安临一级公路饱和软黄土地基水泥土搅拌桩处治设计

2022-08-25樊宏刚

黑龙江交通科技 2022年7期

樊宏刚

(甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州 730010)

甘肃省临夏回族自治州东乡县大部分为黄土覆盖，其中湿软黄土分布较为广泛，在该地区建设的公路项目，湿软黄土地基处理就是一个难以避免的问题，是项目成败的关键环节之一[1]。因此，寻求经济、可靠、有效的公路湿软黄土地基处理措施，事关工程安全、交通安全、公路功能的发挥，对强化民族团结、促进区域经济快速发展等具有重大意义。

安临一级公路K9+750～K11+050段路线经过深层饱和软黄土地基，采用水泥土搅拌桩处治措施，结合地质特点开展了设计研究、施工控制、承载力试验和沉降变形观测，处治效果良好。

1 项目概况及工程地质特点

临洮(安家咀)至临夏一级公路主要位于甘肃省临夏回族自治州东乡县境内。主线起点与G75兰海高速安家咀立交出口顺接，终点位于临夏州东乡县东塬乡满散村，与规划的永临高速公路临夏东立交出口相接。主线全长57.072 km，总体走向由东向西。

1.1 地形地貌

安临一级公路项目区内山体海拔高低悬殊，地形复杂，河谷纵横，山梁、沟谷相间，属于盆地内部高原丘陵区。K9+750～K11+050段路线主要以路基形式通过格路沟，经调访该沟谷主要为巨型山体滑坡堆积体堵塞原始沟道形成的堰塞湖洼地，呈“U”型宽缓谷地，地形较为平缓。

1.2 地层岩性

(3)新近系砂质泥岩(N)：该层主要出露于格路沟下游，勘探揭露呈棕色，厚层状构造，泥质结构，岩体较完整，该层抗风化能力弱，遇水易软化、崩解。

2 土层试样物理力学指标

格路沟堰塞湖路段黄土状土硬壳层及湿-饱和软黄土静力触探成果如表1所示，室内试验参数如表2所示。

表1 K9+750～K11+050段湿软黄土状土静力触探成果表

表2 K9+750～K11+050段土层室内试验参数表

对格路沟堰塞湖湿-饱和软黄土段进行了静力触探测试，其中工程影响范围土层呈二元结构，上边普遍发育一层可塑～硬塑的黄土状土硬壳层，其中硬壳层平均比贯入阻力Ps为1.56 MPa，为中等压缩性土；下部湿-饱和软黄土平均比贯入阻力Ps为0.59 MPa，基本成软塑状，为高压缩土。

综上可知：安临公路格路沟段路基地基软弱层厚度较大(9.0～47 m)，土层地基含水率大，压缩性高，承载力和抗剪强度低，为确保路基稳定性满足设计要求，使地基沉降控制在相关规范要求以内，需对原地基进行加固处治。

3 软土地基处治方案比选

在设计过程中，对水泥土搅拌桩、CFG桩、预应力管桩等处治方案进行了比选论证。考虑到本项目软土厚度较大，分布范围广，软土底部基岩或坚硬土层埋深较大，刚性或半刚性桩有效桩长难以穿透软土层，而水泥土搅拌桩作为一种可用于加固饱和软黏土地基的处治方法，与其他公路软土地基处治方法相比，水泥土搅拌桩可最大程度利用原状土体，具有操作简单、施工工期短、对周边环境影响小等技术优势[2]。因此设计中从各方案适用性、优缺点、工程造价等方面综合考虑，最终选择了施工技术成熟、造价优势明显的水泥土搅拌桩复合地基处治方案。

4 水泥土搅拌桩复合地基设计

4.1 设计情况简介

本段路堤填筑前先采用水泥土搅拌桩进行软土地基处理，水泥土搅拌桩施工结束后，在其顶部铺设30 cm厚砂砾垫层，砂砾垫层顶部再铺设30 cm厚5%灰土垫层。

水泥搅拌桩桩径为50 cm，正三角形布置；根据沉降计算，桩间距采用1.0～1.5 m，桩长采用10～15 m；水泥土搅拌桩采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥；设计水灰比为0.45～0.55，水泥掺合比为16%～25%(天然原状土)；28 d无侧限抗压强度值不小于1 MPa，90 d龄期桩身无限抗压强度不小于2.5 MPa；复合地基承载力不小于150 kPa，单桩承载力不小于140 kN。

4.2 设计计算

本段水泥土搅拌桩参照相关《规范》及《细则》[3,4]的有关要求进行设计计算，主要目的为控制地基沉降、提高地基承载力、增强路堤稳定性。

(1)设计标准：本设计工后沉降控制标准一般路段≤30 cm，涵洞及箱型通道处≤20 cm，路堤与大、中、小桥毗邻处≤10 cm。

(2)沉降计算。

沉降采用经验系数法进行计算，即

S∞=msSc

(1)

式中：ms为沉降系数，按公式(2)计算

ms=0.123γ0.7(θH0.2+VH)+Y

(2)

式中：H为路堤中心高度，m；γ为路堤填料的重度，kN/m3；θ为地基处理类型系数，取0.85；V为加载速率修正系数；Y为地质因素修正系数。

加固区主固结沉降Sc采用复合压缩模量法进行计计算，即

(3)

Epsi=mEp+(1-m)Esi

(4)

式中：ΔPi为复合地基加固区中各分层中点的附加应力增量，kPa；Epsi为各分层的桩土复合压缩模量，kPa；m为面积置换率；Δhi为复合地基加固区各分层土的厚度，m；Ep为桩体压缩模量，kPa；Esi为各分层土体压缩模量，kPa。

(3)桩径、桩中心间距及桩长设计

根据规范[3,4]要求，水泥土搅拌桩的桩径不宜小于0.5 m，相邻桩的间距不应大于4倍的桩径。结合沉降及稳定性计算，本设计中水泥土搅拌桩桩径采用0.5 m，桩间距采用1.0～1.5 m，桩长采用10～15 m。

(4)单桩承载力

根据规范[4]要求，水泥土搅拌桩单桩承载力特征值按公式(5)、公式(6)计算

(5)

Ra≤ηfcuAp

(6)

式中：fcu为复合地基加固区中各分层中点的附加应力增量，kPa；η为桩身强度折减系数，粉喷法取0.2～0.3，浆喷法取0.25～0.33；up为桩身周长，m；n为桩长范围内划分的土层数；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值；1i为桩长范围内第i层土的厚度，m；qp为桩端地基土未经修正的承载力特征值，kPa；a为桩端天然地基土的承载力折减系数，取0.6。

(5)复合地基承载力

根据规范[4]，水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值按式(7)计算

(7)

式中：Ra为单桩承载力特征值，kN；Ap为桩的截面积，m2；a为桩桩间土承载力折减系数，取0.8。

5 施工过程质量控制及效果检测

5.1 钻心取样检测结果

本段水泥土搅拌桩共钻芯检测158根，对桩长、桩径、桩身完整性及28 d单轴抗压强度进行了检测，其中26根桩身长度不满足设计要求，其余检测项目均满足设计要求。

5.2 复合地基承载力检验

深层水泥搅拌桩成桩28 d后，选定有代表性的试验点开展静载试验检测复合地基承载力。静载试验分9级加载，最大加载值为300 kPa。选取其中三个试验点进行承载力静载试验(如表3所示)，静载试验P-S曲线如图1所示。

表3 试验点单桩复合地基静载试验结果表

图1 水泥土搅拌桩复合地基承载力P-S曲线

通过检测，水泥土搅拌桩复合地基在2倍设计荷载加载情况下最大沉降量为45.7 mm，满足现行规范要求。在复合地基承载力试验中，最大加载量达到300 kPa，加载过程中未出现沉降突变现象，复合地基承载力取最大加载量的一半，即150 kPa，满足设计要求。

5.3 沉降检验

为了验证水泥搅拌桩复合地基的加固效果，路基填筑过程中分别在路基中心和两侧路肩位置埋设沉降板，进行路基沉降监测，监测时间为360 d[5]。选取K10+300监测断面路基中心检测结果作为分析对象，其沉降量随监测时间变化曲线如图3所示。

图3 K10+300水泥土搅拌桩复合地基沉降-时间曲线

分析图5所示复合地基沉降量随时间的变化曲线，监测前期沉降变化速度较快，90 d以后沉降速度明显下降，且逐步趋于平缓。前90 d沉降变化速度较快，这是由于该时间段正在填筑路基，施工荷载和地基上部填土增加所致。90 d以后路基填筑施工结束，路基沉降逐步趋于稳定。沉降监测结束后复合地基沉降量达到82 mm，沉降变形已处于稳定状态，项目施工至今，路基未出现明显的沉降变形，满足相关规范要求。