振动沉管挤密碎石桩复合地基原位监测试验研究

梁元林

(葛洲坝湖北大广北高速公路有限责任公司　黄冈　438000)

振动沉管挤密碎石桩复合地基原位监测试验研究

梁元林

(葛洲坝湖北大广北高速公路有限责任公司黄冈438000)

摘要为评价振动沉管挤密碎石桩对软土地基的处治效果，文中采用原地监测试验对比分析处治后软土地基的沉降量、沉降速率、水平位移、侧向位移等。结果表明，碎石桩桩体质量良好，振动沉管挤密碎石桩施工工艺可行、质量可靠。

关键词振动沉管挤密碎石桩复合地基原位检测试验研究

软土具有压缩性高、含水量大、渗透性差、抗剪强度低等特点，在附加应力作用下会由于压缩变形和剪切变形而产生较大的沉降，甚至破坏[1-3]。在高速公路建设中，软基的稳定性和沉降问题是最为关键的问题之一，它不仅影响施工的组织、安排和质量问题等，而且关系到整个项目的成败。由于地域不同、沉积环境有差异，各地的软土在厚度、分布及物理力学性质上各有特点，而每条高速公路的设计特点，如路堤填筑高度、填筑材料、填筑方式及工期均有严格的要求；因此根据不同的软基处理方案，设置相应的监测内容，是确保施工顺利进行及道路质量的关键[4-5]。大广北高速公路(麻城至浠水段)采用振动沉管挤密碎石桩施工工艺处理的软基路段有2 540 m，对其进行现场监测研究的目的和意义如下。

(1) 通过对软基处理路段的施工监测，进一步验证其处治效果，为施工工艺与质量检验提供研究依据，同时为今后同类工程提供参考。

(2) 通过对软基处理路段的施工监测，在保证路堤施工过程的安全和稳定的前提下，提出最佳填土速率和应采取的工程措施。

(3) 根据现场实测的沉降量、沉降速率、水平位移、侧向位移等资料，分析预测地基土的工后沉降，并在与设计值进行比较分析的基础上，及时调整分层填土厚度和填土速率。

(4) 稳定控制标准、超载厚度、卸载时机判定等均需要根据原位试验和现场测试确定。同时，变更设计和加载方案的确定也需要利用监测数据进行反演参数。

1原位监测实施方案

1.1　监测断面布置及仪器设备

1.1.1监测断面布置

综合考虑软基工程地质情况、碎石桩桩体质量检测结果、路堤设计高度、填土施工进度等因素；选取软土工程性质较差、具有不同的软土埋深及层厚较大的断面以及路堤设计填土高度较大的断面，对应的桩号为K84+000，土路基设计高度为4.6 m，软土埋深0 m，软土厚度为6 m，处理深度为9.5 m，软基处理方式为碎石桩+砂垫层+格栅。监控断面见图1，监测内容包括表面沉降、侧向位移、孔压、水平位移等。断面设置及监测内容见表1。

图1　监测断面立面布置图(单位:cm)

桩号沉降板边桩或水平位移孔隙水压力计K84+000CJ1CJ2CJ3BZ1CX1CX2CX3CX4BZ2KYJ1KYJ2KYJ3KYJ4KYJ5

1.1.2监测仪器设备

仪器设备进场前，作好维修保养工作，保证仪器设备的正常使用；按要求作好仪器设备的标定检验工作。

1.2　监测实施方案

1.2.1监测内容与测试技术要点

(1) 地表沉降监测。采用日本产NA2型精密水准仪和2 m铟瓦水准标尺，按二等水准测量要求方法施测。每次施测前要检查、校正i角，采用仪器设备、测站线路、观测人员“三固定”的方法提高观测精度；每次观测还应注记填土高度、天气情况，并绘制观测点位置平面图，观测结束后采用计算器算出每个观测点的观测值。

(2) 水平位移监测。边坡土体水平位移观测一般采用经纬仪视准线法观测边桩顶部的位移量。即用经纬仪配合钢卷尺进行，基准点布设在填土影响范围外的构筑物或单独埋设，测量出各个观测点与视准线之间的距离，根据三角关系计算出边桩的位移值。

(3) 侧向位移监测。首先在路堤外埋设测斜管，使用KPI测斜仪在测斜管中逐段(每隔500 mm测读1次，测完后，将测头旋转180°再测1次，2次观测深度应一致)测出产生位移后管轴线与铅垂线的夹角，分段求出水平位移，累加得出总位移量及沿管轴线整个孔深位移的变化情况。

(4) 孔隙水压力监测。本方案将在软土深度范围内埋设常规电测孔隙水压力探头，以测试在路堤填筑施工中孔隙水压力增长与消散规律，以指导填土施工。通过绘制各种图表，正确地评价路堤的应力状态，判断强度增长情况，反算土工参数，实现对路堤孔隙水压力的长期跟踪测试，获得路堤应力的长期规律性结论。

(5) 水位监测。地下水位对于路堤稳定性也有着直接的影响，会造成孔隙水压力的变化，故需设置1~2个水位孔对软基路段进行水位观测，以掌握水位变化的规律。

1.2.2变形监控频率

为了收集到足够多的信息，以便对复合地基承载变形机理进行研究，对地基强度增长、变形情况作出比较准确的判断，确保加载过程中路基的稳定，必须保证一定的监测频率。在不同时期，监测需要按照不同频率进行。

1.2.3监测控制标准

《公路软土地基路堤设计与施工技术规范(JTJ 017-96)》对路堤沉降速率做出了稳定性控制标准，即路堤中线地面沉降速率每昼夜不大于10 mm，坡脚水平位移每昼夜不大于5 mm。但是影响沉降速率和侧向位移的因素是比较复杂的，它们随着地基土的性质、加荷方式以及地基处理方法等而变化，所以控制标准不应该是常数。根据《大庆至广州高速公路湖北省麻城至浠水段两阶段施工图设计》的有关设计要求，路堤填筑速率与变形控制的标准按下面要求执行。

(1) 路基加载时，填筑速率应由施工观测来控制，其标准为：路中心的表面沉降速率宜控制在10 mm/d以内，坡脚处的侧向位移宜控制在5 mm/d以内，单级孔压系数小于0.6，综合孔压系数小于0.4。

(2) 路基中心的表面沉降速率在5 mm/d以内时，可以进行下一层路堤的填筑。

(3) 软基监测应实行动态控制，在施工过程中应加强检测，当发现侧向位移速率等指标不正常，路基有失稳的趋势时，必须立即向相关单位通报，并立即向路基两侧卸载。

2监测成果分析

2007年1月采用振动沉管挤密碎石桩工艺处治的软基路段施工已全部完成，经对碎石桩质量检验，全部质量满足设计要求，具备填筑路堤施工条件。现场原位监测工作基本与填土工作同时开始，下面分别对典型断面(K84+400)的各监测项目的观测成果进行分析。

2.1　地表沉降监测

在填土0.3 m时，在本断面埋设了3个沉降板，对沉降板进行高程观测。填土施工过程中以每层填土厚度按标准层0.3 m考虑，若填土荷载过大，则以实际填土高度计算，填土的重度为20 kN/m3，因为沉降板埋设在砂垫层上所填的一层土(土工格栅)的上面，所以软基的沉降量没有考虑砂垫层的影响。现填土高度为4.3 m，填土已经完毕。填土施工期间的沉降观测，路基填土荷载、时间与沉降的关系见图2。

图2　时间-荷载-沉降过程曲线图(K84+400)

由图2可知，路基沉降随着填土荷载的增加而增大，填土越高沉降增加越大，各沉降板的沉降趋势一致。路堤填土从2007年4月15日开始、2007年8月27日完成设计填土高度4.3 m，134 d填土期间，路基沉降增长相对较快，最大速率为2.37 mm/d，最大累计沉降为79.88 mm。截至2008年4月28日，设计7个月预压期已完成，累计最大沉降为107.67 mm，整个观测期内，沉降速率和累计沉降均大大低于控制值10 mm/d。预压期完成后实测最大沉降值为107.67 mm，仅为设计计算的205 mm预期沉降值的52.5%，结果表明碎石桩处理效果明显。

2.2　深层水平位移监测

在坡脚两侧按照图1所示，在监测断面各埋设2个测斜观测孔。位移正方向为偏离道路方向，与路的轴线方向垂直；位移负方向偏向道路方向，与路的轴线方向垂直。图3给出了断面观测孔CX1的地基土深层水平位移。

图3　深层测斜曲线节选图(K84+000-CX1)

由图3可见，CX1位于左路堤坡角外3.8 m，累计位移值最大约为30.94 mm。从所测的深层水平位移曲线也反映出在填土高峰期间，深层水平位移量变化明显，而随着填土速率的逐渐降低，深层水平位移量呈现相应的减小趋势，这一监测结果与地表沉降的监测结果一致。虽然在填土期间，其水平位移很大，但是总体稳定后，此位移波动微小，即表示在整个填土期间，深层水平位移值变化很小。

同时从图中可见填土高峰期间，深层水平位移量增加明显，而随着填土速率的逐渐降低，深层水平位移量呈现相应的减小趋势，这一监测结果与地表沉降的监测结果一致。填土期间各测孔监控部位的位移速率小于1.0 mm/d，监测结果表明填土加载期间地基的整体稳定性能较好，也说明了该段采用碎石桩地基处理的方法是有效且实用的。

2.3　地表水平位移监测

在钻孔安装测斜管时，同时按照图1所示位置，对监测断面埋设水平位移监测边桩。依据地表水平位移观测成果表(因数据量较大，不在本文计列)，并对照深层位移监测成果分析，结果表明：边桩离道路中心线越远其位移越小，根据观测的结果，各边桩的位移速率均小于2 mm/d，这也说明了随着填土荷载的不断施加，路堤在逐渐增高，路堤对路基两侧影响是有限的，整个填土施工过程中，地表水平位移速率控制在标准范围内，地基整体稳定性良好，也表明了该段采用碎石桩对软土地基进行处理，达到了良好的效果。

2.4　孔隙水压力监测

K84+400断面孔隙水压力原位监测时程线见图4。对照实时监测数据，从图4中可以发现孔隙水压力的增长与消散与2个因素有关，一是填土施工，即相当于增加了荷载；二是地下水位的升降。土中孔隙水压力的每一次增长和消散，都是一次土中有效应力逐渐增加，即地基土的承载力逐渐提高的过程。2007年4月到9月施工填土这段时间，孔压曲线变化频繁，且呈现逐渐增加的趋势，其原因是前次填土的荷载所造成的孔隙水压力还没有完全消散，就开始了下层填土的施工；而在施工完毕之后，孔压曲线变化处于一直变小之中，即表示孔隙水压力一直在变小，即使中间有些反复变大，主要是因为下暴雨或者大雪导致地下水位增高使孔隙水压力变大。总体来说，在填土过程中，孔压值未出现随荷载增加而急剧上升的现象，表明地基土内部未被破坏。分析本断面的5个观测孔结果可知，其孔压值变化都较小，基本上属于正常变化范围，碎石桩的处理效果明显，从而显著改善了路基力学的特性。

图4　孔隙水压力消散时程曲线图(K84+000)

3结论

(1) 地基土表面水平位移最大发生在紧邻路基两侧的边桩，远离道路中心线的边桩位移最小。边桩的位移基本上反映了土体的实际位移情况，路基土体没有出现明显的水平位移，路堤施工过程中路基处于稳定状态。

(2) 填土过程中，所有断面均未产生明显的超孔隙水压力变化，说明荷载增加没有引起地基中孔隙水压力的明显增长与消散，表明地基处于稳定状态。

(3) 碎石桩是一个良好的排水通道，随着时间的延长，土的排水固结作用较为明显，桩间土的性质得到进一步的改善。

(4) 碎石桩质量良好，进一步验证了碎石桩桩体质量检验评定结果与实际达到一致，证明振动沉管挤密碎石桩施工工艺可行、质量可靠。

参考文献

[1]殷永高,屠筱北.公路地基处理[M].北京:人民交通出版社,2002.

[2]杜谨益.公路软土地基沉降特点及其成因与危害分析[J].公路,2002(12):40-45.

[3]周焕云.高速公路软土地基沉降预测方法综述[J].交通运输工程学报, 2002(4):7-10.

[4]梁立军,陈万里.振动沉管碎石桩加固软基效果及施工工艺分析[J].公路交通技术,2006(6):87-91.

[5]陶宁,杨秋亮,黄小兰.振动干挤密碎石桩在复合地基中的应用[J].煤炭工程,2005(2):25-26.

Investigation on Vibration Sinking Gravel

Compaction Pile by In-situ Detection Test

LiangYuanlin

(Hubei Daguangbei Expressway Co., Ltd., Huanggang 438000, China)

Abstract：In order to evaluate the performance of vibration sinking gravel compaction pile, this paper compares the detection data of typical cross sections, including settlement, settlement rate, horizontal displacement and lateral displacement. Experimental results indicate that the gravel pile has excellent performance. Therefore, it is feasible to use this method to reinforce the soft soil in practical project.

Key words:vibration sinking gravel compaction pile; composite foundations; in-situ detection; experimental investigation

收稿日期：2015-09-03

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.029