高路堤灰土擠密樁加固效果分析

董海洋

(山西交通控股集團有限公司運城南高速公路分公司 運城市 044000)

0 引言

高填方路堤自重大,地基加固處治不當或壓實質量不合理很容易出現不均勻沉降現象[1-2]。尤其是當地基為濕陷性黃土時,往往存在地基承載力不足等問題,必須采取措施進行有效加固,以提高地基承載力?；彝翑D密樁可有效消除黃土的濕陷性[3],提高地基的承載能力,減少工后沉降[4],且相較施工成本低,經濟性好。文章以高速公路濕陷性黃土地基高填方路堤施工為研究背景,根據施工現場地質情況制定灰土擠密樁加固方案,采用有限元進行數值模擬分析,并結合施工現場沉降監測結果進行分析,確定灰土擠密樁加固效果。

1 工程概況

某高速公路位于黃土高原,沿線地形起伏較大,最大高差達到102 m,沿線有多處高邊坡。高速公路設計全長57.06 km,其中路基長度約占總長度為59 %,屬于我國東西方向的主干道路之一。設計通車速度80 km/h,整體式路基設計寬度為24.5 m。受地形限制,沿線有多處高填深挖路段,其中高填方路基共計172 段。為提高地基承載力,沿線分別采用強夯法、碎石樁和灰土擠密樁多種方法進行加固處理。路堤最大填筑高度為38 m,路堤填料主要為施工沿線的粉質低液限黏土(黃土)。這類填料性質介于砂性土和粘性土之間,填料結構疏松,碾壓成型不佳,固結質量不高,且具有一定的濕陷性,成型后變形量大。用于高填方路堤填筑施工,壓實質量控制難度大,工后很容易出現不均勻沉降,導致路堤表面產生裂縫。因此,為提高路基整體穩定性,防止工后產生變形開裂,在施工期間采取措施進行加固,并在施工現場開展沉降監測。

2 灰土擠密樁加固設計方案與施工方案

2.1 灰土擠密樁加固設計方案

在K15+605～K16+605段建立試驗段,該路段高路堤最大填筑高度為19 m。根據施工現場壓實度檢測結果,采用粉質低液限黏土作為路堤填料壓實后路基壓實度偏低,部分路段壓實度達不到設計要求。分析壓實質量不合格的原因主要是由于填料密實度不足,承載能力低,且路基自重沉降時間較長,路堤結構穩定性較差。為提高路堤穩定性,防止路堤產生變形開裂,擬采用灰土擠密樁對高填方路堤進行加固處理,并在現場開展監測。為提高灰土擠密樁的強度,在灰土中摻入4 %(質量比)的水泥,以提高灰土早期強度。

(1)樁間距的設計

本項目灰土擠密樁布置采用正三角形布置,根據《濕陷性黃土地區建筑標準》(GB 50025—2018)中的相關規定,樁間距S按式(1)計算[5]。

(1)

式中:D表示擠密樁填料孔直徑,單位為m;ηc表示擠密系數;d表示鉆孔直徑,單位為m;ρdo表示地基擠密前各土層干密度平均值,單位為g/cm3;ρmax表示最大干密度,單位為g/cm3。

結合施工現場實際情況,綜合考慮確定ηc取值為0.9,D取0.48 m,d取0.4 m,經計算得出灰土擠密樁樁間距為1.4 m。

(2)樁長設計

灰土擠密樁設計樁長深入地基不小于1 m,樁長根據現場地質情況確定。根據試驗路段地質調查結果,確定最大樁長為20 m,最小樁長為14 m。

(3)孔位平面布置

灰土擠密樁自路基邊緣向路中心布置,路側樁距路基邊緣距離為1 m。如圖1所示,擠密樁采用正三角形布置,布置間距為1.4 m,布樁過程中注意避開涵洞等構造物的基礎。按照設計要求,加固后路基復合承載力不得低于200 kPa。

圖1 灰土擠密樁平面布置示意圖

(4)夯擊能

本項目灰土擠密樁施工采用桿狀尖錘,夯擊能在8000N·m以上。施工過程中單層填筑厚度為35 cm,單層夯擊擊數為6擊。

(5)樁身材料

灰土擠密樁樁身材料配合比為生石灰∶水泥∶土=9∶4∶87,最佳含水量為12.9%,高溫季節拌制混合料含水量略高于最佳含水量。所選生石灰質量等級為II級以上,水泥選擇R32.5普通硅酸鹽水泥,土為純凈黃土,有機質含量低于5%。夯實后選擇消石灰∶土=2∶8進行及時封孔,完工后采用動力觸探試驗檢測承載力。

2.2 灰土擠密樁加固施工方案

施工前選取試驗段,根據設計方案施作試樁,通過試樁確定填料厚度為34cm、夯擊數為6擊,最佳含水量為11.9%?；彝翑D密樁加固施工方案如下:根據設計圖紙進行施工放樣,確定施工范圍,平整場地,撒布石灰確定樁位。根據最佳含水量調整素土含水量,確?；彝梁刻幱谧罴押扛浇?。調整鉆桿垂直度,鉆孔速度先慢后快,成孔后緩慢拔桿防止塌孔。嚴格按照比例拌制灰土,將含水量控制在11.9 %附近。嚴格控制夯擊次數,夯擊完成后檢測壓實度。

3 高路堤灰土擠密加固效果數值模擬分析

3.1 模型建立

為研究本項目高路堤灰土擠密加固效果,對K15+605～K16+605段試驗段進行有限元模擬分析,通過數值模擬分析計算確定加固前后高路堤沉降量,模擬分析加固效果。假定試驗段路基不產生沉降變形,只計算高路堤自身的沉降。路堤最大填筑高度為20m,平均高度為19m,一級邊坡坡度為1∶1.5,高度為8m,二級邊坡坡度為1∶1.75,高度為12m,邊坡平臺寬度為2m。有限元模型邊界條件為:路堤底部左、右兩側邊界水平位移為0,底部邊界豎向位移為0。有限元模型如圖2所示。

圖2 高路堤有限元計算模型(單位:m)

3.2 計算參數

根據設計資料和現場工程地質調查結果,確定各分層計算參數如表1所示。

表1 高路堤各分層計算參數

3.3 數值模擬計算結果分析

利用變形有限元分析軟件,模擬高路堤逐級加載過程,分層填筑、分層壓實。隨著路堤各層填土的增加,逐級增加路堤計算模型的單元數量,逐級增加路堤自重荷載,對各單元的位移和應力增量進行計算。模擬路堤填土施工過程,每增加一層填土增加一次荷載,計算單次加載路堤位移和應力,依次疊加后確定累積位移和應力變化,直到填筑到路堤頂面。以路堤中心頂面為起始點,模擬不同壓實度路堤分層施工過程,分別對采用灰土擠密樁加固和未加固的路堤不同區間分層的壓縮量和累積沉降量進行模擬計算,計算結果如表2所示,繪制各區間分層壓縮量變化曲線如圖3所示。

表2 高路堤不同區間分層壓縮量與累積沉降量

圖3 不同壓實度路基頂面累積沉降變化曲線

分析表2數據和圖3曲線變化趨勢,隨著壓實度的增加,路堤各區間分層壓縮量隨之下降,且采用灰土擠密樁加固后壓縮量明顯下降,路堤頂面累積沉降量也隨壓實度增加而下降,且加固后沉降量明顯下降。路堤底層壓縮量大于上層壓縮量,這是受填土自重荷載影響造成的,加固前區間分層15～20m壓縮量最大值為11.8cm,加固后壓縮量最大值

為6.8cm,下降了5cm,壓縮量明顯下降。路堤頂面加固后最大累積沉降量僅為16.1cm,較加固前最大累積沉降量為27.7cm,均在壓實度為90%時出現,二者相差11.6cm,沉降量明顯下降,說明加固后路堤豎向變形得到了有效控制,路堤穩定性明顯提升。

4 高路堤現場沉降監測分析

4.1 沉降監測方案

4.1.1測點布設

為確定高路堤施工現場沉降情況,分別對采用灰土擠密樁加固路段、未加固路段布置測點開展監測。選取K15+605～K16+605試驗段作為研究對象,該路段最大填土高度為20 m。該路段基底采用碎石樁處理,路堤填料為素土,加固段采用灰土擠密樁加固。在路肩位置布置沉降標,測量地基沉降量,縱向布置4個測點,間距為5 m。沉降標采用鉆孔埋設,鉆孔后澆灌混凝土,埋入Φ75 PVC管,孔壁與PVC管填入水泥砂漿,管內埋設Φ40鋼管,沉降標布置如圖4所示。

圖4 沉降標構造示意圖(單位:m)

分別選取路基縱向30 m范圍開展路基頂面沉降,按照5 m×5 m網格布置地面標。其中測點一和測點四位于路肩位置,測點二和測點三位于行車道位置,地基沉降標位于路側,間距為5 m。地面標鉆孔孔徑為20 cm,深度為1.5 m,測樁選擇Φ16鋼筋,采用C25混凝土澆筑。

4.1.2監測方案

分別在觀測段附近布置水準點,每個測段水準點數量不得少于2個,水準點應布置在穩固的巖石上,防止施工過程中損壞。選用精密水準儀和錮鋼尺,采用二等水準測量方法進行高路堤沉降監測。在地基沉降標和地面標布置完成后即進行首次觀測,作為初始值,以后監測結果與其對比確定沉降量。路堤加固期間監測頻率為每3天1次,加固完成后監測頻率為每月1次。

4.2 高路堤現場沉降監測結果分析

4.2.1地基沉降監測結果分析

選取K15+605～K16+605試驗段三個地基沉降測點監測結果作為研究對象,在灰土擠密樁加固前、中、后對路堤開展沉降監測,整理監測結果繪制沉降變化曲線如圖5所示。

圖5 高路堤地基沉降變化曲線

分析三個測點沉降監測結果,得出在灰土擠密樁加固過程中路基沉降量增幅較小,雖然在施工過程中有小幅增長,但在加固后高路堤沉降逐步穩定,在監測219d后地基沉降逐步穩定。高路堤灰土擠密樁加固過程中路基沉降量變化幅度較小,最大值僅為6mm左右,且已基本達到穩定狀態,分析原因一方面是由于地基采用碎石樁進行加固處理,另一方面是在路堤填筑施工過程中地基沉降已基本完成。在灰土擠密樁施工過程中有小幅增長,增長幅度在1.1～2.0mm之間,完工后路基沉降增幅緩慢,且在監測完成后基本達到穩定狀態。

4.2.2地面沉降監測結果分析

施工前共布置了20個地面沉降標,由于在灰土擠密樁施工過程中部分沉降標破損嚴重,導致個別斷面監測數據丟失。選取監測數據完整的K15+820斷面作為研究對象,整理數據繪制路堤頂面沉降變化曲線如圖6所示。

圖6 K15+820斷面路堤頂面沉降變化曲線

分析圖6所示曲線變化趨勢,K15+820斷面各測點沉降曲線變化規律基本一致,加固前沉降速率較快,加固后沉降量增速略有波動,但總體呈現沉降速率不斷下降的趨勢,監測結束時曲線平直,沉降基本穩定。加固前,路堤頂面平均沉降速率為5.99 mm/月,分析原因是由于路堤填筑完工后沒有固結穩定,還處在變形階段;加固施工過程中平均沉降速率為9.33 mm/月,這是由于施工過程中的機械擾動造成沉降速率增加;加固后平均沉降速率僅為0.67 mm/月,說明加固后路堤沉降增幅明顯下降,路堤穩定性明顯提升。

5 結語

以高速公路高路堤施工為研究背景,根據設計文件和現場調查結果制定灰土擠密樁加固方案,采用有限元分析軟件進行數值模擬分析,并在施工現場開展沉降監測,分析確定加固效果。根據數值模擬分析結果,隨壓縮量增加各區間分層壓縮量隨之下降,且路堤底層壓縮量大于上層,加固后沉降量明顯下降,路基穩定性明顯提升?；彝翑D密樁施工過程中,高路堤地基沉降速率略有波動,但總體沉降量不大,這是由于地基采用碎石樁加固,且在高路堤填筑施工過程中沉降已基本完成。由于工后路堤沒有固結穩定,灰土擠密樁加固前路堤頂面沉降速率較高;受施工機械擾動影響,加固施工過程中沉降速率最高,為9.33mm/月;完工后沉降速率較小,且在完工后路基沉降基本穩定,說明采用灰土擠密樁加固后高路堤穩定性明顯提升,加固效果良好。