高路堤灰土挤密桩加固效果分析

董海洋

(山西交通控股集团有限公司运城南高速公路分公司 运城市 044000)

0 引言

高填方路堤自重大,地基加固处治不当或压实质量不合理很容易出现不均匀沉降现象[1-2]。尤其是当地基为湿陷性黄土时,往往存在地基承载力不足等问题,必须采取措施进行有效加固,以提高地基承载力。灰土挤密桩可有效消除黄土的湿陷性[3],提高地基的承载能力,减少工后沉降[4],且相较施工成本低,经济性好。文章以高速公路湿陷性黄土地基高填方路堤施工为研究背景,根据施工现场地质情况制定灰土挤密桩加固方案,采用有限元进行数值模拟分析,并结合施工现场沉降监测结果进行分析,确定灰土挤密桩加固效果。

1 工程概况

某高速公路位于黄土高原,沿线地形起伏较大,最大高差达到102 m,沿线有多处高边坡。高速公路设计全长57.06 km,其中路基长度约占总长度为59 %,属于我国东西方向的主干道路之一。设计通车速度80 km/h,整体式路基设计宽度为24.5 m。受地形限制,沿线有多处高填深挖路段,其中高填方路基共计172 段。为提高地基承载力,沿线分别采用强夯法、碎石桩和灰土挤密桩多种方法进行加固处理。路堤最大填筑高度为38 m,路堤填料主要为施工沿线的粉质低液限黏土(黄土)。这类填料性质介于砂性土和粘性土之间,填料结构疏松,碾压成型不佳,固结质量不高,且具有一定的湿陷性,成型后变形量大。用于高填方路堤填筑施工,压实质量控制难度大,工后很容易出现不均匀沉降,导致路堤表面产生裂缝。因此,为提高路基整体稳定性,防止工后产生变形开裂,在施工期间采取措施进行加固,并在施工现场开展沉降监测。

2 灰土挤密桩加固设计方案与施工方案

2.1 灰土挤密桩加固设计方案

在K15+605～K16+605段建立试验段,该路段高路堤最大填筑高度为19 m。根据施工现场压实度检测结果,采用粉质低液限黏土作为路堤填料压实后路基压实度偏低,部分路段压实度达不到设计要求。分析压实质量不合格的原因主要是由于填料密实度不足,承载能力低,且路基自重沉降时间较长,路堤结构稳定性较差。为提高路堤稳定性,防止路堤产生变形开裂,拟采用灰土挤密桩对高填方路堤进行加固处理,并在现场开展监测。为提高灰土挤密桩的强度,在灰土中掺入4 %(质量比)的水泥,以提高灰土早期强度。

(1)桩间距的设计

本项目灰土挤密桩布置采用正三角形布置,根据《湿陷性黄土地区建筑标准》(GB 50025—2018)中的相关规定,桩间距S按式(1)计算[5]。

(1)

式中:D表示挤密桩填料孔直径,单位为m;ηc表示挤密系数;d表示钻孔直径,单位为m;ρdo表示地基挤密前各土层干密度平均值,单位为g/cm3;ρmax表示最大干密度,单位为g/cm3。

结合施工现场实际情况,综合考虑确定ηc取值为0.9,D取0.48 m,d取0.4 m,经计算得出灰土挤密桩桩间距为1.4 m。

(2)桩长设计

灰土挤密桩设计桩长深入地基不小于1 m,桩长根据现场地质情况确定。根据试验路段地质调查结果,确定最大桩长为20 m,最小桩长为14 m。

(3)孔位平面布置

灰土挤密桩自路基边缘向路中心布置,路侧桩距路基边缘距离为1 m。如图1所示,挤密桩采用正三角形布置,布置间距为1.4 m,布桩过程中注意避开涵洞等构造物的基础。按照设计要求,加固后路基复合承载力不得低于200 kPa。

图1 灰土挤密桩平面布置示意图

(4)夯击能

本项目灰土挤密桩施工采用杆状尖锤,夯击能在8000N·m以上。施工过程中单层填筑厚度为35 cm,单层夯击击数为6击。

(5)桩身材料

灰土挤密桩桩身材料配合比为生石灰∶水泥∶土=9∶4∶87,最佳含水量为12.9%,高温季节拌制混合料含水量略高于最佳含水量。所选生石灰质量等级为II级以上,水泥选择R32.5普通硅酸盐水泥,土为纯净黄土,有机质含量低于5%。夯实后选择消石灰∶土=2∶8进行及时封孔,完工后采用动力触探试验检测承载力。

2.2 灰土挤密桩加固施工方案

施工前选取试验段,根据设计方案施作试桩,通过试桩确定填料厚度为34cm、夯击数为6击,最佳含水量为11.9%。灰土挤密桩加固施工方案如下:根据设计图纸进行施工放样,确定施工范围,平整场地,撒布石灰确定桩位。根据最佳含水量调整素土含水量,确保灰土含水量处于最佳含水量附近。调整钻杆垂直度,钻孔速度先慢后快,成孔后缓慢拔杆防止塌孔。严格按照比例拌制灰土,将含水量控制在11.9 %附近。严格控制夯击次数,夯击完成后检测压实度。

3 高路堤灰土挤密加固效果数值模拟分析

3.1 模型建立

为研究本项目高路堤灰土挤密加固效果,对K15+605～K16+605段试验段进行有限元模拟分析,通过数值模拟分析计算确定加固前后高路堤沉降量,模拟分析加固效果。假定试验段路基不产生沉降变形,只计算高路堤自身的沉降。路堤最大填筑高度为20m,平均高度为19m,一级边坡坡度为1∶1.5,高度为8m,二级边坡坡度为1∶1.75,高度为12m,边坡平台宽度为2m。有限元模型边界条件为:路堤底部左、右两侧边界水平位移为0,底部边界竖向位移为0。有限元模型如图2所示。

图2 高路堤有限元计算模型(单位:m)

3.2 计算参数

根据设计资料和现场工程地质调查结果,确定各分层计算参数如表1所示。

表1 高路堤各分层计算参数

3.3 数值模拟计算结果分析

利用变形有限元分析软件,模拟高路堤逐级加载过程,分层填筑、分层压实。随着路堤各层填土的增加,逐级增加路堤计算模型的单元数量,逐级增加路堤自重荷载,对各单元的位移和应力增量进行计算。模拟路堤填土施工过程,每增加一层填土增加一次荷载,计算单次加载路堤位移和应力,依次叠加后确定累积位移和应力变化,直到填筑到路堤顶面。以路堤中心顶面为起始点,模拟不同压实度路堤分层施工过程,分别对采用灰土挤密桩加固和未加固的路堤不同区间分层的压缩量和累积沉降量进行模拟计算,计算结果如表2所示,绘制各区间分层压缩量变化曲线如图3所示。

表2 高路堤不同区间分层压缩量与累积沉降量

图3 不同压实度路基顶面累积沉降变化曲线

分析表2数据和图3曲线变化趋势,随着压实度的增加,路堤各区间分层压缩量随之下降,且采用灰土挤密桩加固后压缩量明显下降,路堤顶面累积沉降量也随压实度增加而下降,且加固后沉降量明显下降。路堤底层压缩量大于上层压缩量,这是受填土自重荷载影响造成的,加固前区间分层15～20m压缩量最大值为11.8cm,加固后压缩量最大值

为6.8cm,下降了5cm,压缩量明显下降。路堤顶面加固后最大累积沉降量仅为16.1cm,较加固前最大累积沉降量为27.7cm,均在压实度为90%时出现,二者相差11.6cm,沉降量明显下降,说明加固后路堤竖向变形得到了有效控制,路堤稳定性明显提升。

4 高路堤现场沉降监测分析

4.1 沉降监测方案

4.1.1测点布设

为确定高路堤施工现场沉降情况,分别对采用灰土挤密桩加固路段、未加固路段布置测点开展监测。选取K15+605～K16+605试验段作为研究对象,该路段最大填土高度为20 m。该路段基底采用碎石桩处理,路堤填料为素土,加固段采用灰土挤密桩加固。在路肩位置布置沉降标,测量地基沉降量,纵向布置4个测点,间距为5 m。沉降标采用钻孔埋设,钻孔后浇灌混凝土,埋入Φ75 PVC管,孔壁与PVC管填入水泥砂浆,管内埋设Φ40钢管,沉降标布置如图4所示。

图4 沉降标构造示意图(单位:m)

分别选取路基纵向30 m范围开展路基顶面沉降,按照5 m×5 m网格布置地面标。其中测点一和测点四位于路肩位置,测点二和测点三位于行车道位置,地基沉降标位于路侧,间距为5 m。地面标钻孔孔径为20 cm,深度为1.5 m,测桩选择Φ16钢筋,采用C25混凝土浇筑。

4.1.2监测方案

分别在观测段附近布置水准点,每个测段水准点数量不得少于2个,水准点应布置在稳固的岩石上,防止施工过程中损坏。选用精密水准仪和锢钢尺,采用二等水准测量方法进行高路堤沉降监测。在地基沉降标和地面标布置完成后即进行首次观测,作为初始值,以后监测结果与其对比确定沉降量。路堤加固期间监测频率为每3天1次,加固完成后监测频率为每月1次。

4.2 高路堤现场沉降监测结果分析

4.2.1地基沉降监测结果分析

选取K15+605～K16+605试验段三个地基沉降测点监测结果作为研究对象,在灰土挤密桩加固前、中、后对路堤开展沉降监测,整理监测结果绘制沉降变化曲线如图5所示。

图5 高路堤地基沉降变化曲线

分析三个测点沉降监测结果,得出在灰土挤密桩加固过程中路基沉降量增幅较小,虽然在施工过程中有小幅增长,但在加固后高路堤沉降逐步稳定,在监测219d后地基沉降逐步稳定。高路堤灰土挤密桩加固过程中路基沉降量变化幅度较小,最大值仅为6mm左右,且已基本达到稳定状态,分析原因一方面是由于地基采用碎石桩进行加固处理,另一方面是在路堤填筑施工过程中地基沉降已基本完成。在灰土挤密桩施工过程中有小幅增长,增长幅度在1.1～2.0mm之间,完工后路基沉降增幅缓慢,且在监测完成后基本达到稳定状态。

4.2.2地面沉降监测结果分析

施工前共布置了20个地面沉降标,由于在灰土挤密桩施工过程中部分沉降标破损严重,导致个别断面监测数据丢失。选取监测数据完整的K15+820断面作为研究对象,整理数据绘制路堤顶面沉降变化曲线如图6所示。

图6 K15+820断面路堤顶面沉降变化曲线

分析图6所示曲线变化趋势,K15+820断面各测点沉降曲线变化规律基本一致,加固前沉降速率较快,加固后沉降量增速略有波动,但总体呈现沉降速率不断下降的趋势,监测结束时曲线平直,沉降基本稳定。加固前,路堤顶面平均沉降速率为5.99 mm/月,分析原因是由于路堤填筑完工后没有固结稳定,还处在变形阶段;加固施工过程中平均沉降速率为9.33 mm/月,这是由于施工过程中的机械扰动造成沉降速率增加;加固后平均沉降速率仅为0.67 mm/月,说明加固后路堤沉降增幅明显下降,路堤稳定性明显提升。

5 结语

以高速公路高路堤施工为研究背景,根据设计文件和现场调查结果制定灰土挤密桩加固方案,采用有限元分析软件进行数值模拟分析,并在施工现场开展沉降监测,分析确定加固效果。根据数值模拟分析结果,随压缩量增加各区间分层压缩量随之下降,且路堤底层压缩量大于上层,加固后沉降量明显下降,路基稳定性明显提升。灰土挤密桩施工过程中,高路堤地基沉降速率略有波动,但总体沉降量不大,这是由于地基采用碎石桩加固,且在高路堤填筑施工过程中沉降已基本完成。由于工后路堤没有固结稳定,灰土挤密桩加固前路堤顶面沉降速率较高;受施工机械扰动影响,加固施工过程中沉降速率最高,为9.33mm/月;完工后沉降速率较小,且在完工后路基沉降基本稳定,说明采用灰土挤密桩加固后高路堤稳定性明显提升,加固效果良好。