銀昆高速公路濕陷性黃土地基水泥土擠密樁處理試驗研究

馬俊堯

(中鐵十四局集團第五工程有限公司 山東濟寧 272100)

1 引言

濕陷性黃土在我國廣泛分布，它在天然含水率狀態下具有強度高、孔隙大、垂直節理發育等特點，而飽和吸水后在自重或者附加荷載作用下則出現明顯的濕陷性，強度大大降低，導致工程構筑物出現沉降破壞[1]。在高速公路工程建設中，路基路面對地基的工后沉降要求十分嚴格，為了削減黃土在遭遇浸水環境下的濕陷性不利影響，常采用強夯、換填、擠密或者化學固結等手段，對土體的物理力學性質進行改善，消除或者減小路基的濕陷性變形，降低路面結構開裂和保障其運營平順性[2－3]。

水泥土擠密樁地基處理的主要原理為通過在預先成孔的黃土地基上，分層夯填水泥土，橫向擠密樁間土體，達到約束土體的作用，同時夯填的水泥土具有換填效果，樁土之間形成復合地基共同受力和變形，進而增強地基土的壓縮模量和消減黃土的濕陷性變形[4－5]。近年來，隨著我國西部大開發的不斷深入，高速公路和高速鐵路取得了迅速的發展，不同于民用建筑，這些構筑物直接暴露在自然狀態下，受雨水與地表水的侵害概率大大增加，同時線路運營對變形的要求嚴格，使得研究水泥土擠密樁加固地基的承載力和變形特征十分迫切[6]。

喻渝等[7]依托鄭州至西安高鐵黃土地基處理項目，分析了水泥土擠密樁樁身的水泥、黃土最佳配合比例、無側限抗壓強度、樁身間距等設計參數對承載力的影響；王素靈[8]以鄭西客專路基為例，在施工工藝、施工技術措施等方面對水泥土擠密樁的應用進行了研究；王衛東[9]基于某公路段路基病害處置為例，采用水泥土擠密樁對病害處理過程中的設計、施工以及施工質量檢測等方面進行了分析和總結。在現有的文獻中，大量的研究主要集中在水泥土擠密樁的材料設計、施工工藝、應用效果等方面，對于現場試驗方面的研究較少，不利于正確認識水泥土擠密樁在線路地基處理中的承載特性和變形特征[10－11]。

本文依托銀川至昆明高速公路(G85)太陽山開發區至彭陽(寧甘界)段地基處理項目，采用現場載荷試驗和浸水試驗相結合的方法，對水泥土擠密樁處理后的復合地基承載力和浸水條件下的復合地基變形進行研究，為黃土地區高速公路地基加固處理的設計、施工、運營養護提供可靠的基礎資料，也為類似的工程建設提供實例借鑒。

2 工程概況

銀川至昆明高速公路(G85)太陽山開發區至彭陽(寧甘界)段位于吳忠市、中衛市及固原市境內，路線總長度約236 km，設計標準為雙向四車道高速公路，設計速度為100 km/h。線路穿越濕陷性黃土區域，區域黃土具有分布廣泛、厚度深大、土質均勻、結構疏松、孔隙發育等特點。區內出露的濕陷性黃土主要為上更新統風積黃土()及較大河谷Ⅰ、Ⅱ級階地上部堆積的第四系上更新統早期黃土狀土()，其濕陷等級主要為Ⅱ級(中等)～Ⅳ級(很嚴重)。

線路LJI0標段起訖樁號為K171＋500～K189＋100，全長17.60 km，9%水泥土擠密樁231.1萬延米，水泥土擠密樁總計29 678根，主要設置于Ⅲ級～Ⅳ級非自重濕陷性黃土填方路段，樁的布置形式為正三角形布樁，設計樁長L＝8 m，樁直徑d＝40 cm，樁中心間距D＝0.8 m，排間距M＝69.3 cm。

選擇K178＋150～K178＋295段作為水泥土擠密樁試驗段，路基寬度26 m，路基填高7.5 m，該段濕陷性黃士等級為Ⅳ級，處理長度145 m，處理寬度57.1 m，處理面積8 280 m2。水泥擠密樁地基處理的平面布置及剖面如圖1所示。

圖1 水泥土擠密樁地基處理平剖面圖

3 現場載荷試驗與浸水試驗

3.1 現場載荷試驗

現場載荷試驗分為單樁豎向承載力、復合地基豎向承載力，分別按現行國家規范《濕陷性黃土地區建筑標準》(GB 50025—2018)[12]附錄G、附錄H中的試驗流程進行，其中復合地基豎向承載力測試又細分為2種工況，分別為3根樁復合地基承載力、4根樁復合地基承載力。測試時，采用方形剛性承壓板，其邊長尺寸依據測試樁數的不同而有所不同，單樁載荷試驗時為0.84 m×0.84 m；3根樁載荷試驗時為1.26 m×1.26 m；4根樁載荷試驗時為1.60 m×1.60 m。加載等級不少于10級，且每級荷載的維持時長至少為2.0 h，按設計荷載的2倍確定極限荷載，由設計資料預估為700 kPa。

3.2 現場浸水試驗

為了分析浸水條件下，濕陷性黃土路基的變形時空特征，在試驗段設計了現場浸水試驗。如圖1所示，試驗范圍選取為路基處理寬度的一半，即28.55 m，長度為10.00 m，浸水試坑尺寸為6.0 m×6.0 m×0.6 m(長×寬×高)，試坑的一邊沿著路基加固區與非加固區進行布置，坑底部采用10 cm厚度的中粗砂進行鋪設找平，浸水試驗時，水頭維持40 cm。以試坑中心為原點，左右兩邊分別為±4.0 m、±6.0 m、±8.0 m、±13.0 m和±18.0 m的位置布置10個坑外監測點；在坑內，以原點為圓形，半徑為1.5 m的位置上均距布置6個監測點，其中a1、a2點的埋深為9.0 m(超出樁底1.0 m)，b1、b2點的埋深為6.0 m，c1、c2點的埋深為3.0 m，如圖2所示；在坑內，以原點為圓形，半徑為2.0 m的位置上均距布置8個注水孔，孔深為2.0 m，孔徑為200 mm(見圖3)。試驗時，注水時長維持20 d，停水觀測維持10 d，在注水的過程中，記錄水量消耗大小、監測點位移變化。

圖2 浸水試坑外監測點布置平面圖(單位:mm)

圖3 浸水試坑內監測點布置平面圖(單位:mm)

4 試驗成果分析

4.1 水泥土擠密樁復合地基承載力

圖4為地基處理后的載荷試驗P-s曲線。從曲線形態看，無論是單樁沉降曲線還是多樁沉降曲線，均表現出無明顯拐點變化，需按0.8%b(b為承壓板的寬度)相對變形確定地基承載力的特征值，且不應大于0.5倍的最大加載壓力。由此，可以確定水泥土擠密樁單樁、3樁和4樁的承載力特征值分別為220、300、320 kPa，隨著測試樁數量的不斷增加，處理后地基土的承載力特征值也隨著增加。由此表明，水泥土擠密樁對黃土地基的承載力改善具有十分顯著的作用。但是，從數量來看，由于群樁效應的影響，多根水泥土擠密樁的復合地基承載力遠小于單樁承載力之和，從單樁增加至3樁時，承載力特征值增加量為80 kPa，而從3樁增加至4樁時，承載力特征值增加量為20 kPa，表明水泥土復合地基的承載力特征值隨樁數量的增加，群樁效應隨著增加。因此，在實際黃土地基加固時，建議選取合適的樁間距和樁徑，以減弱群樁效應的影響，提高處理效率。

圖4 地基處理后載荷試驗P-s曲線

4.2 水泥土擠密樁復合地基變形特征

對浸水20 d內的總消耗水量和晝夜消耗水量進行記錄，結果如圖5所示。從圖中可以知，在浸水初期(2 d內)，總耗水量和晝夜耗水量均迅速增加；浸水2 d后，隨著時間的增長，總消耗水量逐步增加并趨于穩定，最后5 d的平均總消耗水量增加值約為0.1 m3/d，20 d總消耗水量為6.98 m3，而晝夜消耗水量則相反，逐漸減少并趨于穩定，最后5 d的平均晝夜消耗水量為0.47 m3。

圖5 浸水試驗耗水時程曲線

為研究復合地基在豎向方向上的濕陷變形特征，對復合地基不同深度范圍處的濕陷變形進行監測，試坑內測試點分布如圖3所示，不同深度監測點的觀測成果見圖6。

圖6 不同深度觀測點的沉陷速率時程曲線

由圖6可知，不同深度觀測點處的濕陷變形速率曲線具有較好的一致性，與晝夜消耗水量類似，在浸水初期(3 d內)，由于天然含水率狀態下的黃土尚未飽和，大量吸水后，土體呈現加速濕陷變形，而浸水3 d后，濕陷變形速率趨于不斷減小，在第20天停水時，濕陷變形速率又呈現不同程度的增加，隨后隨著停水時間的增長，變形逐漸趨于平穩和收斂。另一方面，隨著埋置深度的增加，土體濕陷變形速率也逐漸增加，變形規律呈現時間早、速度快、變形量大的特點:浸水期，c1點(埋深3 m)的最大濕陷速率為1.15 mm/d，b1點(埋深9 m)的最大濕陷速率為1.82 mm/d，a1點(埋深9 m)的最大濕陷速率為2.75 mm/d；停水期，c1點(埋深3 m)的最大濕陷速率為0.40 mm/d，b1點(埋深9 m)的最大濕陷速率為0.83 mm/d，a1點(埋深9 m)的最大濕陷速率為1.05 mm/d。

進一步地，分析試坑內6個不同深度處監測點的最大濕陷變形，結果如圖7所示。

圖7 地基豎向方向變形特征

由圖7可以看出，在水泥土擠密樁地基處理范圍內(設計樁長L＝8 m)，地基土的變形量較小，均小于1 cm:3 m處(c1點、c2點)的最大濕陷量為6.7 mm和8.5 mm，表明淺層的土層有微弱的側向擠出，這與水泥土擠密樁施工存在的不均性有關，6 m處(b1點、b2點)的最大濕陷量為8.9 mm和9.2 mm，濕陷量差異較小。而深度超出水泥土擠密樁樁長后，地基土的變形量明顯增加，9 m處(a1點、a2點)的最大濕陷量達到15.5 mm和16.0 mm，比6.0處的濕陷量增加了約74%～80%。以上分析表明，水泥土擠密樁加固對黃土地層的濕陷變形能夠起到良好的控制作用，大大減小了加固區范圍內的濕陷變形量，為減緩上部結構的變形量提供了較好的先決條件。

為分析地基橫向方向上的變形特征，對試坑左右兩側的12個監測點數據進行分析，坐標原點如圖2所示，加固區為橫坐標負值，非加固區為橫坐標正值，結果如圖8所示。

圖8 地基橫向方向變形特征

從圖8中可以看出，試坑內，地基變形受水的直接下滲作用，沉降量最大，而兩側地基變形沉陷呈不對稱狀態。表現為在加固區范圍內，地基沉陷量小，小于0.67 mm，且隨著與試坑距離的增加沉陷量逐漸減小；而在非加固區，地基沉陷量變化較大，最大值為5.7 mm，并隨著距離的增加而迅速減小，在坐標點x＝18 m位置處，地基沉陷量減小為0.2 mm。綜合表明，水泥土擠密樁可以大大降低路基在橫向方向上的沉陷變形，有效提高了路基的剛度和抗滲能力。

5 結論

采用試驗手段，對銀川至昆明公路(G85)太陽山開發區至彭陽(寧甘界)段水泥土擠密樁地基處理項目展開研究，得出以下結論:

(1)水泥土擠密樁對黃土地基的承載力改善具有十分顯著的作用，隨著樁數的增加，復合地基承載力特征值增加，相應地，群樁效應也隨著增加。

(2)不同深度處的濕陷變形速率曲線規律具有明顯的一致性，在浸水初期(3 d內)，土體呈現加速濕陷變形，而浸水3 d后，濕陷變形速率趨于不斷減小，在第20天停水時，濕陷變形速率又呈現不同程度的增加，并隨著停水時間的增長，變形逐漸趨于平穩和收斂。土體濕陷變形呈現時間早、速度快、變形量大的特點。

(3)在豎向方向上，地基加固范圍內變形較小，而水泥土擠密樁樁長以下地基變形則明顯增加；在水平方向上，加固區范圍內，地基沉陷量小且隨著與試坑距離的增加沉陷量逐漸減小，而在非加固區，地基沉陷量變化較大，最大值為5.7 mm，并隨著距離的增加而迅速減小。綜合表明，水泥土擠密樁對黃土地層的濕陷變形能夠起到良好的控制作用。