如圖5所示，錘重63.5 kg±0.5 kg，落距76 cm±2 cm，探頭直徑74 mm，錐角60°，探頭截面積43 cm2，探桿直徑42 mm，貫入深度10 cm時的錘擊數(shù)N63.5，測試路基土及水泥碎石樁承載性能。

3 試驗結果及分析

3.1 回彈模量測試結果

路基土填筑完成，在水泥碎石樁預施工位置進行回彈模量測試，荷載式P與回彈變形L的關系如圖6所示。圖6表明較低荷載等級下回彈變形超過1.0 mm，該類新填土路基回彈模量不滿足規(guī)范規(guī)定高速路基回彈模量不小于30 MPa的要求。水泥碎石樁施工后，同區(qū)域路基土回彈模量測試結果見圖7所示，圖7表明水泥碎石樁施工振動一定程度上可提高路基土頂下1.0 m范圍路基土回彈模量。

為探究水泥碎石樁施工齡滿后形成的樁土復合路基復合回彈模量，通過承載板法加卸載測試單樁復合路基的荷載-沉降變化，得到P-S曲線及分級卸載60 kPa下分級回彈變形，如圖8、9所示。對比復合路基FH1、FH2、FH3分級卸載下的回彈變形L表明該新填土單樁復合路基回彈變形主要發(fā)生在第一級卸載和最后一級卸載時，中間各級卸載回彈變形差異較小，具有類土石混合體路基沉降變形性質(zhì)[19]。

利用各級卸載回彈變形均值，通過半無限彈性空間體方形剛性承載板沉降計算公式反算近似得到回彈模量。當采用承載板法進行復合路基回彈模量測試時，考慮總回彈變形大于1.0 mm與規(guī)范中d=300 mm承載板回彈變形值不超過1.0 mm的差異，同時考慮承載板法復合路基P-S測試過程中塑性變形對彈性變形的影響，可用中間各級卸載回彈變形均值近似計算得到回彈模量。即:

(1)

圖6荷載P與回彈變形L的關系 圖7施工前后路基土回彈模量E測試結果

圖8單樁復合路基載荷試驗曲線 圖9分級回彈變形

圖10 水泥碎石樁荷載-回彈變形關系曲線

圖11 不同預估方法下的計算結果對比

3.2 動力觸探

路基填筑完成，在水泥碎石樁預施工位置D1、D2、D3(圖3(a)所示)進行重型動力觸探試驗，結果如圖12所示，該新填土路基動力觸探錘擊數(shù)在2、3擊分布點較多，少量達到4擊，分析認為是新填土中夾雜少量碎石的原因。

水泥碎石樁施工齡滿后對J1、J2、J3(圖3(a)所示)水泥碎石樁進行動力觸探試驗，結果如圖13所示，圖13表明水泥碎石樁施工質(zhì)量滿足設計要求錘擊數(shù)大于7擊的要求，樁頂1.0 m范圍內(nèi)動力觸探錘擊數(shù)與樁體下部差異較大，即水泥碎石樁的樁頂強度高，符合水泥碎石樁復合路基的受力變形規(guī)律[12,15]對水泥碎石樁的強度要求。

水泥碎石樁施工完成齡滿后，分別在原動力觸探測試點D1、D2、D3附近的LD1、LD2、LD3、LD4、LD5(圖3(a)所示)進行路基土動力觸探試驗，比較施工前后路基土動力觸探錘擊數(shù)變化情況。比較圖12、13可知水泥碎石樁施工后，由于碎石樁的置換、改良、排水作用使得路基土強度提高，因此動力觸探錘擊數(shù)在3、4分布點比較多，甚至局部點錘擊數(shù)達到5、6。

為更好的比較同區(qū)域路基土施工前后動力觸探錘擊數(shù)變化情況，分別在圖15、16、17中表示同區(qū)域(圖3(a)所示)地基土動力觸探錘擊數(shù)，結果表明水泥碎石樁的施工一定程度上增加了路基深部土體的強度，錘擊數(shù)分布較高點更多，但樁頂下部1.0 m范圍內(nèi)，最大可達1.5 m，路基土動力錘擊數(shù)較未施工前分布錘擊數(shù)偏低2分布點更多，局部點錘擊數(shù)僅1擊，這與文獻[6]中0.8 m結論基本一致。主要是因為水泥碎石樁施工時能量大，上覆路基土壓力不足，產(chǎn)生局部隆起變形，路基土受到施工等因素的影響發(fā)生擾動破壞，導致擠密作用不明顯，上部路基土變得松散，因此在水泥碎石樁施工過程中可采取一定措施防止樁體上部土體的擾動，如鋼套筒水泥碎石樁或格柵鋼套筒水泥碎石樁[20]。

圖12水泥碎石樁施工前路基土動力觸探結果 圖13水泥碎石樁動力觸探結果

圖14水泥碎石樁施工后路基土動力觸探結果 圖15D1區(qū)域路基土動力觸探結果

圖16D2區(qū)域路基土動力觸探結果 圖17D3區(qū)域路基土動力觸探結果

4 結 論

對湖南省某高速公路蓋板通道臺背新填土路基水泥碎石樁處置前后路用指標進行現(xiàn)場試驗，比較分析水泥碎石樁施工前后路基回彈模量及重型動力觸探錘擊數(shù)變化規(guī)律，得到如下結論：

(1)水泥碎石樁的施工振動一定程度上可提高路基土面下1.0 m范圍路基土回彈模量；

(2)新填土水泥碎石樁復合路基載荷試驗中回彈變形主要發(fā)生在第一級卸載和最后一級卸載時，中間各級卸載回彈變形差異較小，具有類土石混合體路基沉降變形的性質(zhì)；

(3)水泥碎石樁施工后的新填土復合路基回彈模量滿足高等級公路不小于30 MPa的要求，反算彎沉滿足設計彎沉200(0.01 mm)的要求，但總回彈變形均值和中間各級回彈變形均值預測復合路基回彈模量與當前樁土面積置換率m概念下樁土材料模量得到的復合模量差異較大，后者為前者的2.0倍左右。

(4)水泥碎石樁施工在一定程度上增加了路基深部土體強度，N63.5錘擊數(shù)分布較高點更多。在樁頂下部1.0～1.5 m范圍內(nèi)，可采用格柵鋼套筒或鋼套筒水泥碎石樁以防止由于樁體施工時發(fā)生路基土體擾動破壞。