軟土地區(qū)公路路基工程中陀螺樁結(jié)合排水固結(jié)法施工技術(shù)研究

摘要 針對(duì)軟土地區(qū)公路路基工程中大沉降量及應(yīng)力分布問題，文章研究了陀螺樁結(jié)合排水固結(jié)法施工技術(shù)。該技術(shù)采用分層澆筑方式對(duì)陀螺樁樁身進(jìn)行澆筑，并在樁間填充碎石，搗固后焊接連接網(wǎng)，形成整體。通過聯(lián)合預(yù)壓加固施工，在正負(fù)壓耦合作用下加速軟基土體中水體排放，實(shí)現(xiàn)沉降量?jī)?nèi)部與外部變形的抵消，從而達(dá)到更好地加固效果。測(cè)試結(jié)果表明，該技術(shù)能夠有效減少地基沉降并改善應(yīng)力分布水平，使得沉降量在0.3 mm以內(nèi)，應(yīng)力值保持在3.5 kPa范圍內(nèi)。以上結(jié)果均說明，文章設(shè)計(jì)的陀螺樁結(jié)合排水固結(jié)法施工技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，可用于解決軟土地區(qū)路基工程中的施工難題。

關(guān)鍵詞 軟土地區(qū)；路基工程；陀螺樁；排水固結(jié)法

中圖分類號(hào) U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）02-0096-03

0 引言

在現(xiàn)代化社會(huì)飛速發(fā)展的背景下，軟土地區(qū)的公路路基工程建設(shè)項(xiàng)目呈現(xiàn)出多樣化的形式[1]。然而，軟土的低強(qiáng)度特性也給公路路基工程施工帶來了潛在的安全隱患。為了應(yīng)對(duì)這一問題，采用軟土加固方法顯得尤為重要。陀螺樁復(fù)合地基作為一種有效的加固手段，具備較大的擴(kuò)散角，能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力的均勻擴(kuò)散，提高承載力水平，進(jìn)而控制沉降范圍。在面對(duì)不均勻沉降現(xiàn)象時(shí)，陀螺樁的應(yīng)用還能減輕建筑荷載重量，防止不均勻沉降的發(fā)生。

此外，為了進(jìn)一步提高軟土地基的穩(wěn)定性，采用合理的排水通道設(shè)置以增加土體的固結(jié)程度顯得至關(guān)重要。這種措施有助于排出土體中的水分，增加土體的密實(shí)度，并提升整體穩(wěn)定性。同時(shí)，通過優(yōu)化路基維護(hù)措施和控制材料質(zhì)量，可以降低工程造價(jià)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

然而，目前常用的排水固結(jié)法存在施工周期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，這可能對(duì)路基施工質(zhì)量造成一定影響，并導(dǎo)致結(jié)果無法達(dá)到預(yù)期[2]。因此，針對(duì)軟土地區(qū)公路路基工程中的陀螺樁結(jié)合排水固結(jié)法施工技術(shù)進(jìn)行深入研究和分析顯得尤為重要。

1 工程概況

依托工程為某軟土地區(qū)公路路基工程的第5標(biāo)記段R匝道KG12+241～KG12+257陀螺樁試驗(yàn)段。根據(jù)勘測(cè)信息來看，上覆地層試驗(yàn)樁主要為單樁，土質(zhì)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，下層為素填土。試驗(yàn)段兩層軟土發(fā)育，一層厚度為3.5 m，側(cè)摩阻力為40 kPa。軟土層含腐殖質(zhì)，分布長(zhǎng)度范圍為250 m。

布置4×4根單層直徑為25 cm的陀螺樁基礎(chǔ)進(jìn)行有限元計(jì)算。在計(jì)算模型中需考慮土體的塑性特性，選擇彈塑性模型D-K模型對(duì)陀螺樁基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

2 陀螺樁結(jié)合排水固結(jié)法施工技術(shù)

2.1 陀螺樁設(shè)計(jì)制備

在試驗(yàn)段中進(jìn)行陀螺樁的預(yù)制工作，使用與樁型一致的胎具，確保陀螺樁的準(zhǔn)確性和一致性。陀螺樁采用C30混凝土進(jìn)行預(yù)制，確保樁身堅(jiān)固耐用[3]。在樁內(nèi)預(yù)先埋入接入筋，使樁靴與下部形成整體結(jié)構(gòu)，同時(shí)在上部鋪設(shè)0.5 mm厚墊層作為縱向排水通路，以確保排水效率。采用直徑5 cm的袋裝砂井進(jìn)行填充，平均處理深度為6 m。樁上圓板直徑為235 mm，樁腳高度為154 mm，樁身間補(bǔ)償3～30 mm大小的碎石，以增加樁身的穩(wěn)定性和承載能力。在陀螺樁中布設(shè)HB4d20鋼筋網(wǎng)，并使用不同方向上的帶肋鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)，提高樁身的抗震能力和承載性能。所有外露鋼筋需在表面涂瀝青，以進(jìn)行有效的防腐防銹處理，延長(zhǎng)陀螺樁的使用壽命。使用JIR5210普通硅酸鹽水泥和粒徑在30～50 mm的石灰?guī)r碎石進(jìn)行骨料選擇。攪拌用水應(yīng)為對(duì)陀螺樁混凝土無害的水質(zhì)，確保混凝土的質(zhì)量和強(qiáng)度。使用RB40級(jí)、直徑為13 mm鋼筋作為接入筋，呈倒三角形布置，間距為2 m，以增強(qiáng)陀螺樁的連接性能。同時(shí)，采用塑料材質(zhì)的樁靴，使陀螺樁混凝土塊能夠保持良好的特性，并確保與土體的有效接觸。

陀螺樁塊應(yīng)在金屬模板內(nèi)成型，使接入筋和樁靴形成整體結(jié)構(gòu)。安裝后需仔細(xì)進(jìn)行固定，確保陀螺樁的穩(wěn)定性和垂直度。在制備過程中，需注入混凝土漿液，并使用振動(dòng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)注入，確保混凝土的密實(shí)性和均勻性。定期進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，保持適宜的濕度環(huán)境，促進(jìn)混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展。在填土過程中，采用薄層加載的方式進(jìn)行填土，填土高度應(yīng)確定在2.4 m。填土速度控制在32 cm/d，以確保填土過程中對(duì)陀螺樁的影響最小化。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)地表土體的觀測(cè)，及時(shí)調(diào)整樁角位移至3 mm以內(nèi)，保證陀螺樁的穩(wěn)定性和施工安全性。

2.2 陀螺樁施工

將預(yù)制好的陀螺樁應(yīng)用于軟土地區(qū)公路路基工程施工中，采用塑料固結(jié)模板進(jìn)行整體澆筑，內(nèi)部預(yù)埋37號(hào)螺紋鋼管，確保其直徑為12 m。在澆筑過程中，采用分層澆筑方式，首層使用R1型振搗棒對(duì)樁腳進(jìn)行振搗，嚴(yán)格控制接入筋位置；第二層澆筑至陀螺樁頂面[4]。在袋裝砂井處理后的墊層中布置陀螺樁，檢查墊層厚度，計(jì)算壓實(shí)度，并進(jìn)行抹平處理。待平整后，將樁腳插入鋼筋圍成的方形區(qū)域，其余部分填充碎石，確保密實(shí)度達(dá)97%。壓實(shí)過程中，需用力踩壓碎石并用振搗棒搗固，直至表面無凹陷。填充后，碎石平面與樁體表面應(yīng)達(dá)到水平線，陀螺樁鋪設(shè)邊緣整齊無破損，樁身不得有裂縫。若存在傾斜，需控制傾斜范圍在2%以內(nèi)[5]。在已壓實(shí)的路基上，使用螺旋鉆鉆出樁靴導(dǎo)孔，鋪設(shè)陀螺樁混凝土塊，填充部分碎石，再焊接一層保護(hù)網(wǎng)，使所有樁塊形成整體。在保持樁塊強(qiáng)度和鋼筋骨架完整的前提下，對(duì)切邊的樁塊進(jìn)行適當(dāng)切塊處理[6]。整個(gè)施工過程需嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致，確保施工質(zhì)量及安全。

2.3 聯(lián)合法排水加固特性分析

應(yīng)用陀螺樁結(jié)合排水固結(jié)法進(jìn)行聯(lián)合預(yù)壓加固施工[7]，軟基施工過程如圖1所示。

在真空負(fù)壓與土體正壓的聯(lián)合作用下，軟基土體中的水體加速排放，水壓力消散能力得以增強(qiáng)。這種聯(lián)合加固方式在預(yù)壓處理中表現(xiàn)出色，實(shí)現(xiàn)了良好的處理效果。在軟基加固過程中，根據(jù)應(yīng)力變化，土體在相同真空荷載作用下呈現(xiàn)等向固結(jié)特性，而較深層土體則表現(xiàn)為一層固結(jié)。當(dāng)真空荷載超過土體自身土壓力時(shí)，加固部分產(chǎn)生位移，引發(fā)土體內(nèi)部形變，進(jìn)而導(dǎo)致地基土體沉降。地基土體形變而產(chǎn)生的沉降量的計(jì)算公式為：

（1）

式中，p——水位深度；c——土體的有效黏力；k——土體的土壓力系數(shù)；a——土體重度。在真空作用帶中，對(duì)路基土體位移值進(jìn)行精確計(jì)算。根據(jù)所得的位移值，可以判斷地基土體的變形程度。再運(yùn)用陀螺樁聯(lián)合方式對(duì)軟土地基進(jìn)行針對(duì)性處理，有效抵消內(nèi)部與外部變形，避免單一預(yù)壓對(duì)土體變形的不利影響。通過這一綜合方法，可實(shí)現(xiàn)更佳的加固效果，提升軟土地區(qū)公路路基工程的穩(wěn)定性與安全性。

3 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證該文施工方法的應(yīng)用性，在不同荷載條件下運(yùn)用有限元模型計(jì)算陀螺樁沉降量結(jié)果，在相同荷載的條件下計(jì)算土體應(yīng)力。預(yù)期當(dāng)沉降量結(jié)果為0～0.35 mm，不同深度產(chǎn)生的應(yīng)力值在0～3.5 kPa的范圍內(nèi)時(shí)為施工優(yōu)化目標(biāo)。為此針對(duì)該文提出的陀螺樁基礎(chǔ)進(jìn)行4次測(cè)試分析施工效果。

采用高精度參數(shù)單元對(duì)陀螺樁進(jìn)行離散，為了使得計(jì)算結(jié)果更加精確需要在模型中對(duì)局部進(jìn)行網(wǎng)格化。在實(shí)驗(yàn)過程中需要逐級(jí)施加荷載，在陀螺樁基礎(chǔ)上長(zhǎng)期保持荷載直到觀測(cè)結(jié)束。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，運(yùn)用上述模型進(jìn)行計(jì)算，模型的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

在有限元模型中，根據(jù)實(shí)際工程問題計(jì)算單元中的應(yīng)力的公式為：

{R}=[T]{α}e （2）

式中，[T]——應(yīng)變矩陣；α——應(yīng)力參數(shù)。運(yùn)用有限元進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算與分析，能夠精確確定結(jié)構(gòu)變形程度與內(nèi)力分布。

針對(duì)陀螺樁的應(yīng)力應(yīng)變特性，運(yùn)用有限元數(shù)學(xué)模型，分別對(duì)不同荷載的陀螺樁基礎(chǔ)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，得到陀螺樁基礎(chǔ)在不同荷載中的沉降特征。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，得到4個(gè)小組在不同荷載作用下的沉降量結(jié)果，如圖2所示。

由測(cè)試結(jié)果可以看出，在陀螺樁基礎(chǔ)形式下，隨著荷載值不斷變化，4個(gè)小組的沉降量結(jié)果均在0.3 mm以內(nèi)。在同等控制條件下，陀螺樁基礎(chǔ)的最大承載力為0.064 MPa，是未處理地基的2倍。說明選擇陀螺樁基礎(chǔ)排水施工的方法能有效減少地基沉降，達(dá)到明顯的抑制效果。根據(jù)上述分析，陀螺樁基礎(chǔ)在抑制沉降過程中，能夠提升地基承載力水平，使得加固效果更加明顯。但是在特殊結(jié)構(gòu)中需要計(jì)算在一定荷載下土體應(yīng)力程度來驗(yàn)證陀螺樁基礎(chǔ)的應(yīng)用性。

所以，在有限元模型中，通過計(jì)算陀螺樁基礎(chǔ)的應(yīng)力分布，在荷載為0.02 MPa時(shí)，得到地基邊緣以下土體的應(yīng)力值結(jié)果如表2所示。

由表中數(shù)據(jù)可以看出，4個(gè)小組在荷載條件相同的情況下，不同深度產(chǎn)生的應(yīng)力值均較小，始終保持在3.5 kPa以內(nèi)。說明運(yùn)用該文施工方法能夠有效抑制地基沉降，土體應(yīng)力分布較廣且能夠均勻地將上部荷載傳遞到下層土體中。同時(shí)，在邊緣位置處的土體也能夠保持應(yīng)力不發(fā)生較大改變，使得陀螺樁施工后應(yīng)力均勻分布水平得到改善。

綜上所述，運(yùn)用該文施工方法能夠有效抑制地基沉降，使得地基承載力水平得到提升。同時(shí)，在相同荷載和不同荷載的條件下，都具有較小的沉降量，應(yīng)力分布較為均勻。路基在受到陀螺樁約束后，其地基的位移量也較原有的監(jiān)測(cè)路段位移小，能夠滿足在不同地質(zhì)條件下的高效施工要求。

4 結(jié)束語

該文通過對(duì)軟土地區(qū)公路路基工程中陀螺樁結(jié)合排水固結(jié)法施工技術(shù)的深入研究，提供了一種有效的解決方案，以提高地基承載力和工程安全性。首先，該文介紹了工程概況，為后續(xù)分析提供了背景和基礎(chǔ)。然后，詳細(xì)闡述了陀螺樁結(jié)合排水固結(jié)法施工技術(shù)，包括陀螺樁的設(shè)計(jì)制備、施工過程以及聯(lián)合法排水加固特性分析，為該方法的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。該文施工技術(shù)有效地提高了地基承載力，同時(shí)縮短了工期，在降低施工難度的基礎(chǔ)上，提高了整個(gè)工程的安全性。在今后的研究中，還應(yīng)在軟土地基中設(shè)置排水通道，實(shí)施排水固結(jié)法使地基能夠進(jìn)行排水固結(jié)，保證地基的穩(wěn)定。

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收稿日期：2023-11-27

作者簡(jiǎn)介：任延婷（1976—），女，本科，高級(jí)工程師，研究方向：交通工程。