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岩土研究院

灰(土)桩在高等级公路软基中的应用

323 2022-04-12 16:33:12

(一)工程概况

宁通一级公路南通段 38公里中有20公里为软土路基,原根据软土性质、位置、填土高、允许工后沉降,分别用塑料排水板、挤密砂桩等加固方案;后因工程需要提前两年竣工,经研究决定采用预压、超压、塑料板、粉喷桩、二灰桩等多种加固措施。

1.几种措施加固效果

全线除预压、超压路段外,特殊处理的计1249.18m,其中塑料板 344.35m,粉喷桩 216.3m,二灰土桩 688.53m,加固效果举例于表3-8-18。

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由表可知,在软土不深的情况下,二灰桩与粉喷桩加固的效果相近,沉降远比设计值为小;塑料板沉降较大,且稳定时间长。

2.二灰桩工艺简介

(1)二灰桩配合比;取以往公路、码头成熟的配比,并考虑经济、成桩等因素,取重量比,石灰∶粉煤灰∶土=1;4.5;4.5.经室内试验。其力学指标列于表3-8一19。其中试件成型的压实度根据成桩工艺试验取重型标准 90%~92%。

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(2)成桩工艺∶由于工程上马仓促,未能事先作系统研究。仅以现有的 DZ(40~60)震拔桩机作适当改革,按以下程序成桩∶空管成孔至设计瘵度—管内投料到邯坪一→提管一半,卸料,震冲,二次成孔-—→管内投料至地坪—→提管,震冲,三次成孔一提管,管外投料(2~3m,可见孔底),震冲-→重复提管,管外投料,震冲至地坪。

上述方法在软土埋深8m 以内成桩均较成功,且随含水量不同,投料量、成桩直径、密实度也不同,当含水量为35%~40%时,φ370mm 的管孔可成 φ500mm桩;含水量为40%~45%时,可成 S20mm~550mm桩,松方系数1.53,密实度可达 90%以上;含水量为45%~50%,成桩达 550mm 以上。含水量≤45%成桩有把握。

对同一桩体,含水量随深度而变化,桩径、桩形也随之变化。当软土较深,含水量又较大时,成桩困难。例如在引河东岸,软土埋深在地表0~12m 时,曾设计11~12m 长桩。但实施结果只能成桩 6m,后结合灌注桩工艺外加短护筒促进成桩,也只能成桩8m,如果进行深层软土成桩仍然是个关键问题。

(二)灰桩加固厚层款土的变形观测

如上所述,厚层软土成桩。实际成桩只有层厚一半,呈悬桩状态。为了观测、评价加固效果(尤其是工后沉降),对其进行了系统的观测和研究。

1. 以引河林桥东岸主线102+918~103+050、132m 长为例。将断面 K102+990 剖面示于图 3-8-45、软土层厚约 11、12m,各土层主要物理力学指标示于表3-8-20。该断面位于桥头过渡段,路堤填土高5.01m,允许工后沉降为 10cm。若用天然地基,总沉降较大,工后沉降超过允许值。实际成桩长约6m,桩径 S5cm,间距2m。用复合地基理论重新计算沉降量和工后沉降量,基本上能达到设计要求。现将天然地基和复合地基(6m和11m)的沉降计算值均列于表3-8-21。

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二灰(土)桩的实际效果如何,是否能使工后沉降如设计预想的那样控制在许可范围内,需要通过观测来回答。为此在该断面埋设了观测设备,进行了地表沉降、地基内分层沉降、堤坡下水平位移、土中孔隙水压力等项目的观测,观测项目布置示于图3-8-45。此外还进行加固前后土体的静力触探和标准贯入等现场试验。

根据观测结果整理出的地面沉降随时间的变化示于图3-8-46,相应的路堤填筑荷载随时间的变化也示于图中。由图可见。中堤填筑约6个月,施工开始以后的12个月内地表沉降为 46cm,其中第11个月时完成路面基层,只剩12cm 黑色路面,但沉降过程线已趋平缓。根据沉降发展趋势,用指数法作曲线拟合,并考虑到 12cm 路面和行车荷载所引起的变形,推算得15年后总沉降为 58cm,路面施工期间的沉降为2cm,工后沉降为6cm,与设计要求相比已能满足。

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实测的孔压值在淤泥质粉质粘土中最大,在施工开始12个月的超静孔压最大值仅10kPa,表明绝大部分已消散,平均固结度已达95%,这与沉降过程线已相当平缓是一致的

上述观测结果,无论是沉降还是孔压都表明二灰(土)桩复合地基起到了良好的加固效果。特别值得提出的是实际加固深度仅 6m,而不是设计时的 11m,却能起到这样的效果,满足路堤设计的要求,这是值得深入探讨的。

(三)加固效果检验1.荷载板检验

为了进一步研究二灰桩复合地基的加固效果。在断面 K102+990 附近的堤外,选择了两块地作了荷载板试验。其中一块作二灰桩处理,在成桩 11个月后试验;另一块不作处理,为天然地基。试验的荷载板面积为1.5mx1.5m。复合地基上的荷载板仅覆盖一根二灰桩及部分桩间土,板中心与桩中心重合。

两种地基荷载板试验所测得的荷载沉降关系曲线如图 3-8-47 所示,由曲线推得的天然地基和复合地基极限荷载示于表3-8-22。显然,复合地基的承载力大大提高了。同一荷载下的沉降,复合地基要比天然地基大大减小。以p=63kPa为例,测得的沉降量以及根据室内试验参数用分层总和法算得的沉降也列于表3-8-22。

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荷载板的受荷面积小。沉降值较小,当然不能与路堤沉降量相比;然而,针对荷载试验所作的沉降计算与实测相近,表明复合地基沉降计算方法和参数的确定是基本合理的,将它们用于路堤沉降计算是可靠的。需要说明的是复合地基的实测沉降比计算值要小,这是因为试验时承受荷载的桩土面积比为0.11,而计算则按路堤中实际采用的面积比 0.06。荷载板试验中桩的承载作用更大,自然沉降量较小。

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2.加固机理检验

(1)二灰加固软土机理

以上仅仅从现象上说明了二灰桩确实起到了加固效果。然而它究竟是怎样加固的,在什么条件下能发挥加固效果,需要作深入分析。

首先,石灰与粉煤灰以及土中复杂的物理、化学反应。使其结成整体、且随龄期增加,强度和模量增加,在软土中形成竖向增强体,形成复合地基。这是最基本的,也是最重要的加固因索;其次,二灰桩的成桩是在沉管中进行的,沉管压人软土时,对周围土体产生了挤压。使土体压密;再次。桩中的石灰、粉煤灰对桩间土有吸水固结作用。以上因素都能使土体压密。

(2)加固机理检验

为了论证以上加固机理,曾做了下列观测和试验。

1)施工时记录各桩成孔时的投料量,同时测量成桩后地面的隆起高度。测得地面隆起10~20cm,平均15em,1根单桩的控制面积为1m²,这表示隆起的体积为0.6m³,桩的投料压实后的体积为1.4m²(大于0.6m³),可见桩间土体确实被压密了。

2)测得成桩前土的干密度为12.3~14.5kN/m³3,而成桩后为13.4~16.5kN/m²。3)成桩后含水量一般仅为成桩前的90%,土体变干了。4)静力触探 p.值成桩后较成桩前增加 30%~90%。

上述比较分析表明,二灰桩对桩间土的挤密作用是显著的。这样,整个加固深度内,桩体和桩间土都比原来软土中的强度和模量要高。这里还需说明的是二灰桩的强度虽比不上粉喷桩及其他桩体,但如前述其桩径和桩形随深度及含水量是变化的,这与土之变形更为协调。因此,复合土层整体比较坚硬,相当于一"硬壳层",整体刚度加大。其作用是∶①提高了地基的稳定性;②"硬壳层"本身压缩量较小;③通过"硬壳层"改变了地基内的应力分布,也减小了下部土层沉降量。这也说明了为什么二灰桩未打穿软土层(原设计11m)而成晨桩状态(加固深度实际6m)就能够达到加固要求的原因所在。

(四)二灰桩对公路荷载的特殊适应性

值得注意的是无论桩体还是桩间土的强度和模量的增长都有一个过程。尽管二灰的水硬性决定了后期(尤其在地下)强度较高,但桩体二灰强度增长是缓慢的(表3-8-20中强度的增长说明了这一点)。另一方面。桩间土在成桩时受挤压,孔压显著提高,待孔压慢慢消散后,土体才能压密、增加强度。此外,石灰在土中吸水也要有一个过程。因此,桩间土的压密和强度增长也是缓慢的。

图3-8-45中所示的沉降观测结果是成桩后不久就填土加荷的情况,此时桩和桩间土的模量均未得到充分提高,因此初期沉降仍然较大。但9个月后9-t曲线明显变缓,此时强度和模量均已提高。可以预见,在路面施工后,工后沉降会较小。高等级公路设计的控制参数是工后沉降,这种随时间增长的强度和模量,恰恰保证了工后沉降不大。

以上说明,复合地基强度的增加规律与路基施工加荷比较缓慢的规律是匹配的,显示了二灰桩在规模越来越大的高等级路中的特殊适应性。当然,应尽量减小早期沉降,这可提早作成桩施工,几月后再填筑路堤,或者适当改变配比,加早凝剂,加速桩早期强度的形成。

二灰桩的设计、成桩工艺虽然还不成熟,但加固路基效果是依据观测沉降速率(一般要求小于4-5mm/月)以控制工后沉降。这是可以能够控制的,不会有过大的风险。

(五)二灰桩的经济分析

表3-8-23列出宁通公路软土加固的经济对比,其中砂桩为分析资料,其余均采用竣工结算的单价表进行分析。由表可见二灰土桩的单价要低于粉喷桩,假定粉喷桩与二灰桩设计桩长、间距均相同,则经济对比即为每延米单价对比,二灰桩低 20%,且粉喷桩不宜打悬桩,二灰桩可以;与塑料板排水相比。两者综合投资相当,二灰土桩略低,而塑料板排水的总沉降量要大;与砂桩相比造价要低得多。因此,二灰土桩在经济比较方面是有优势的。

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