银昆高速公路湿陷性黄土地基水泥土挤密桩处理试验研究

马俊尧

(中铁十四局集团第五工程有限公司 山东济宁 272100)

1 引言

湿陷性黄土在我国广泛分布，它在天然含水率状态下具有强度高、孔隙大、垂直节理发育等特点，而饱和吸水后在自重或者附加荷载作用下则出现明显的湿陷性，强度大大降低，导致工程构筑物出现沉降破坏[1]。在高速公路工程建设中，路基路面对地基的工后沉降要求十分严格，为了削减黄土在遭遇浸水环境下的湿陷性不利影响，常采用强夯、换填、挤密或者化学固结等手段，对土体的物理力学性质进行改善，消除或者减小路基的湿陷性变形，降低路面结构开裂和保障其运营平顺性[2－3]。

水泥土挤密桩地基处理的主要原理为通过在预先成孔的黄土地基上，分层夯填水泥土，横向挤密桩间土体，达到约束土体的作用，同时夯填的水泥土具有换填效果，桩土之间形成复合地基共同受力和变形，进而增强地基土的压缩模量和消减黄土的湿陷性变形[4－5]。近年来，随着我国西部大开发的不断深入，高速公路和高速铁路取得了迅速的发展，不同于民用建筑，这些构筑物直接暴露在自然状态下，受雨水与地表水的侵害概率大大增加，同时线路运营对变形的要求严格，使得研究水泥土挤密桩加固地基的承载力和变形特征十分迫切[6]。

喻渝等[7]依托郑州至西安高铁黄土地基处理项目，分析了水泥土挤密桩桩身的水泥、黄土最佳配合比例、无侧限抗压强度、桩身间距等设计参数对承载力的影响；王素灵[8]以郑西客专路基为例，在施工工艺、施工技术措施等方面对水泥土挤密桩的应用进行了研究；王卫东[9]基于某公路段路基病害处置为例，采用水泥土挤密桩对病害处理过程中的设计、施工以及施工质量检测等方面进行了分析和总结。在现有的文献中，大量的研究主要集中在水泥土挤密桩的材料设计、施工工艺、应用效果等方面，对于现场试验方面的研究较少，不利于正确认识水泥土挤密桩在线路地基处理中的承载特性和变形特征[10－11]。

本文依托银川至昆明高速公路(G85)太阳山开发区至彭阳(宁甘界)段地基处理项目，采用现场载荷试验和浸水试验相结合的方法，对水泥土挤密桩处理后的复合地基承载力和浸水条件下的复合地基变形进行研究，为黄土地区高速公路地基加固处理的设计、施工、运营养护提供可靠的基础资料，也为类似的工程建设提供实例借鉴。

2 工程概况

银川至昆明高速公路(G85)太阳山开发区至彭阳(宁甘界)段位于吴忠市、中卫市及固原市境内，路线总长度约236 km，设计标准为双向四车道高速公路，设计速度为100 km/h。线路穿越湿陷性黄土区域，区域黄土具有分布广泛、厚度深大、土质均匀、结构疏松、孔隙发育等特点。区内出露的湿陷性黄土主要为上更新统风积黄土()及较大河谷Ⅰ、Ⅱ级阶地上部堆积的第四系上更新统早期黄土状土()，其湿陷等级主要为Ⅱ级(中等)～Ⅳ级(很严重)。

线路LJI0标段起讫桩号为K171＋500～K189＋100，全长17.60 km，9%水泥土挤密桩231.1万延米，水泥土挤密桩总计29 678根，主要设置于Ⅲ级～Ⅳ级非自重湿陷性黄土填方路段，桩的布置形式为正三角形布桩，设计桩长L＝8 m，桩直径d＝40 cm，桩中心间距D＝0.8 m，排间距M＝69.3 cm。

选择K178＋150～K178＋295段作为水泥土挤密桩试验段，路基宽度26 m，路基填高7.5 m，该段湿陷性黄士等级为Ⅳ级，处理长度145 m，处理宽度57.1 m，处理面积8 280 m2。水泥挤密桩地基处理的平面布置及剖面如图1所示。

图1 水泥土挤密桩地基处理平剖面图

3 现场载荷试验与浸水试验

3.1 现场载荷试验

现场载荷试验分为单桩竖向承载力、复合地基竖向承载力，分别按现行国家规范《湿陷性黄土地区建筑标准》(GB 50025—2018)[12]附录G、附录H中的试验流程进行，其中复合地基竖向承载力测试又细分为2种工况，分别为3根桩复合地基承载力、4根桩复合地基承载力。测试时，采用方形刚性承压板，其边长尺寸依据测试桩数的不同而有所不同，单桩载荷试验时为0.84 m×0.84 m；3根桩载荷试验时为1.26 m×1.26 m；4根桩载荷试验时为1.60 m×1.60 m。加载等级不少于10级，且每级荷载的维持时长至少为2.0 h，按设计荷载的2倍确定极限荷载，由设计资料预估为700 kPa。

3.2 现场浸水试验

为了分析浸水条件下，湿陷性黄土路基的变形时空特征，在试验段设计了现场浸水试验。如图1所示，试验范围选取为路基处理宽度的一半，即28.55 m，长度为10.00 m，浸水试坑尺寸为6.0 m×6.0 m×0.6 m(长×宽×高)，试坑的一边沿着路基加固区与非加固区进行布置，坑底部采用10 cm厚度的中粗砂进行铺设找平，浸水试验时，水头维持40 cm。以试坑中心为原点，左右两边分别为±4.0 m、±6.0 m、±8.0 m、±13.0 m和±18.0 m的位置布置10个坑外监测点；在坑内，以原点为圆形，半径为1.5 m的位置上均距布置6个监测点，其中a1、a2点的埋深为9.0 m(超出桩底1.0 m)，b1、b2点的埋深为6.0 m，c1、c2点的埋深为3.0 m，如图2所示；在坑内，以原点为圆形，半径为2.0 m的位置上均距布置8个注水孔，孔深为2.0 m，孔径为200 mm(见图3)。试验时，注水时长维持20 d，停水观测维持10 d，在注水的过程中，记录水量消耗大小、监测点位移变化。

图2 浸水试坑外监测点布置平面图(单位:mm)

图3 浸水试坑内监测点布置平面图(单位:mm)

4 试验成果分析

4.1 水泥土挤密桩复合地基承载力

图4为地基处理后的载荷试验P-s曲线。从曲线形态看，无论是单桩沉降曲线还是多桩沉降曲线，均表现出无明显拐点变化，需按0.8%b(b为承压板的宽度)相对变形确定地基承载力的特征值，且不应大于0.5倍的最大加载压力。由此，可以确定水泥土挤密桩单桩、3桩和4桩的承载力特征值分别为220、300、320 kPa，随着测试桩数量的不断增加，处理后地基土的承载力特征值也随着增加。由此表明，水泥土挤密桩对黄土地基的承载力改善具有十分显著的作用。但是，从数量来看，由于群桩效应的影响，多根水泥土挤密桩的复合地基承载力远小于单桩承载力之和，从单桩增加至3桩时，承载力特征值增加量为80 kPa，而从3桩增加至4桩时，承载力特征值增加量为20 kPa，表明水泥土复合地基的承载力特征值随桩数量的增加，群桩效应随着增加。因此，在实际黄土地基加固时，建议选取合适的桩间距和桩径，以减弱群桩效应的影响，提高处理效率。

图4 地基处理后载荷试验P-s曲线

4.2 水泥土挤密桩复合地基变形特征

对浸水20 d内的总消耗水量和昼夜消耗水量进行记录，结果如图5所示。从图中可以知，在浸水初期(2 d内)，总耗水量和昼夜耗水量均迅速增加；浸水2 d后，随着时间的增长，总消耗水量逐步增加并趋于稳定，最后5 d的平均总消耗水量增加值约为0.1 m3/d，20 d总消耗水量为6.98 m3，而昼夜消耗水量则相反，逐渐减少并趋于稳定，最后5 d的平均昼夜消耗水量为0.47 m3。

图5 浸水试验耗水时程曲线

为研究复合地基在竖向方向上的湿陷变形特征，对复合地基不同深度范围处的湿陷变形进行监测，试坑内测试点分布如图3所示，不同深度监测点的观测成果见图6。

图6 不同深度观测点的沉陷速率时程曲线

由图6可知，不同深度观测点处的湿陷变形速率曲线具有较好的一致性，与昼夜消耗水量类似，在浸水初期(3 d内)，由于天然含水率状态下的黄土尚未饱和，大量吸水后，土体呈现加速湿陷变形，而浸水3 d后，湿陷变形速率趋于不断减小，在第20天停水时，湿陷变形速率又呈现不同程度的增加，随后随着停水时间的增长，变形逐渐趋于平稳和收敛。另一方面，随着埋置深度的增加，土体湿陷变形速率也逐渐增加，变形规律呈现时间早、速度快、变形量大的特点:浸水期，c1点(埋深3 m)的最大湿陷速率为1.15 mm/d，b1点(埋深9 m)的最大湿陷速率为1.82 mm/d，a1点(埋深9 m)的最大湿陷速率为2.75 mm/d；停水期，c1点(埋深3 m)的最大湿陷速率为0.40 mm/d，b1点(埋深9 m)的最大湿陷速率为0.83 mm/d，a1点(埋深9 m)的最大湿陷速率为1.05 mm/d。

进一步地，分析试坑内6个不同深度处监测点的最大湿陷变形，结果如图7所示。

图7 地基竖向方向变形特征

由图7可以看出，在水泥土挤密桩地基处理范围内(设计桩长L＝8 m)，地基土的变形量较小，均小于1 cm:3 m处(c1点、c2点)的最大湿陷量为6.7 mm和8.5 mm，表明浅层的土层有微弱的侧向挤出，这与水泥土挤密桩施工存在的不均性有关，6 m处(b1点、b2点)的最大湿陷量为8.9 mm和9.2 mm，湿陷量差异较小。而深度超出水泥土挤密桩桩长后，地基土的变形量明显增加，9 m处(a1点、a2点)的最大湿陷量达到15.5 mm和16.0 mm，比6.0处的湿陷量增加了约74%～80%。以上分析表明，水泥土挤密桩加固对黄土地层的湿陷变形能够起到良好的控制作用，大大减小了加固区范围内的湿陷变形量，为减缓上部结构的变形量提供了较好的先决条件。

为分析地基横向方向上的变形特征，对试坑左右两侧的12个监测点数据进行分析，坐标原点如图2所示，加固区为横坐标负值，非加固区为横坐标正值，结果如图8所示。

图8 地基横向方向变形特征

从图8中可以看出，试坑内，地基变形受水的直接下渗作用，沉降量最大，而两侧地基变形沉陷呈不对称状态。表现为在加固区范围内，地基沉陷量小，小于0.67 mm，且随着与试坑距离的增加沉陷量逐渐减小；而在非加固区，地基沉陷量变化较大，最大值为5.7 mm，并随着距离的增加而迅速减小，在坐标点x＝18 m位置处，地基沉陷量减小为0.2 mm。综合表明，水泥土挤密桩可以大大降低路基在横向方向上的沉陷变形，有效提高了路基的刚度和抗渗能力。

5 结论

采用试验手段，对银川至昆明公路(G85)太阳山开发区至彭阳(宁甘界)段水泥土挤密桩地基处理项目展开研究，得出以下结论:

(1)水泥土挤密桩对黄土地基的承载力改善具有十分显著的作用，随着桩数的增加，复合地基承载力特征值增加，相应地，群桩效应也随着增加。

(2)不同深度处的湿陷变形速率曲线规律具有明显的一致性，在浸水初期(3 d内)，土体呈现加速湿陷变形，而浸水3 d后，湿陷变形速率趋于不断减小，在第20天停水时，湿陷变形速率又呈现不同程度的增加，并随着停水时间的增长，变形逐渐趋于平稳和收敛。土体湿陷变形呈现时间早、速度快、变形量大的特点。

(3)在竖向方向上，地基加固范围内变形较小，而水泥土挤密桩桩长以下地基变形则明显增加；在水平方向上，加固区范围内，地基沉陷量小且随着与试坑距离的增加沉陷量逐渐减小，而在非加固区，地基沉陷量变化较大，最大值为5.7 mm，并随着距离的增加而迅速减小。综合表明，水泥土挤密桩对黄土地层的湿陷变形能够起到良好的控制作用。