擠密樁處理濕陷性黃土路基的效果研究

劉文武

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016)

1 引言

天然濕度下的濕陷性黃土具有壓縮性低、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，但濕陷性黃土在浸水后強(qiáng)度會顯著降低，并迅速發(fā)生較大變形。因此，黃土遇水而敏感的特性對黃土地區(qū)鐵路建設(shè)和運(yùn)營造成不利影響，容易引起鐵路的不均勻沉降、變形過大和地面開裂，大大縮短了鐵路的服役周期。

隨著黃土地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，越來越多的科研工作者對濕陷性黃土問題開展了一系列的研究，并取得了豐碩成果。葛苗苗等[1]基于室內(nèi)試驗(yàn)，從黃土微觀結(jié)構(gòu)分析造成其失陷的因素與機(jī)理。周鳳璽等[2]基于某黃土鐵路，揭示了該地區(qū)黃土濕陷特性和路基滲透變化規(guī)律，為黃土地區(qū)相關(guān)工程提供了豐富經(jīng)驗(yàn)。史寶東等[3]通過室內(nèi)試驗(yàn)對黃土濕陷性進(jìn)行研究，分析了黃土孔隙比、含水率、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等敏感因素的影響規(guī)律，并獲得黃土濕陷系數(shù)與含水率、孔隙比等之間的關(guān)系。郭楠等[4]采用試驗(yàn)手段，研究了在吸力相同的條件下，重塑黃土的濕化變形規(guī)律，進(jìn)一步深入探討了微觀結(jié)構(gòu)。另一部分學(xué)者對濕陷黃土的處理問題進(jìn)行研究。羅小博等[5]以西北濕陷性黃土區(qū)某實(shí)際工程為例，對該工程的濕陷性黃土開展劈裂注漿試驗(yàn)，以獲得黃土的物理力學(xué)特征。單超等[6]對灰土擠密樁處理濕陷性黃土施工工藝進(jìn)行研究，并通過現(xiàn)場施工完善了施工工藝。趙治海等[7]通過試驗(yàn)方法，分析濕陷性黃土場地孔內(nèi)深層超強(qiáng)夯擠密樁的加密機(jī)理，并提出提升治理效果的建議。賈雷宏、江來云、劉海鵬等[8－12]通過理論分析、數(shù)值模擬等方法對濕陷性黃土的處理問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

本文依托蘭州樞紐濕陷性黃土路基工程，利用有限元軟件建立三維數(shù)值模型，對擠密樁處理濕陷性黃土路基問題進(jìn)行研究，系統(tǒng)模擬不同樁徑下擠密樁施工過程，并獲得該過程中地基的位移和應(yīng)力結(jié)果。

2 工程概況

蘭州樞紐濕陷性黃土路基工程主要地處河谷區(qū)域，地區(qū)黃土分布較完整，且土體厚度起伏較大。該路基工程所處地層為第四紀(jì)更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，黃土主要有硬塑、針孔發(fā)育等特點(diǎn)，尤其是其特有的濕陷性，導(dǎo)致地質(zhì)條件不佳。通過對路基工程中處理濕陷性黃土的換填、翻壓、灰土擠密樁等技術(shù)進(jìn)行綜合比較，最終蘭州樞紐黃土路基工程選擇了灰土擠密樁處理濕陷性黃土。

3 三維數(shù)值模型

3.1 計算模型建立

建立長15 m、寬15 m、高10 m的三維數(shù)值模型。將地層分為兩層，上層為0.5 m厚的黏土，下層為9.5 m厚的濕陷性黃土。模型一共46 858個單元、47 569個節(jié)點(diǎn)。模型底部和四周邊界條件為完全固定，頂部邊界條件為自由。

為研究不同樁徑的影響，建立4種樁徑模型，分別為0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m，樁長取5 m。

3.2 計算參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場地勘報告，土層的物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。巖土體模型采用摩爾－庫倫本構(gòu)模型，用實(shí)體單元模擬。

表1 土層參數(shù)

4 數(shù)值計算結(jié)果分析

圖1為4種樁徑下監(jiān)測斷面的徑向位移曲線。從圖1可以看出，樁徑對擠密樁周邊土體徑向位移和擠密范圍都有顯著影響，徑向位移和擠密范圍均隨著樁徑增加而逐漸增大。

圖1 不同樁徑下監(jiān)測斷面徑向位移曲線

為更好地分析擠密樁的擠密效果，將受擠密樁影響的周邊土體分為充分?jǐn)D密區(qū)、有效擠密區(qū)、擠密影響區(qū)和非擠密影響區(qū)，如圖2所示。

圖2 擠密樁影響分區(qū)

根據(jù)圖1計算結(jié)果，不同樁徑下的影響范圍列于表2。灰土擠密樁的影響范圍可以歸納如下:充分?jǐn)D密區(qū)為0～0.8 D，有效擠密區(qū)為0.8～2 D，擠密影響區(qū)為2～3.5 D，非擠密影響區(qū)為>3.5 D(D為擠密樁直徑，下同)。

表2 不同樁徑下的影響范圍

圖3為不同樁徑下擠密范圍隨深度變化曲線。從圖3可以看出，擠密樁擠密范圍隨著深度增加逐漸增大，在深度為4 m(距樁頂0.8倍樁長)處擠密范圍達(dá)到峰值。擠密樁樁徑對擠密影響區(qū)影響顯著，擠密樁直徑從0.3 m增大至0.4 m時，擠密影響區(qū)顯著擴(kuò)大，但隨著擠密樁直徑的進(jìn)一步增大，對擠密影響區(qū)的影響逐漸縮減。因此，該工程最經(jīng)濟(jì)、合理的擠密樁直徑為0.4 m。

圖4為不同樁徑下樁周土體豎向位移曲線。從圖4可以看出，擠密樁周邊土體會發(fā)生隆起。當(dāng)擠密樁直徑為0.3 m時，隨著監(jiān)測點(diǎn)遠(yuǎn)離樁邊，土體豎向位移先增大，在距離樁邊約0.2 m(0.7 D)處豎向位移達(dá)到峰值，隨后繼續(xù)減小直至為零。豎向位移隨著深度逐漸減小，當(dāng)深度約為2 m(0.4倍樁長)時土體幾乎無豎向位移，隨后豎向位移繼續(xù)增大。當(dāng)擠密樁直徑分別為0.4 m、0.5 m和0.6 m時，最大豎向位移發(fā)生的位置距樁邊分別為1 D、0.8 D和0.75 D，且同樣當(dāng)深度約為2 m(0.4倍樁長)時土體幾乎無豎向位移。

圖4 不同樁徑下樁周土體豎向位移曲線

5 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

對樁號為K2＋641的斷面進(jìn)行監(jiān)測，該斷面路堤高5 m，將剖面沉降管埋置于路堤基底處，沉降管長度為35 m。同時在路堤兩側(cè)路肩、路基中心線處及兩側(cè)道路的中間線分別埋設(shè)水分傳感器，并在沉降管兩邊布設(shè)立方體觀測井，該井邊長為1 m，用于保護(hù)和監(jiān)測設(shè)備。

圖5a為不同監(jiān)測時期K2＋641斷面的沉降曲線。從圖5可以看出，沉降管埋設(shè)后，第一次監(jiān)測結(jié)果顯示斷面各處都產(chǎn)生了沉降，在路基中心偏右側(cè)位置沉降達(dá)到峰值，沉降峰值約205 mm。在施工路基過程中，路基兩側(cè)沉降有較為明顯的差異，這是因?yàn)槁坊覀?cè)在施工時被用作施工便道。此外，該范圍內(nèi)排水較好導(dǎo)致含水率低，因而導(dǎo)致路基發(fā)生較小沉降。

圖5 K2＋641斷面沉降監(jiān)測結(jié)果

圖5b為不同測點(diǎn)的沉降值隨監(jiān)測日期的變化曲線。沉降觀測點(diǎn)2號、7號、13號、18號和24號的最終沉降值分別為130 mm、191 mm、195 mm、215 mm、142 mm。從圖中可以看出，不同沉降觀測點(diǎn)沉降值隨監(jiān)測日期的變化規(guī)律大體一致，可以分為如下幾個階段:第一階段從2016年8月25日至2016年9月1日，該時期為路基沉降顯著增大階段；第二階段從2016年9月1日至2016年11月2日，該階段路基沉降增長速率降低；第三階段從2016年11月2日至2017年7月14日，該階段路基沉降增長速率進(jìn)一步降低；第四階段從2017年7月14日至監(jiān)測結(jié)束，該階段路基沉降逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6a為K2＋641斷面各層路基每天沉降量變化曲線。可以看出，K2＋641斷面各層路基每天的沉降值有差異，首層路基和中間層路基沉降值幾乎不隨時間變化，底層路基每天沉降值隨時間有一定變化，最大沉降為1.3 mm。該時期路基已施工完畢，從圖中也可以看出，灰土擠密樁處理該濕陷性黃土路基效果顯著。

圖6 各層路基沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖6b為K2＋641斷面各層路基累計沉降量變化曲線。可以看出，截止到2017年11月24日，首層路基累計沉降值在3 mm左右，累計沉降曲線呈緩慢增長趨勢；中間層路基累計沉降變化趨于穩(wěn)定，累計沉降不超過1 mm；底層路基累計沉降曲線呈現(xiàn)波動增大的趨勢，累計沉降最終值在5 mm左右。綜上，路基整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但不同深度路基依然發(fā)生沉降，因此仍需對路基開展持續(xù)監(jiān)測，以保證路基安全。

6 結(jié)論

本文依托蘭州樞紐濕陷性黃土路基工程背景，建立三維有限元模型，模擬擠密樁擠密過程。以變形和應(yīng)力為指標(biāo)，分析了樁徑對擠密效果的影響。主要得到以下結(jié)論:

(1)擠密樁樁徑對擠密樁周邊土體位移和擠密范圍都有顯著影響。灰土擠密樁的影響范圍可以歸納如下:充分?jǐn)D密區(qū)為0～0.8 D，有效擠密區(qū)為0.8～2 D，擠密影響區(qū)為2～3.5 D，非擠密影響區(qū)大于3.5 D。

(2)擠密樁擠密范圍隨著深度增加逐漸增大，在深度為4 m(距樁頂0.8倍樁長)處擠密范圍達(dá)到峰值。一定范圍內(nèi)增大擠密樁直徑能顯著擴(kuò)大擠密影響區(qū)，該工程最經(jīng)濟(jì)、合理的擠密樁直徑為0.4 m。

(3)樁周土體豎向位移隨著距樁邊距離的增大先迅速增大隨后逐漸減小直至為0，在距離樁邊約0.7～1.0 D處，豎向位移達(dá)到峰值。豎向位移隨著深度增加逐漸減小，當(dāng)深度約為2 m(0.4倍樁長)時土體幾乎無豎向位移，隨后豎向位移繼續(xù)增大。

(4)首層路堤沉降小于底層路堤沉降，且路堤各層沉降均很小，路堤施工完畢后路基整體累計沉降量不超過5 mm，滿足?建筑地基處理技術(shù)規(guī)范?(JGJ 79—2012)要求，可見路基整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明灰土擠密樁處理該區(qū)域濕陷性黃土路基的效果良好。