高速公路軟土路基處治技術

1、高速公路軟土路基處治技術摘要：分析軟土的特征、特點、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，結合工程實際，介紹了高速公路軟土路基處治技術水泥深層攪拌樁（粉噴樁）的施工特點、工藝原理和檢測方法，供高速公路軟土路基處治時參考。關鍵詞：軟土路基；水泥粉噴樁；工藝；要點；檢測前言軟土在我國沿海一帶分布很廣，如渤海灣、長江三角洲、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粒土，含有機質和礦物質的綜合物。對軟土按沉積環(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)境的水動力狀況比較復雜，主要受波浪和潮汐作用，形成沉積砂土，包括粗、中、細粉砂。粗砂在近海岸處沉積，而細粒物質向海方向搬運，形成不對稱的波浪，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，交錯層理是其沉積特征。溺谷相軟土的特征是：分布范圍略窄，結構疏松，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（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)我們對丹莊高速公路第九合同段和長封高速公路第二合同段的軟土進行的試驗，確定上述兩地區(qū)的軟土性質如下表1：通過上述兩地區(qū)土的物化指標性質分析,可以看出,必須對原土路基進行適當?shù)墓探Y加固,減少路基工后沉降量,以保證高速公路路基的相對穩(wěn)定。1 高速公路軟土路基處治技術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分若干種方法，主要是針對不同工程

4、部位，不同軟土物化性質指標而確定。大致有以下幾種：軟土地基淺層處治技術，軟土地基排水固結法，強夯法，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，土工合成材料應用，樁基，灌漿法，灌漿錨固技術，地下連續(xù)墻，沉井基礎，冷凍法等。各種技術都有其自身的適用特點和優(yōu)勢，我們在這里主要研究深層攪拌樁技術。1.2 深層攪拌法技術特點深層攪拌法屬于膠結法類。通過攪拌機械將膠結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物粘土樁，它具有一定的強度和水穩(wěn)性。由攪拌樁柱體與四周軟土組成復合地基，可以提高地基承載力，提高地基的強度，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，增強地基的穩(wěn)定性。深層攪拌法在我國的膠結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機理與混凝土的硬化機理有所不同。混凝土的硬化作用主要由砂石等骨料在水泥的水介和水化作用下進行固化，由于水泥用量多，所以它的凝結速度快，凝結強度高。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，強度也低，并隨含水量的變化而改變。當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，

6、這些反應包括：離子交換和團粒化作用，硬化反應，碳酸化作用等。從水泥粘土的加固機理分析可知，由于攪拌機械在切割攪拌過程中不可避免會造成一些粘土沒有被粉碎，留下一部分土團，這些土團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，而團與團之間又被水泥漿膠結起來，所以被加固后的水泥粘土會留有一些微小的水泥漿粘土團，而這種土團內(nèi)部沒有水泥，性質改變就很緩慢。由此可見，攪拌機械的攪拌功能和攪拌是否充分對水泥攪拌加固法的加固效果起著重要的作用。2 現(xiàn)場實踐2.1 概述阿深線國家重點公路濮陽至開封高速公路新鄉(xiāng)段長（垣）封（丘）高速公路no.2標段，位于河南省境內(nèi)新鄉(xiāng)市長垣縣常村鄉(xiāng)太子屯東350米處

7、，全長8.233km，設計路面寬度為24.5m，設計時速100kmh，設計荷載汽車超20級，掛車120級。2.1.1 工程地質本標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方案，經(jīng)做試驗觀測，承載力達不到設計要求，沉降量大。(2)采用土工布及鋪砂墊層，經(jīng)做試驗觀測，承載力達不到設計要求，且沉降量較大。(3)選用粉噴樁固結處理，樁尖坐在砂礫石層上，經(jīng)試驗觀測，承載力大于340kpa，沉降量較小，且經(jīng)濟，施工速度快。2.1.3 水泥粉噴樁的設計要求樁徑：50cm。樁長：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：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)。樁身強度：90d齡期無側限抗壓強度1900kpa，復合地基承載力：280kpa。2.2 粉噴樁施工粉噴樁處理軟土均通過ph-5a機械將粉體水泥噴出后在地基深處就地與軟土強制攪拌，利用水泥和軟土之間所發(fā)生的一系列物理化學反應，在原地基中形成強度、剛度較大的樁體，同時也使樁周土體性質得到改善，樁體與樁間土形成復合地基共同承擔外荷載。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 嚴格按粉噴樁施工規(guī)范施工按設計樁距，排距測量放樣，施工工

10、序如下：(1)鉆機就位：吊鉆機對準位后，使鉆桿垂直，傾斜度小于1，樁位偏差小于5cm。(2)鉆進：啟動鉆機，鉆頭邊旋轉邊鉆進、(噴入壓縮空氣而不噴入粉體)邊攪拌。(3)停鉆：當鉆進到達設計標高后停鉆。(4)提升：啟動鉆機，鉆頭是反向邊旋轉邊提升，同時通過粉體發(fā)送器將水泥噴入土中，使土體與粉體進行拌和。(5)停噴：當鉆頭升至距原地面50cm時停止噴料。(6)復拌：重復攪拌至樁長三分之一提升鉆頭，攪拌至第一次停噴的位置，成樁結束。2.2.1.2 粉噴樁的質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對施工工藝、水泥用量、樁長、施工速度的控制，我們專門派兩名施工員，同時

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、樁位是否符合設計要求。(2)逐樁控制噴粉量：根據(jù)樁長，按71kgm噴粉量進行噴粉，水泥先送入罐內(nèi)，然后通過自動計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)樁長控制。根據(jù)設計樁長及試驗樁確定的長度，在鉆桿上標明樁長，并根據(jù)鉆進時樁機的負載電流數(shù)據(jù)突變，直至樁桿不再進尺(表明樁尖已座在砂礫石層上)，現(xiàn)場丈量，測定實際樁長。(4)施工單位對成樁單位負完全責任。我們明確規(guī)定對成樁按5隨機進行質量檢測，對不合格的樁責令其自費加樁進行返工，并對有關責任人進行經(jīng)濟處罰，這一措施促使施工

12、單位自覺把關，不敢偷工減料以確保質量。2.3 粉噴的質量檢驗為了確保工程質量，粉噴樁施工滿足齡期要求后，我們采取如下檢驗方法驗收樁體的質量。2.3.1 鉆芯取樣本工程采取對于28天齡期進行樁體任一部位鉆芯取樣來驗收樁體的強度（為增加試驗的可信度，由河南省公路設計院出具試驗結果報告），即達到90天齡期的75以上(大于1.9×751.43mpa)，抽樣頻率為5，對于出現(xiàn)類、類樁的部位，加大抽檢密度。部分試驗結果見表2、表3。組(取23樁體處)組(取13樁體處)2.3.2 低應變動態(tài)質量檢測本檢測辦法的主要內(nèi)容就是對樁的完整程度的檢測與診斷，即判定樁身是否完好，噴粉是否均勻等等，最終給定綜

13、合判定結果。2.3.2.1 檢測方法原理樁基無損動態(tài)檢測是根據(jù)彈性波理論，當施工于地下的粉噴達到一定強度后，且樁長l遠大于樁徑d時，在理論上可將樁身視為一維彈性桿件體，當在樁頂施加一激勵信號f(t)時其激發(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)氖罢衿鹘邮铡Ｈ舴蹏姌扼w均勻、完整、規(guī)則，則只存在樁底一個波阻抗界面，這樣 反映在時間域波形上的能量集中，波形圓滑，樁底反射時間(t)清晰，則縱波速度：v02×lt式中l(wèi)為樁長，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，反映在時間域波形上則多個波組迭加的復合波形，且缺陷深度l1、l2滿足：l112×v0×t1l212×v0×t2根據(jù)彈性波理論，通過實測的樁身時間域波形，經(jīng)室內(nèi)計算機對資料的處理，即可對樁的完整性及施工質量進行全面評價。2.3.2.2 現(xiàn)場檢測布置及儀器設備質量檢測是利用單質點反射法，將拾振器耦合于樁頂，用小錘激發(fā)，使之產(chǎn)生一激勵信號作用于樁頂，通過拾振器接收彈性波沿樁反射的全過程，送至數(shù)據(jù)采集庫采集，計算機存儲、分析、計算(圖1)。本次檢測工作使用中國科學院巖土力學所制的rsm24fd型工程檢測

15、儀。2.3.2.3 資料分析與結果根據(jù)現(xiàn)場測試的原始記錄，本工區(qū)低應變曲線波形較為完整，經(jīng)室內(nèi)分析計算，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，無缺陷存在。反映在時域波形上規(guī)則、圓滑、無異常信息迭加，樁底反射信號清晰。該工程共測試樁2800根，其中完好樁共2510根，占抽測總樁數(shù)的90。檢測樁長介于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，樁頭強度偏低，局部噴粉不均等。反映在時域波形上：曲線基本規(guī)則，局部有輕微異常信息迭加，樁底反射信號基本清晰。通過對該工程抽檢的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，占抽測總樁數(shù)10。檢測樁長介于5.89.0m之間。2.3.3 復合地基靜載荷試驗采用接近于復合地基實際工作條件的試驗方法，依據(jù)建筑地基處理技術規(guī)范(jgj7991)，測定復合地基的軸向承載力，為設計提供基礎設計的校核依據(jù)，確保工程質量和復合地的使用安全。2.3.3.1 試驗裝置試驗裝置如圖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，平臺由試驗基坑周圍的土層支撐，平臺上堆放的配重塊(鋼錠)通過平臺下的主梁測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 試驗設備試驗采用jcq503型靜力載荷測試儀，配以700kn液壓千斤頂，

17、由dyb1a電動高壓油泵供油，壓力測量采用gyl2a2kn測力傳感器，沉降觀測采用中國航空精密機械研究所生產(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。以上設備調(diào)試安裝完畢即可進行樁基靜荷載的自動測試、自動測讀、判穩(wěn)、自動補載、自動記憶、自動輸出打印等等。2.3.3.3 試驗方法依據(jù)建筑地基處理技術規(guī)范(jgj7991)，采用接近于復合地基實際工作條件的試驗方法進行試驗。(1)加荷分級：依據(jù)規(guī)范要求，試驗最大加荷為設計荷載的兩倍， 或達到地基極限承載力。根據(jù)規(guī)范要求，加荷分級表4所示：(2)沉降觀測：按規(guī)范要求“每加一級荷載，在加載前后各讀記

18、壓板沉降一次，以后每半小時讀記一次”直至達到相對穩(wěn)定后，施加下一級荷載。沉降觀測采用每加一級荷載，間隔5、10、15min各讀一次，以后每隔15min測讀一次，累計1h后每隔30min測讀一次，直至達到相對穩(wěn)定后施加下一級荷載。(3)沉降相對穩(wěn)定標準：每一小時的沉降觀測不超過0.1mm。認為已達到相對穩(wěn)定，即可加下一級荷載。(4)終止加載條件：當出現(xiàn)如下條件之一時，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)累計的沉降量已大于壓板寬度的10。c)總加載量已為設計要求的兩倍。2.3.3.4 試驗過程試驗樁號75。于試驗當天晚9點開始加壓，每一級60kn，穩(wěn)定后逐級累加，至第七級420kn，每級穩(wěn)定時間短，沉降累計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，總回彈量為2.36mm，殘余沉降量為16.90mm。2.3.3.5 資料整理與分析結果為確定復合地基的承載力，將試驗資料整理成表5“數(shù)據(jù)匯總表”。按規(guī)范(jgj7991)復合地基承載力的基本值確定“深