高速公路軟土路基處治技術(shù)

1、高速公路軟土路基處治技術(shù)摘要：分析軟土的特征、特點(diǎn)、成因類型以及不同地區(qū)軟土的物理特征，介紹不同成因的軟土地基處治技術(shù)，結(jié)合工程實(shí)際，介紹了高速公路軟土路基處治技術(shù)水泥深層攪拌樁（粉噴樁）的施工特點(diǎn)、工藝原理和檢測(cè)方法，供高速公路軟土路基處治時(shí)參考。關(guān)鍵詞：軟土路基；水泥粉噴樁；工藝；要點(diǎn)；檢測(cè)前言軟土在我國(guó)沿海一帶分布很廣，如渤海灣、長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲以及浙、閩沿海地區(qū)等都存在海相或湖相沉積的軟土，它們是在咸水或淡水中沉積形成的細(xì)粒土，含有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)的綜合物。對(duì)軟土按沉積環(huán)境及成因分為：（1）濱海沉積濱海相、瀉湖相、溺谷相及三角洲相；（2）湖泊沉積湖相、三角洲相；（3）河灘沉積河漫灘相

2、、牛扼湖相；（4）沼澤沉積沼澤相。根據(jù)我們施工的地區(qū)軟土成因特征，主要研究濱海相、溺谷相、河漫灘相和牛軛湖相沉積軟土。濱海相軟土的主要成因及特征是：由于濱海環(huán)境的水動(dòng)力狀況比較復(fù)雜，主要受波浪和潮汐作用，形成沉積砂土，包括粗、中、細(xì)粉砂。粗砂在近海岸處沉積，而細(xì)粒物質(zhì)向海方向搬運(yùn)，形成不對(duì)稱的波浪，并在海灘邊緣形成一系列平行海岸的連續(xù)的砂脊或沙丘。從而使濱海相軟土在沿岸與垂直岸邊方向有較大的變化，交錯(cuò)層理是其沉積特征。溺谷相軟土的特征是：分布范圍略窄，結(jié)構(gòu)疏松，在其邊緣表層常有泥炭堆積。丹（東）-莊（河）高速公路地處大連灣，符合上述兩種軟土特征，大部分更符合溺谷相軟土。河漫灘相和牛軛湖相軟土均

3、屬于河灘沉積軟土，其主要成因及特征是：成層情況較為復(fù)雜，其成分不均一，走向和厚度變化大，平面分布不規(guī)則，軟土常呈帶狀或透鏡狀，間或與砂或與泥炭互層，其厚度不大。長(zhǎng)（垣）至封（丘）高速公路第二合同段地處河南新鄉(xiāng)市，屬于中部平原地帶，屬于該類型軟土。根據(jù)我們對(duì)丹莊高速公路第九合同段和長(zhǎng)封高速公路第二合同段的軟土進(jìn)行的試驗(yàn)，確定上述兩地區(qū)的軟土性質(zhì)如下表1：通過上述兩地區(qū)土的物化指標(biāo)性質(zhì)分析,可以看出,必須對(duì)原土路基進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓探Y(jié)加固,減少路基工后沉降量,以保證高速公路路基的相對(duì)穩(wěn)定。1 高速公路軟土路基處治技術(shù)1.1 高速公路軟土路基處治種類高速公路軟土路基處治技術(shù)分若干種方法，主要是針對(duì)不同工程

4、部位，不同軟土物化性質(zhì)指標(biāo)而確定。大致有以下幾種：軟土地基淺層處治技術(shù)，軟土地基排水固結(jié)法，強(qiáng)夯法，振沖法，砂石樁、石灰樁、土樁和灰土樁，人工排降水法，高壓噴射注漿法，深層攪拌樁，土工合成材料應(yīng)用，樁基，灌漿法，灌漿錨固技術(shù)，地下連續(xù)墻，沉井基礎(chǔ)，冷凍法等。各種技術(shù)都有其自身的適用特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，我們?cè)谶@里主要研究深層攪拌樁技術(shù)。1.2 深層攪拌法技術(shù)特點(diǎn)深層攪拌法屬于膠結(jié)法類。通過攪拌機(jī)械將膠結(jié)材料與地基的軟土攪拌成樁柱體，這種樁柱體稱為水泥粘土樁、石灰粘土樁或某膠結(jié)物粘土樁，它具有一定的強(qiáng)度和水穩(wěn)性。由攪拌樁柱體與四周軟土組成復(fù)合地基，可以提高地基承載力，提高地基的強(qiáng)度，增大地基變形模量。因此

5、經(jīng)攪拌法加固的軟弱地基能提高地基的承載力，減少地基沉降，阻止水體流動(dòng)，增強(qiáng)地基的穩(wěn)定性。深層攪拌法在我國(guó)的膠結(jié)材料目前絕大部分用水泥，因此我們這里主要討論水泥深層攪拌樁。1.3 水泥深層攪拌法的加固原理水泥粘土固化的物理化學(xué)機(jī)理與混凝土的硬化機(jī)理有所不同?；炷恋挠不饔弥饕缮笆裙橇显谒嗟乃楹退饔孟逻M(jìn)行固化，由于水泥用量多，所以它的凝結(jié)速度快，凝結(jié)強(qiáng)度高。而水泥粘土在固化過程中由于水泥摻入量少，它是由粘土包圍水泥，與混凝土不同，水泥粘土的固化速度慢，強(qiáng)度也低，并隨含水量的變化而改變。當(dāng)水泥的各種水化物生成后，有的自身繼續(xù)硬化，形成水泥骨架，有的則與其周圍的粘土顆粒發(fā)生一系列的反應(yīng)，

6、這些反應(yīng)包括：離子交換和團(tuán)?；饔?，硬化反應(yīng)，碳酸化作用等。從水泥粘土的加固機(jī)理分析可知，由于攪拌機(jī)械在切割攪拌過程中不可避免會(huì)造成一些粘土沒有被粉碎，留下一部分土團(tuán)，這些土團(tuán)被拌入的水泥粉所包裹，成為外包水泥漿，內(nèi)部心子是粘土的土團(tuán)，而團(tuán)與團(tuán)之間又被水泥漿膠結(jié)起來(lái)，所以被加固后的水泥粘土?xí)粲幸恍┪⑿〉乃酀{粘土團(tuán)，而這種土團(tuán)內(nèi)部沒有水泥，性質(zhì)改變就很緩慢。由此可見，攪拌機(jī)械的攪拌功能和攪拌是否充分對(duì)水泥攪拌加固法的加固效果起著重要的作用。2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐2.1 概述阿深線國(guó)家重點(diǎn)公路濮陽(yáng)至開封高速公路新鄉(xiāng)段長(zhǎng)（垣）封（丘）高速公路no.2標(biāo)段，位于河南省境內(nèi)新鄉(xiāng)市長(zhǎng)垣縣常村鄉(xiāng)太子屯東350米處

7、，全長(zhǎng)8.233km，設(shè)計(jì)路面寬度為24.5m，設(shè)計(jì)時(shí)速100kmh，設(shè)計(jì)荷載汽車超20級(jí)，掛車120級(jí)。2.1.1 工程地質(zhì)本標(biāo)段屬黃河及其支流的河谷漫灘及低階地孔隙潛水發(fā)育區(qū)，水量豐富，水位埋深1.3818.0m，施工的路基段落處于河谷漫灘地，屬軟土地基，軟土路段一般地質(zhì)分層(由上而下)為：(1)低液限粘土：灰黃色，厚度小于11.5m，呈硬塑狀，為硬殼層且有濕陷性，地下水位埋深多小于2.1m，容許承載力80120kpa，極限摩阻力030 kpa。(2)灰黑色淤泥：流塑一般厚度46m，含水量49.692.1，060kpa，025kpa，孔隙比e0.3960.688，壓縮系數(shù)：0.110.19

8、(mpa)，內(nèi)摩擦角4°，快剪凝聚力：13kpa。(3)砂礫石：中密，含水量飽和，允許承載力280kpa，極限摩阻力140kpa。2.1.2 方案比選(1)采用塑料排板及鋪砂礫墊層的排水固結(jié)方案，經(jīng)做試驗(yàn)觀測(cè)，承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，沉降量大。(2)采用土工布及鋪砂墊層，經(jīng)做試驗(yàn)觀測(cè)，承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，且沉降量較大。(3)選用粉噴樁固結(jié)處理，樁尖坐在砂礫石層上，經(jīng)試驗(yàn)觀測(cè)，承載力大于340kpa，沉降量較小，且經(jīng)濟(jì)，施工速度快。2.1.3 水泥粉噴樁的設(shè)計(jì)要求樁徑：50cm。樁長(zhǎng)：要求打穿淤泥層，在砂礫石層上，一般6.59.5m。樁距：1.5m×1.3m(排距)，等腰三角

9、形布置；橋頭20m內(nèi)及涵洞基礎(chǔ)：1.5m×0.75m(排距)。水泥摻入量：樁噴粉量71kgm(425#普通硅酸鹽水泥，摻入比17)。樁身強(qiáng)度：90d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度1900kpa，復(fù)合地基承載力：280kpa。2.2 粉噴樁施工粉噴樁處理軟土均通過ph-5a機(jī)械將粉體水泥噴出后在地基深處就地與軟土強(qiáng)制攪拌，利用水泥和軟土之間所發(fā)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，在原地基中形成強(qiáng)度、剛度較大的樁體，同時(shí)也使樁周土體性質(zhì)得到改善，樁體與樁間土形成復(fù)合地基共同承擔(dān)外荷載。2.2.1 施工工藝在粉噴樁施工中，必須抓以下施工環(huán)節(jié)：2.2.1.1 嚴(yán)格按粉噴樁施工規(guī)范施工按設(shè)計(jì)樁距，排距測(cè)量放樣，施工工

10、序如下：(1)鉆機(jī)就位：吊鉆機(jī)對(duì)準(zhǔn)位后，使鉆桿垂直，傾斜度小于1，樁位偏差小于5cm。(2)鉆進(jìn)：?jiǎn)?dòng)鉆機(jī)，鉆頭邊旋轉(zhuǎn)邊鉆進(jìn)、(噴入壓縮空氣而不噴入粉體)邊攪拌。(3)停鉆：當(dāng)鉆進(jìn)到達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高后停鉆。(4)提升：?jiǎn)?dòng)鉆機(jī)，鉆頭是反向邊旋轉(zhuǎn)邊提升，同時(shí)通過粉體發(fā)送器將水泥噴入土中，使土體與粉體進(jìn)行拌和。(5)停噴：當(dāng)鉆頭升至距原地面50cm時(shí)停止噴料。(6)復(fù)拌：重復(fù)攪拌至樁長(zhǎng)三分之一提升鉆頭，攪拌至第一次停噴的位置，成樁結(jié)束。2.2.1.2 粉噴樁的質(zhì)量控制粉噴樁處理軟基屬隱蔽工程，且通常是晝夜連續(xù)施工。為了在施工過程中加強(qiáng)對(duì)施工工藝、水泥用量、樁長(zhǎng)、施工速度的控制，我們專門派兩名施工員，同時(shí)

11、有兩名監(jiān)理工程師旁站監(jiān)督，由監(jiān)理工程師逐樁簽字，做到每樁都有完整的記錄，主要監(jiān)理內(nèi)容為：(1)檢查樁距、樁位是否符合設(shè)計(jì)要求。(2)逐樁控制噴粉量：根據(jù)樁長(zhǎng)，按71kgm噴粉量進(jìn)行噴粉，水泥先送入罐內(nèi)，然后通過自動(dòng)計(jì)量電子稱控制每米噴粉量，電子稱屏幕上可以顯示每米噴粉量。(3)樁長(zhǎng)控制。根據(jù)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)及試驗(yàn)樁確定的長(zhǎng)度，在鉆桿上標(biāo)明樁長(zhǎng)，并根據(jù)鉆進(jìn)時(shí)樁機(jī)的負(fù)載電流數(shù)據(jù)突變，直至樁桿不再進(jìn)尺(表明樁尖已座在砂礫石層上)，現(xiàn)場(chǎng)丈量，測(cè)定實(shí)際樁長(zhǎng)。(4)施工單位對(duì)成樁單位負(fù)完全責(zé)任。我們明確規(guī)定對(duì)成樁按5隨機(jī)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)不合格的樁責(zé)令其自費(fèi)加樁進(jìn)行返工，并對(duì)有關(guān)責(zé)任人進(jìn)行經(jīng)濟(jì)處罰，這一措施促使施工

12、單位自覺把關(guān)，不敢偷工減料以確保質(zhì)量。2.3 粉噴的質(zhì)量檢驗(yàn)為了確保工程質(zhì)量，粉噴樁施工滿足齡期要求后，我們采取如下檢驗(yàn)方法驗(yàn)收樁體的質(zhì)量。2.3.1 鉆芯取樣本工程采取對(duì)于28天齡期進(jìn)行樁體任一部位鉆芯取樣來(lái)驗(yàn)收樁體的強(qiáng)度（為增加試驗(yàn)的可信度，由河南省公路設(shè)計(jì)院出具試驗(yàn)結(jié)果報(bào)告），即達(dá)到90天齡期的75以上(大于1.9×751.43mpa)，抽樣頻率為5，對(duì)于出現(xiàn)類、類樁的部位，加大抽檢密度。部分試驗(yàn)結(jié)果見表2、表3。組(取23樁體處)組(取13樁體處)2.3.2 低應(yīng)變動(dòng)態(tài)質(zhì)量檢測(cè)本檢測(cè)辦法的主要內(nèi)容就是對(duì)樁的完整程度的檢測(cè)與診斷，即判定樁身是否完好，噴粉是否均勻等等，最終給定綜

13、合判定結(jié)果。2.3.2.1 檢測(cè)方法原理樁基無(wú)損動(dòng)態(tài)檢測(cè)是根據(jù)彈性波理論，當(dāng)施工于地下的粉噴達(dá)到一定強(qiáng)度后，且樁長(zhǎng)l遠(yuǎn)大于樁徑d時(shí)，在理論上可將樁身視為一維彈性桿件體，當(dāng)在樁頂施加一激勵(lì)信號(hào)f(t)時(shí)其激發(fā)的彈性波將沿樁身(縱向)向下傳播，傳播過程滿足波動(dòng)方程：由于樁端和持力層之間存在一明顯的波阻抗界面，彈性波傳播至樁底將產(chǎn)生反射，并被布置 于樁頂?shù)氖罢衿鹘邮?。若粉噴樁體均勻、完整、規(guī)則，則只存在樁底一個(gè)波阻抗界面，這樣 反映在時(shí)間域波形上的能量集中，波形圓滑，樁底反射時(shí)間(t)清晰，則縱波速度：v02×lt式中l(wèi)為樁長(zhǎng)，t為反射波初至。若樁身存在噴粉不均勻、斷裂、夾泥、斷樁等缺陷，

14、都易形成波的置前反射，因此，在彈性波的傳播過程中，能量分散，反映在時(shí)間域波形上則多個(gè)波組迭加的復(fù)合波形，且缺陷深度l1、l2滿足：l112×v0×t1l212×v0×t2根據(jù)彈性波理論，通過實(shí)測(cè)的樁身時(shí)間域波形，經(jīng)室內(nèi)計(jì)算機(jī)對(duì)資料的處理，即可對(duì)樁的完整性及施工質(zhì)量進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。2.3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)布置及儀器設(shè)備質(zhì)量檢測(cè)是利用單質(zhì)點(diǎn)反射法，將拾振器耦合于樁頂，用小錘激發(fā)，使之產(chǎn)生一激勵(lì)信號(hào)作用于樁頂，通過拾振器接收彈性波沿樁反射的全過程，送至數(shù)據(jù)采集庫(kù)采集，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、分析、計(jì)算(圖1)。本次檢測(cè)工作使用中國(guó)科學(xué)院巖土力學(xué)所制的rsm24fd型工程檢測(cè)

15、儀。2.3.2.3 資料分析與結(jié)果根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的原始記錄，本工區(qū)低應(yīng)變曲線波形較為完整，經(jīng)室內(nèi)分析計(jì)算，現(xiàn)根據(jù)樁身的完整程度分類描述如下：(1)完好樁：樁身連續(xù)性好，樁身規(guī)則，噴粉均勻，無(wú)缺陷存在。反映在時(shí)域波形上規(guī)則、圓滑、無(wú)異常信息迭加，樁底反射信號(hào)清晰。該工程共測(cè)試樁2800根，其中完好樁共2510根，占抽測(cè)總樁數(shù)的90。檢測(cè)樁長(zhǎng)介于7.28 .0m之間。(2)一般樁：樁身連續(xù)性尚好，但存在有樁頭破損，樁頭強(qiáng)度偏低，局部噴粉不均等。反映在時(shí)域波形上：曲線基本規(guī)則，局部有輕微異常信息迭加，樁底反射信號(hào)基本清晰。通過對(duì)該工程抽檢的2800根樁中，一般樁共有290根，基本上全部表現(xiàn)為樁頭的局部

16、破損和淺部的噴粉不均勻現(xiàn)象，占抽測(cè)總樁數(shù)10。檢測(cè)樁長(zhǎng)介于5.89.0m之間。2.3.3 復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)采用接近于復(fù)合地基實(shí)際工作條件的試驗(yàn)方法，依據(jù)建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(jgj7991)，測(cè)定復(fù)合地基的軸向承載力，為設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的校核依據(jù)，確保工程質(zhì)量和復(fù)合地的使用安全。2.3.3.1 試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置如圖2所示。采用“堆載法”，即采用平行放置的橫梁(鋼梁)作為堆載平臺(tái)，平臺(tái)由試驗(yàn)基坑周圍的土層支撐，平臺(tái)上堆放的配重塊(鋼錠)通過平臺(tái)下的主梁測(cè)力傳感器千斤頂壓板，把垂直荷載用力施加到壓板面積之上。2.3.3.2 試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)采用jcq503型靜力載荷測(cè)試儀，配以700kn液壓千斤頂，

17、由dyb1a電動(dòng)高壓油泵供油，壓力測(cè)量采用gyl2a2kn測(cè)力傳感器，沉降觀測(cè)采用中國(guó)航空精密機(jī)械研究所生產(chǎn)的電子數(shù)顯位移傳感器(量程50mm，分辨率0.01mm)。壓板面積1.0×1.0m2。以上設(shè)備調(diào)試安裝完畢即可進(jìn)行樁基靜荷載的自動(dòng)測(cè)試、自動(dòng)測(cè)讀、判穩(wěn)、自動(dòng)補(bǔ)載、自動(dòng)記憶、自動(dòng)輸出打印等等。2.3.3.3 試驗(yàn)方法依據(jù)建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(jgj7991)，采用接近于復(fù)合地基實(shí)際工作條件的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。(1)加荷分級(jí)：依據(jù)規(guī)范要求，試驗(yàn)最大加荷為設(shè)計(jì)荷載的兩倍， 或達(dá)到地基極限承載力。根據(jù)規(guī)范要求，加荷分級(jí)表4所示：(2)沉降觀測(cè)：按規(guī)范要求“每加一級(jí)荷載，在加載前后各讀記

18、壓板沉降一次，以后每半小時(shí)讀記一次”直至達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后，施加下一級(jí)荷載。沉降觀測(cè)采用每加一級(jí)荷載，間隔5、10、15min各讀一次，以后每隔15min測(cè)讀一次，累計(jì)1h后每隔30min測(cè)讀一次，直至達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后施加下一級(jí)荷載。(3)沉降相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：每一小時(shí)的沉降觀測(cè)不超過0.1mm。認(rèn)為已達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，即可加下一級(jí)荷載。(4)終止加載條件：當(dāng)出現(xiàn)如下條件之一時(shí)，即可終止加載：a)沉降量急劇增大，土被擠出或壓板周圍出現(xiàn)明顯的裂縫。b)累計(jì)的沉降量已大于壓板寬度的10。c)總加載量已為設(shè)計(jì)要求的兩倍。2.3.3.4 試驗(yàn)過程試驗(yàn)樁號(hào)75。于試驗(yàn)當(dāng)天晚9點(diǎn)開始加壓，每一級(jí)60kn，穩(wěn)定后逐級(jí)累加，至第七級(jí)420kn，每級(jí)穩(wěn)定時(shí)間短，沉降累計(jì)19.50mm，未出現(xiàn)沉降急劇增大、土被擠出或壓板周圍出現(xiàn)明顯的裂縫現(xiàn)象，卸荷觀測(cè)，總回彈量為2.36mm，殘余沉降量為16.90mm。2.3.3.5 資料整理與分析結(jié)果為確定復(fù)合地基的承載力，將試驗(yàn)資料整理成表5“數(shù)據(jù)匯總表”。按規(guī)范(jgj7991)復(fù)合地基承載力的基本值確定“深