夯扩碎石桩处理深厚层软土地基路堤边坡效果分析

2017-08-07杨绍猛

城市道桥与防洪 2017年7期

关键词：雨水管路堤土层

杨绍猛，王毅，潘昊

（1.上海市政工程设计研究总院集团浙江市政设计院有限公司,浙江杭州 310000；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,上海市 290000）

夯扩碎石桩处理深厚层软土地基路堤边坡效果分析

杨绍猛1，王毅1，潘昊2

（1.上海市政工程设计研究总院集团浙江市政设计院有限公司,浙江杭州 310000；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,上海市 290000）

结合工程实例系统论证了夯扩碎石桩在沿湖临空面深厚层软土地基上处理高填方城市主干路已滑坡段的方案布置。为了满足边坡稳定及沉降要求,论证比选了抗滑桩、强夯置换墩和夯扩碎石桩三者之间在工程上的优劣性,采用了夯扩碎石桩复合地基。通过荷载试验及位移观测等成果分析,复合地基满足工程抗滑稳定要求。

夯扩碎石桩；高路堤；滑坡；深厚软土地基；边坡位移监测；荷载试验。

0 引言

浙江沿海某县滨湖西路工程位于围海而成的团结湖的西侧,全长约2 km,是开发区内最重要的一条城市主干路+临水景观绿带+水利防洪堤坝的综合性工程。通过该工程的建设,既要解决开发区对内对外交通,又要打造开发区内滨水景观带,提升区内整体品质,同时结合团结湖驳岸建设改造提升整个片区的防洪标准,工程地位非常重要。

该工程场地位于海陆交界处,现状地形是山坡坡脚逐渐倾斜入水的临空面,是大面积的滨海相沉积滩涂地,淤泥厚度约10 m,高灵敏度。道路设计路堤平均高度为5.0 m左右,放坡后入水处采用浆砌块石驳坎收脚,驳坎与道路之间的临水绿化带最大宽度约12～40 m不等。道路路堤及驳坎范围内均采用高压旋喷桩地基处理,但路堤与驳坎之间的12～40 m绿化范围内无任何地基处理措施。由于建设时序和相关条件的改变,在道路、地下管线及驳坎基本建成一年后,后期的绿化带填土造坡过程中出现了局部边坡滑移,后陆续延伸,滑坡长度总计约1.2 km,滑移的基本特点和周边情况如下:

（1）滑移线沿道路路堤边线外约5 m处纵向延伸,下陷深度20～100 cm不等,绿化带填土塌陷导致驳坎基础破坏并同步向湖面滑移,致使湖床淤泥隆起；

（2）道路路基和该侧布置的雨水管道完好,但管道边线距离滑移线较近,仅1.5 m左右,为滑坡处理带来了施工上的难度。

针对上述情况,充分考虑保护现状路堤和地下管线,结合造价最省及工期最短等多重条件,经过多方案比选后采用了夯扩碎石桩地基处理。图1为道路标准横断面图。

图1 道路标准横断面图（单位:m）

1 工程地质条件

根据边坡滑移段的地勘钻探资料显示,滨湖西路及其绿带、护岸沿线场地地层分布如下:

（1）黏土层:呈可塑饱和状,中高压缩性,厚度约0.5 m；

（2）淤泥层:深灰色,滨海相沉积,高含水量呈流塑状,局部含粉细砂,韧性差呈高压缩性,厚度约10m；

（3）粉质黏土层:呈硬塑状,局部含砂和风化砾石,韧性中等,干强度高,层厚约4.0 m；

（4）圆砾层:未揭穿。

受靠山面湖的海陆相交界地形的影响,持力层（3）粉质黏土层及（4）圆砾层均为倾斜入水的临空面,局部较陡,建设场地是大面积的滨海相沉积滩涂地。

通过原位测试和土工试验,各岩土层主要物理力学性质指标见表1。

表1 主要土层物理力学性质指标

可见该区域淤泥层渗透性低,含水量高,为深厚高压缩性地基,不能直接利用,在工程建设时必须进行处理。后期未进行地基处理的12～40 m宽度的绿化带随着填土的逐渐增高最终滑移破坏,同时推移破坏了平行布置的重力式驳坎。

2 方案比选

滑坡后绿化带内的填土高度已有3.5 m左右,且为均匀性极差的块石和宕渣回填料,填筑过程中受机械的碾压使块石嵌入淤泥深度多在2.0 m左右,清理十分困难,同时清理过深又会带来新的边坡滑移风险。针对上述情况,在重点考虑保护现状路堤和地下管线安全的前提下,结合造价省、工期短、施工方便等多重因素,在抗滑桩、强夯置换墩及夯扩碎石桩多方案之间充分比选后,采用了夯扩碎石桩地基处理方案（见表2）。

表2 滑移边坡处理方案比选表

3 设计计算

根据地勘揭示主要土层物理力学性质指标采用理正边坡计算,未经处理的边坡稳定系数仅0.77,不稳定。采用夯扩碎石桩地基处理时,布桩方案、参数取值、计算公式如下:

（1）布桩方案

碎石桩桩径为1.2 m,桩间距2.2 m,采用正三角形布置,置换率m=27%,有效桩长12 m,碎石桩打穿淤泥桩端进入粉质黏土层2.0 m,桩体材料采用级配良好且含泥量不大于5%的碎石,最大粒径不大于30 mm。

（2）参数取值

桩土应力比n=σp/σs,为复合地基中桩头平均竖向应力与桩间土顶平均竖向应力的比值,但也受桩土模量比、置换率大小、路堤高度及路堤材料等多种因素的影响[1,2],其取值大小是本方案计算的一个重点。规范取值在2～4之间,原土强度低时取大值,强度高时取小值；工程地质手册中按天然地基承载力特征值对应的取值范围3.5～3.2[3]。综合以上情况,取n=3.3,同时取碎石桩p=30°。

（3）计算公式

根据相应规范复合地基强度指标csp、sp值计算如下:

式中:csp为复合地基黏聚力,kPa；sp为复合地基内摩擦角；μp为桩间土应力折减系数；n为桩土应力比；m为置换率。

根据式（1）、（2）、（3）可得,夯扩碎石桩处理后的复合地基强度指标csp=5.33 kPa,sp=18.1°。

（4）滑坡稳定性计算

根据简化毕肖普法对边坡整体稳定性进行计算,采用隐形稳定系数,平均处理宽度为15 m,计算基本公式[4]如下:

式中:Fs为边坡稳定安全系数；mai为计算系数；Wi为第i土条的重力,kN；Qi为第i土条垂直方向外力,kN；ci为第i土条地基土层黏聚力,kPa；i为内摩擦角；αi为第i土条底滑面的倾角。

经计算,抗滑稳定性系数Fs=1.315,满足相关规范要求。

图2为边坡稳定性计算简图。

图2 边坡稳定性计算简图

4 试验布桩

根据上述计算结论,现场选取了100 m长边坡滑坡路段作为试验段进行夯扩碎石桩试验。需通过试验验证的内容有:

（1）夯扩碎石桩施工过程中对现状雨水管及路堤的影响程度。现状D600 mm的雨水管采用的是HDPE缠绕管,柔性管材。根据《建筑基坑工程检测技术规范》（GB 50497-2009）的要求,对于柔性管线变形控制标准为:累计值10～40 mm,变化速率3～5 mm/d。试验时以该标准作为夯扩碎石桩对雨水管及路堤影响的控制标准,验证施工过程中桩对软土层的挤压和置换对雨水管及路堤的变形影响,并把该条件作为选择本工程方案的首要因素。

（2）夯扩碎石桩复合地基承载力和成桩质量的验证。沉管夯扩碎石桩对淤泥质土主要是置换、挤密作用,与普通的碎石桩相比,通过夯扩使桩体直径由0.8 m扩大至1.2 m挤密效果更好。通过试验验证夯扩碎石桩复合地基承载力和成桩质量是本次方案设计成败的关键。

（3）处理后整体边坡稳定性验证。试验最终目的就是达到预期的复合地基承载力标准,验证该方案处理软土地基后的边坡稳定性。

试验时基本布桩参数如下:

（1）碎石桩桩径及置换率。桩径为1.2 m,桩间距2.2 m,采用正三角形布置,置换率为27%,有效桩长12 m,且须进入粉质黏土层不小于2 m,平均处理宽度为15 m。桩体材料宜采用级配良好且含泥量不大于5%的碎石,碎石充盈系数1.2,碎石最大粒径不大于30 mm。

（2）夯扩参数。碎石桩采用直径800 mm的钢套管,对位准确后振动沉管至设计标高（进入粉质黏土层2.0 m）,管内灌料,分层填入碎石（每次填入0.10～0.15 m3）,用10 t夯锤进行管内夯实,夯能1 000 kN·m,边夯实边提管,成桩直径1 200 mm。

（3）施工顺序。从路基侧向湖岸侧单向施工,采用隔行跳打分两遍施工的作业顺序,两遍作业的间隔时间不应小于2周。

桩体施工完后整个场地以低能量满夯,夯击能1 000 kN·m,搭接满夯1遍,如图3所示。

图3 试验区布桩示意图（单位:m）

5 施工监测及成果检验

试验场地面积约1 500 m2,根据上述布桩方案共布设夯扩碎石桩360根,施工周期45 d（含2遍之间的间隔时间）,检测时间为完工后30 d。监测点布置两排:第一排布置在雨水管检查井上,结合现状雨水井布置间距为35 m,主要监测雨水管及路堤的位移变化；第二排布置在靠湖侧打入位移边桩,距离处理边线5.0 m外,布置间距为50 m,主要监测入湖边坡处的位移变化。试验区主要监测及试验检测成果如下:

（1）位移变化监测

雨水管及路堤的累积位移及变化速率选取了代表性的W1点,如图4所示。

图4 W1点累计位移（s～t）监测图

由上述监测点的s～t图可以看出,在整个施工过程中W1的累积水平位移最大值为29 mm,竖向位移最大值为20 mm（见图4）,变化速率最大值为5 mm/d。施工完成后28 d水平位移终值为24 mm,竖向位移终值为16 mm,均满足规范控制值要求。通过对该范围段的雨水管道再次进行闭水试验,结果显示,打桩后的管道无损,接口密封情况完好,同时通过后续的监测数据显示,处理后的边坡稳定,达到了预期效果。

（2）复合地基承载力试验

桩体施工完成30 d后,进行了复合地基承载力及桩间土十字板剪切试验,各选取了3个点,复合地基承载力代表值95 kPa,高出理论计算值25%,满足处理效果要求。