水泥土桩联合土工格栅在沟谷软基处理中的应用.doc

水泥土桩联合土工格栅在沟谷软基处理中的应用许洪亮 周志华 熊震宙(江西省交通设计院 南昌 330002)摘 要：根据水泥土夯实桩和土工格栅各自特点，考虑山区的特殊地质、施工条件等因素，通过综合分析而提出的水泥土桩联合土工格栅复合地基处理山区高速公路沟谷软基的技术。关键词：道路工程；水泥土夯实桩；土工格栅；联合；复合地基；沟谷软基130 前 言 山区沟谷软基在我国分布比较广泛，由于其特有的地形，常年排水不畅，积水，容易形成类似沼泽的生态环境，其土性则类似于淤泥，泥炭土等，具有高压缩性，高液限，低承载力的特点，又受到山区地质、气候、施工条件等各种因素的影响。随着我国高速公路建设，越来越多高速公路进入山区，耗费在软基处理中的工程费用非常惊人，因此提出一种经济、适用的软基处理技术有其必要性、紧迫性。根据水泥土夯实桩和土工格栅各自在软基处理中的特点，发挥两者的长处，通过综合分析而提出了水泥土桩联合土工格栅复合地基处理山区高速公路沟谷软基的技术。赣州至定南高速公路K126+000-K126+845路基处于常年沼泽地带，本段软基经采用水泥土桩联合土工格栅加固处理后，实践证明，该技术处理软基效果良好，经济效益显著。1 工程地质概况该段软土路基处于常年沼泽地带，两侧平行路轴狭长的山脊，路线位于靠右侧山体坡脚，两侧山坡较陡，地形起伏较大，向广东方向缓缓升高。软基平均深度达6m，处理宽度20m-50m，最宽处位于K126+50-K126+380段，达70m-120m。工程地质勘察表明：本段路基地层分为上覆第四系冲洪积和残积土层及下覆寒武系板岩两大岩别，具体描述见表1；室内土工实验资料见表2：表1 工程地质描述地质名称层厚(m)地质描述第一层素填土0.5-1.5厚度小,承载力低第二层淤泥(质)土2.8-5.7呈软流塑状,承载力低,不能作为天然地基基础持力层,需处理加固第三层碎石土0.5-2.7呈松散状,层位不稳定,变化大,强度低,不宜直接作路基基础持力层第四层亚粘土1.3-4.6层位较稳定,厚度较大,呈硬塑状态,强度较高,工程力学性能较好,可作为路基持力层第五层强风化板岩分布稳定,厚度较大,承载力高,可作为基础持力层表2 原状土物理力学指标表土样编号取样深度含水量湿密度干密度孔隙比饱和度液限塑限塑性指数液性指数压缩系数压缩模量固结快剪土的分类名称试验号送样号凝聚力内摩擦角（m）w0deSrWLWPIpILavEsC(%)(g/cm3)(g/cm3)-(%)(%)(%)-(MPa)(MPa)(KPa)( O )T0158BK1-12.30-2.5049.21.741.171.29810045.32817.31.230.822.5818.610.2淤泥质土T0159BK1-26.20-6.4017.42.061.750.53987.227.518.49.100.226.841.227.6亚粘土T0160BK2-11.80-2.0053.81.711.111.37410042.824.718.11.610.92.4120.18.49淤泥质土T0161BK2-28.80-9.0026.71.931.520.77992.935.222.812.40.310.354.939.720.6亚粘土T0162BK3-11.80-2.0047.91.761.191.23510042.12517.11.340.82.5620.112.7淤泥质土T0163BK3-23.30-3.5033.61.861.390.93495.837.524.113.40.710.483.939.618.2亚粘土T0164BK4-12.10-2.3062.91.681.031.5610046.527.818.71.881.191.9214.58.47淤泥T0165BK4-25.80-6.0074.91.60.911.86410051.731.620.12.151.621.5416.36.26淤泥T0166BK4-37.80-8.0020.41.981.640.64285.832.721.311.400.236.9642.124.7亚粘土T0167BK5-12.30-2.5056.91.671.061.46210046.42917.41.61.241.7615.67.67淤泥质土T0168BK5-24.00-4.2077.81.620.911.86510052.231.820.42.251.521.66147.69淤泥T0169BK5-38.00-8.2018.72.031.710.5986.133.220.812.400.188.6662.430.9亚粘土1.压缩试验压缩系数所处的压力段为100-200kPa； 2.抗剪强度指标均为固结快剪； 3.界限含水量采用液塑限联合测定法测定2 处理方案确定从上述的路基地质资料及室内土工试验资料可以看出，本段路基属于软弱地基，尤其是其中的淤泥或淤泥质土层，土质条件差，属于高液限高缩性收稿日期：2005-03-11土，承载力很低，抗剪切能力较差，必须进行软基处理。由于淤泥层的厚度及下卧层土性，结合水泥土夯实桩和土工格栅各自在软基处理中的特点。本项工程决定采用水泥土夯实桩联合土工格栅加固路基的方案，以提高地基的承载力，淤泥层以下土层作为持力层。2.1设计方案水泥土夯实桩桩径为350mm，正四边形布置，间距为0.9m，配合比为水泥：土料=1：6，桩长6m-7m。水泥桩上覆0.3m褥垫层，其上再铺设一层土工格栅，从而形成水泥土夯实桩与格栅联合加固的复合地基（具体布置见图1、图2）。图1平面布置形式 单位:m图2立面布置形式 单位:m3 水泥土夯实桩与土工格栅联合加固软基的机理3.1水泥土夯实桩的作用机理 水泥土夯实桩地基处理是近年来开发的地基处理新技术，它是采用工程用涂料和水泥拌和形成的混合料，通过各种机械成孔方法在土中成孔并填入混合料夯实，形成桩体。由于水泥与土之间产生一系列的物理化学反应，加之夯实所形成的高密度，使桩体具有一定的强度，桩周土性得到部分改善，并将桩间土挤密，形成地基承载力高、变形小的复合地基。对于沟谷软土地基，由于常年积水，土性类似于淤泥、泥炭土等，具有高压缩性，高液限，低承载力的特点。虽然采用常规的处理方法如换填土能使地基承载力达到要求，但是考虑到施工场地是山区沟谷，交通不便，不适宜大规模的原材料运输和淤泥的处置。因此换填土这种做法将耗费大量的人力物力，导致施工效率低下，建设成本提高。施工周期短，工程造价低是工程建设中需着重考虑的方面。而对于水泥土夯实桩来说，它具有以下适合沟谷软基的技术特点：3.1.1造价低 水泥土夯实桩的混合料采用就地取材，大量节约资源。而且选用原位土可以避免弃土外运，降低工程造价。3.1.2材料 针对拟加固土质和目的，可以自由选择加固材料，能适用于多种土质。3.1.3进度快 水泥土桩施工速度快，尤其是人工成孔的水泥土夯实桩，施工速度非常快，能够显著加快施工进度，缩短工期。3.2土工格栅加固软基的机理 工程实践的研究表明，加筋可以明显地提高土体的承载能力。将土工格栅用于处理软土地基，是通过格栅将上部填料的垂直变形向水平方向扩散，使上部填料的抗剪变形能力得以充分发挥，从而使软土地基表面的承载区大大增加，表面压强相应减小，从而提高其承载能力。同时由于土工格栅纵横相连，能防止填料的局部下陷，最大程度地减少地基的不均匀沉降。3.3水泥土夯实桩与土工格栅联合加固软基的作用机理 对于山区沟谷软基的复杂多变性，单纯用水泥土夯实桩来处理，效果不一定很好，因此结合到土工格栅在加固软基中的作用，将复合地基技术加以改进，应用水泥土夯实桩等群桩加固软土地基以保证路基的稳定性和防止不均匀沉降的同时，为了使路堤的填土荷载均匀的作用于桩顶及桩间土上，在桩顶上铺设一加筋垫层，形成平铺加筋群桩复合地基，通过约束软土的侧向变形，改善软基上部的位移和应力场，发挥桩和土的共同作用，提高软土地基的承载力和稳定性，减小不均匀沉降。4 计算理论4.1水泥土夯实桩复合地基承载力特征值初步设计估算公式：fspk=mRa/Ap +(1-m)fsk (1)基本参数：fspk 复合地基承载力特征值（kPa）;m 面积置换率；Ra夯实桩水泥土单桩竖向承载力特征值（kN）Ap 夯实桩水泥土单桩截面面积（m2）桩间土折减系数，按地区经验值取值，如无经验可取=0.75-0.95，天然地基承载力较大时取大值；fsk 处理后桩间土承载力特征值（kPa）,宜按当地经验取值，如无经验值，可取天然地基承载力特征值。4.2单桩竖向承载力特征值Ra Ra=( up qsikli +qpkAp)/K (2)基本参数：up 桩周长（m）qsik第i层土中与土性和施工工艺有关的极限侧阻力标准值，可按JGJ94-94表5.2.8-1查取；li 第i层土厚度（m）；qpk与土性和施工工艺有关的极限端阻力标准值，可按JGJ94-94表5.2.8-2查取；K安全系数，取2.0。4.3桩体试块抗压强度平均值应满足下式要求： fcu3Ra/Ap (3)基本参数：fcu桩体混合料试块（边长150mm立方体）标准养护28d立方体抗压强度平均值（kPa）。4.4计算思路与结果4.4.1对联合加固路基的方案，首先用水泥土夯实单独作用的情况计算，再考虑土工格栅的作用；4.4.2根据式（2），得到夯实水泥土单桩的承载力标准值为180kN；4.4.3面积置换率m=0.12, =0.85，fsk=65kPa。按式（1）计算得复合地基承载力特征值fspk=219 kPa；4.4.4根据工程经验，考虑土中加筋对应力的消散作用，取系数为1.05，得到水泥土夯实桩与格栅联合加固的复合地基的承载力为230 kPa。4.4.5地基承载力特征值为230kPa,满足山区沟谷软基的处理要求。5 施工工艺5.1水泥土夯实桩施工工艺流程5.1.1工艺流程图3 工艺流程5.1.2设备材料主要设备：机械洛阳铲，主要由以下部分组成：三角支架；卷扬机；取土器；夯锤；手推车；铁杆；锚杆。材料：红土；水泥。配比为水泥：土=1：6。5.1.3现场操作5.1.3.1机动洛阳铲开孔 机动洛阳铲适用于水量丰富，流水量大。当取土困难时，在洛阳铲下端绑上水泥袋以增加软土与洛阳铲的摩擦力便于取土。5.1.3.2当桩孔底落在亚粘土层时，表明已到达涉及持力层可进行验孔。5.1.3.3孔深检查 用一直径6cm-8cm的钢管紧贴孔壁方可入孔底。在孔口处的钢管做记号，用钢卷尺测出孔深数据现场作的记录。5.1.3.4孔口拌和桩料 桩料按水泥：土=1：6的配比进行人工拌和。一次拌和用料水泥为50kg，路基填料土300kg,拌和次数不少于3遍，拌好的水泥土在4h内用完。5.1.3.5填料分层装填 待填料分层拌和时为向孔内下料，一次下料厚度不得超过40cm,施工中通过桩下料前后测得的高差总结出装料规律，在保证夯实质量的前提下加快作业速度。5.1.3.6机械分层夯实 每进一次下料后，卷扬机安装夯锤进行一次夯击，夯击次数不小于6击，根据声音可判断是否夯实，直至装填到桩顶。5.2土工格栅施工工艺流程继续填土地面整平碾压匍设土工格栅土工格栅铺垫层适当碾压图4 注意事项：垫层材料应级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质。垫层铺设时应压密，采用的施工方法应严禁使基底土层扰动。土工格栅在地表纵向铺设，端头注意预留一定长度准备回包。两幅土工格栅之间搭接15cm,进行缝接。6 施工质量及加固效果检测为了检测水泥土夯实桩联合土工格栅复合地基的加固处理效果，可以采用钻探原位测试、标准贯入、取芯化验与静载荷试验相配合来进行检测。6.1施工质量检测施工过程中，应对夯实桩的成桩质量及时抽样检验，数量不少于总桩数的2%。同时还需检查桩的的干密度和施工记录。干密度的检验方法可采用取土样或采用轻型动力触击数N10与现场试验确定的干密度进行对比以检测桩身质量。6.2竣工验收承载力检验竣工验收应采用单桩复合地基载荷试验进行检验，数量为总桩数的0.5%-1%，且每个单体工程不应少于3点。对重要或大型工程，应进行多桩复合地基载荷试验。表3 水泥土桩标贯、抗压强度统计成果表桩 长 m标贯深度（m）标贯 击数击抗压 强度MPa统计项目个 数 n最 大 值 击最 小 值击平 均 值击标准差 f变异系数修正系数rs特 征值击5.91.15-1.45120.8标贯8139111.309 0.1190.9210.126.31.65-1.95100.46.71.15-1.4591.96.21.45-1.75101.7抗压强度61.90.41.080.590 0.5475.51.05-1.35120.75.80.55-0.851116.90.85-1.151170.75-1.0513表4 静荷试验结果汇总表序号检测名称检测点号桩长或处理深度（m）成桩时间或成型日期检测日前最大试验荷载(kN)沉降（mm）特征值或单桩极限值1有黄土垫层无格栅1#6.00 03.6.2503.7.1740017.2281kpa2有黄土垫层无格栅2.#6.00 03.6.2503.7.1740019.42256kpa*3有黄土垫层无格栅3#6.00 03.6.2503.7.1970017.8511kpa4有砂砾垫层无格栅4#6.00 03.6.2603.7.2240011.6366kpa5有砂砾垫层无格栅5#6.00 03.6.2603.7.2240016.77271kpa*6有砂砾垫层无格栅6#6.00 03.6.2603.7.2240020.44515kpa7有黄土垫层有格栅7#6.00 03.6.2503.7.2380013.18335kpa8有黄土垫层有格栅8#6.00 03.6.2503.7.2340015.47308kpa*9有黄土垫层有格栅9#6.00 03.6.2503.7.2380020.15536kpa10水泥土单桩复合地基10#4.00 03.6.1003.7.184009.51362kpa*11水泥土单桩复合地基11#4.00 03.6.1003.7.2170014.61575kpa12水泥土单桩12#4.00 03.6.1003.7.18908.1490kN带*的试验点为极限载荷（破坏性）试验从标贯试验、抗压强度成果表、静荷试验汇总表可以得出结论，经水泥土桩进行软基处理，其复合地基承载力提高效果是显著的。7 水泥土夯实桩与土工格栅联合处理沟谷软基的特点与其它形式的复合地基相比，水泥土夯实桩联合土工格栅复合地基具有以下特点：7.1载荷传递能力增强通过有关有限元数值分析，由于土工格栅垫层的在，使得水泥土夯实桩传递荷载的能力增强；7.2减小沉降，满足变形要求水泥土夯实桩联合土工格栅复合地基具有良好的完整性，在上部土工格栅垫层的调节下，可以保证下部水泥土桩与地基土体的协同工作，同时增加地基强度，减少沉降。7.