蔡瀅玉　焦紅　　　　胡照廣　單煒　郭穎

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)　　　　　(寒區(qū)科學(xué)與工程研究院(東北林業(yè)大學(xué)))

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用土工織物散體樁加固季節(jié)凍土地區(qū)沼澤軟土地基1)

蔡瀅玉焦紅胡照廣單煒郭穎

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)(寒區(qū)科學(xué)與工程研究院(東北林業(yè)大學(xué)))

摘要以同撫公路青龍山農(nóng)場(chǎng)支線試驗(yàn)路段為對(duì)象，研究土工織物散體樁加固季節(jié)凍土地區(qū)沼澤軟土地基的應(yīng)用效果。采用現(xiàn)場(chǎng)鉆探得到試驗(yàn)路段沼澤軟土的分布厚度，并對(duì)在不同深度取得土樣進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)；采用動(dòng)力觸探儀測(cè)試土工織物散體樁處理前后的試驗(yàn)路段地基土的強(qiáng)度變化。結(jié)果表明：在散體樁施工后，動(dòng)力觸探錐頭阻力由0.5～5.0 MPa提升到5～10 MPa，復(fù)合地基樁間土的軟土地基強(qiáng)度有了明顯提升。在試驗(yàn)路段選擇2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，在每個(gè)斷面兩側(cè)路肩、中線位置設(shè)置沉降標(biāo)，監(jiān)測(cè)土工織物散體樁加固處理和路基填筑前后測(cè)點(diǎn)地基沉降量。結(jié)果表明：絕大部分沉降量發(fā)生在土工織物散體樁施工過程中和路基填土施工過程中，在路基填筑施工完成，并經(jīng)歷一個(gè)凍融循環(huán)后，地基沉降量明顯減小，說明試驗(yàn)路段所采用的土工織物散體樁加固處理地基措施效果良好。

關(guān)鍵詞土工織物散體樁；公路；路基；季節(jié)凍土區(qū)；三江濕地

土工織物散體樁是一種新型的軟土地基加固處理技術(shù)方法，其主要原理是采用碎石或砂礫等散體材料外套土工織物筒形成基樁，對(duì)地基軟土進(jìn)行置換、擠密、排水固結(jié)和傳遞承載力，具有施工速度快、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)得到應(yīng)用[1-3]。劉柱[4]應(yīng)用簡(jiǎn)化計(jì)算法和有限元法，對(duì)在軟土地基中工作的土工織物散體樁的受力特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在軟土地基中格柵筒對(duì)碎石樁起到了明顯的加筋作用，當(dāng)有格柵筒存在時(shí)，樁中的應(yīng)力集中顯現(xiàn)明顯，地基的極限承載力提高。陳為平[5]采用FLAC3D對(duì)地震作用下碎石樁加固液化砂土地基進(jìn)行數(shù)值模擬分析，證實(shí)了碎石樁具有顯著的排水效果。張京京等[6]研究了土工織物散體樁加固粉土路基的效果，結(jié)果表明，在粉土軟基處理時(shí)，土工織物散體樁的單樁承載力比相同條件下的碎石樁承載力提高50%，土工織物散體樁復(fù)合地基承載力比相同條件下的碎石樁復(fù)合地基承載力提高25%。國內(nèi)雖然有一些土工織物散體樁處理軟土地基應(yīng)用研究成果，但是，缺乏對(duì)其施工前后路基沉降量監(jiān)測(cè)對(duì)比研究方面報(bào)道，尤其對(duì)東北寒冷地區(qū)沼澤軟土地基加固處理應(yīng)用和研究還沒有成功的先例。

依托同撫公路青龍山農(nóng)場(chǎng)支線公路工程建設(shè)項(xiàng)目，運(yùn)用動(dòng)力觸探儀測(cè)試土工織物散體樁加固處理前后的試驗(yàn)路段地基土的強(qiáng)度的變化。同時(shí)，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)路段土工織物散體樁加固處理和路基填筑施工前后地基沉降量，分析該處理方法在三江平原沼澤軟土地基處理中的應(yīng)用效果，并研究其適用性。

1研究區(qū)概況

1.1自然地理概況

研究區(qū)位于黑龍江省東北部的三江平原，是由黑龍江、松花江、烏蘇里江沖積形成的低平原[7-9]。地勢(shì)西南高、東北低，廣闊的沖積低平原和河流形成階地，河漫灘上廣泛發(fā)育著沼澤和沼澤化草甸[10]，區(qū)域地貌單元屬于三江沖積低平原區(qū)沼澤化濕地，地表覆蓋有2～4 m厚的沼澤土，成分以草甸土、沼澤軟土和黑土為主，工程地質(zhì)條件較差。路線所處地理坐標(biāo)在東經(jīng)132°79′～133°19′和北緯47°69′～47°91′之間，如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)路段地理位置

研究區(qū)屬寒溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，有明顯的大陸性季風(fēng)氣候特點(diǎn)，四季分明，春季風(fēng)力大，降水少；夏季氣溫高，降水集中；秋季降溫快，時(shí)有霜凍；冬季漫長，寒冷干燥[11-12]。年平均氣溫為2.5 ℃，極端最高氣溫為38 ℃，極端最低氣溫為-37 ℃；年平均降水量為560 mm，降水期集中在6—8月份；無霜期平均144 d，全年有5個(gè)月地溫低于0 ℃，通常在10月下旬開始封凍，到翌年6月上旬結(jié)束，歷時(shí)7個(gè)多月；凍土層厚1.5～2.0 m，最深達(dá)230 cm。

根據(jù)《中國季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深線圖》，公路線路所在區(qū)域季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深為2.20 m[13]。

1.2工程地質(zhì)條件

公路沿線位于三江沖積低平原區(qū)，區(qū)內(nèi)地層主要有中更新統(tǒng)沖洪積、冰水沉積層、上更新統(tǒng)沖積湖積層。

該工程項(xiàng)目共有兩處沼澤軟土地基路段，分別位于K3+100～K3+900和K6+300～K6+950路段。

于2013年8月25—30日對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了野外地質(zhì)調(diào)查及工程地質(zhì)勘查。根據(jù)本次勘察鉆孔揭露的地層資料，按試驗(yàn)路段軟土地層分布厚度和地層特征的差異描述如下：①地表土，0～0.5 m，灰黑色或灰黃色，濕、較松散，主要由細(xì)粒土組成，含大量植物根系，有機(jī)質(zhì)含量較高；②草甸、沼澤土，0.5～2.5 m，灰黑色或灰黃色，濕、可塑，有機(jī)質(zhì)含量較高；③)低液限黏土，2.5～4.0 m，灰黑色或灰色，可塑；④粉質(zhì)黏土，4～10 m，灰黑色或灰色，硬塑或可塑，局部含小塊石。

勘察中采取原狀土試樣，按照土工試驗(yàn)規(guī)程對(duì)所取土樣進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，得到各地層物理力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)如表1所示。

表1　試驗(yàn)路段地基土層物理力學(xué)指標(biāo)匯總表

2研究方法

2.1試驗(yàn)路段土工織物散體樁設(shè)計(jì)參數(shù)

該工程軟土地基路段采用土工織物散體樁地基加固處理方案，清除地表土，換填0.5 m厚碎礫石材料，其下用直徑0.5 m的土工織物散體樁處理。設(shè)計(jì)散體樁長4.5 m，各樁按正三角形布置，樁間距1.5 m。樁體材料為采用含泥量不超過5%的碎石、卵石，顆粒一般粒徑2～5 cm，最大粒徑不大于7 cm。

2.2可變能量動(dòng)力觸探

為了了解試驗(yàn)路段地基地層結(jié)構(gòu)和各土層的地基強(qiáng)度變化，應(yīng)用法國sol-solution公司生產(chǎn)的PANDA2可變能量貫入儀，對(duì)試驗(yàn)路段地基強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。PANDA2可變能量貫入儀具有操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、效率高、對(duì)路基損壞小等優(yōu)點(diǎn)[14]。以K3+755斷面為例，在K3+755斷面同一位置、不同時(shí)間做動(dòng)力觸探，兩次觸探分別為土工織物散體樁施工前和散體樁施工后，圖2為試驗(yàn)儀器照片，圖3為貫入試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片。圖4和圖5分別為土工織物散體樁施工前和施工后地基土的動(dòng)力觸探錐頭阻力變化曲線圖。

圖2　PANDA2動(dòng)力觸探儀器

圖3　PANDA2動(dòng)力觸探貫入試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

2.3沉降監(jiān)測(cè)

通過現(xiàn)場(chǎng)勘察，根據(jù)工程要求、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和施工工藝等因素，選定了兩個(gè)具有代表性的斷面，分別為K3+550和K6+750，并在各個(gè)路基的橫斷面布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，位置分別為道路的左路肩、中線和右路肩，如圖6所示。

圖4　散體樁施工前地基土動(dòng)力觸探錐頭阻力變化曲線

圖5　散體樁施工后樁間土動(dòng)力觸探錐頭阻力變化曲線

圖6　沉降監(jiān)測(cè)斷面觀測(cè)點(diǎn)布置示意圖

臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)在距離道路以外50 m的位置，水準(zhǔn)點(diǎn)基礎(chǔ)埋深3.0 m，保證該水準(zhǔn)點(diǎn)不受季節(jié)性凍融的影響。在各觀測(cè)點(diǎn)位置設(shè)置沉降標(biāo)，定期對(duì)K3+550和K6+750斷面測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7　K3+550斷面沉降曲線

圖8　K6+750斷面沉降曲線

3結(jié)果與分析

3.1動(dòng)力觸探數(shù)據(jù)分析

對(duì)比圖5和圖6可知，在土工織物散體樁施工后，復(fù)合地基中樁間土的軟土層(沼澤土和低液限黏土)的地基強(qiáng)度有了很明顯的提升。如圖9所示為散體樁施工前后觸探值變化曲線，橫坐標(biāo)表示為散體樁施工后觸探值減去施工前觸探值的差值?？芍?，散體樁施工后樁間土的動(dòng)力觸探錐頭阻力由0.5～5.0 MPa提升到5～10 MPa，表明土工織物散體樁施工后，軟土地基強(qiáng)度顯著提升。

3.2沉降數(shù)據(jù)分析

如圖7所示，K3+550斷面沉降監(jiān)測(cè)開始于2013年8月26日，至2014年8月26日結(jié)束，監(jiān)測(cè)時(shí)間為一年，K3+550斷面左路肩、道路中線和右路肩位置的總沉降量分別為37.8、39.1、36.8 cm。

K3+550試驗(yàn)路段于2013年10月10日開始土工織物散體樁打樁作業(yè)，于2013年10月20日作業(yè)結(jié)束。從2013年10月10日—20日，K3+350斷面路基左、中、右位置沉降量分別達(dá)18.0、19.9、17.1 cm，其總沉降量分別為20.9、23.0、19.8 cm。K3+550試驗(yàn)路段在2013年10月23日—11月13日期間路基填土作業(yè)4次，填土總高度為1.7 m，在這期間，K3+350斷面路基左、中、右位置的沉降量分別為13.0、13.2、13.1 cm，其總沉降量分別為33.9、36.2和32.9 cm。從2013年11月末—2014年5月初，由于冬季停止施工，道路的沉降量很小。K3+550試驗(yàn)路段于2014年5月13日—6月13日期間進(jìn)行路基填土和路面鋪筑，路基高度增加至2.6 m；在這期間，K3+350斷面路基左、中、右位置的沉降量分別為1.6、1.4、1.6 cm，其總沉降量分別為37.5、39.0、36.5 cm；道路于2014年6月中旬修筑完畢，在此之后道路投入運(yùn)營，K3+550試驗(yàn)路段于2014年6月17日—8月26日期間的沉降量不足0.5 cm，路基趨于穩(wěn)定。

如圖8所示，K6+750斷面沉降監(jiān)測(cè)開始于2013年8月26日，至2014年8月26日結(jié)束，監(jiān)測(cè)時(shí)間亦為1 a，K6+750斷面左路肩、道路中線和右路肩位置的總沉降量分別為34.1、35.2、33.1 cm。K6+750試驗(yàn)路段于2013年10月10日開始土工織物散體樁打樁作業(yè)，并于2013年10月20日作業(yè)結(jié)束，從2013年10月10日—20日的時(shí)間內(nèi)，K6+750斷面路基左、中、右位置沉降量分別達(dá)14.4、19.0、13.1 cm。道路于2014年6月中旬修筑完畢，在此之后道路投入運(yùn)營，K6+750試驗(yàn)路段于2014年6月17日—8月26日期間的沉降量不足0.5 cm，路基趨于穩(wěn)定。K6+750斷面的沉降值曲線的沉降規(guī)律與K3+550斷面相似。

由K3+550和K6+750兩個(gè)斷面的沉降規(guī)律可知：道路施工過程中，土工織物散體樁施工前，由于換填施工，道路路基左路肩、道路中線和右路肩位置產(chǎn)生小量沉降；在土工織物散體樁施工過程中，道路路基左、中和右位置的沉降速率均較大，沉降量可達(dá)16～20 cm，可知，土工織物散體樁的排水固結(jié)作用明顯。土工織物散體樁施工后，進(jìn)行路基填土施工，施工加載使得軟土層進(jìn)一步排水、固結(jié)。在此過程中，道路的沉降值也較大，達(dá)10～14 cm。由于路基在土工織物散體樁和路基填土施工過程中沉降量很大，在此期間，基本完成排水固結(jié)過程。在冬季，因沒有施工加載過程，道路路基沉降較?。辉诘诙甏杭镜穆访驿佒┕み^程中，道路的沉降值很小，最大不足2 cm；在道路投入運(yùn)營以后的3個(gè)多月內(nèi)，道路路基的沉降量不足0.5 cm，路基趨于穩(wěn)定。

圖9　散體樁施工前后動(dòng)力觸探錐頭阻力變化曲線

由同撫公路至青龍山農(nóng)場(chǎng)支線公路工程建設(shè)項(xiàng)目K3+550和K6+750試驗(yàn)路段土工織物散體樁法加固處理沼澤軟土地基沉降觀測(cè)結(jié)果可知，工程采用土工織物散體樁法加固處理沼澤軟基效果良好，試驗(yàn)路段地基的沉降量絕大部分發(fā)生在土工織物散體樁施工過程和道路路基填土施工過程中，路基填筑完成，并經(jīng)歷一個(gè)凍融循環(huán)后，工后沉降量很小，完全滿足規(guī)范要求。結(jié)果表明：土工織物散體樁在加固道路的地基承載力的同時(shí)，還起到加速軟土地基的排水、固結(jié)等作用，從而加速的道路路基的沉降固結(jié)，使得路基的沉降固結(jié)在土工織物散體樁施工過程和路基填土施工過程中完成，以大大減少路基的工后沉降。

4結(jié)論

在土工織物散體樁施工后，動(dòng)力觸探錐頭阻力由0.5～5.0 MPa提升到5～10 MPa，復(fù)合地基中樁間土的軟土層地基強(qiáng)度有了明顯提升，加固地基效果明顯。地基沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，道路路基的沉降量絕大部分發(fā)生在土工織物散體樁施工過程中和道路路基填土施工過程中，在路基填筑完成后的工后沉降量很小，表明試驗(yàn)段所采用的土工織物散體樁加固沼澤軟基方法應(yīng)用效果良好。土工織物散體樁在三江平原沼澤軟土地基處理中應(yīng)用結(jié)果表明，該方法可加速軟基排水固結(jié)，具有在寒區(qū)沼澤軟土地基處理應(yīng)用推廣價(jià)值。

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Reinforcing the Marsh Wetland Foundation in Seasonal Frozen Area with Geotextiles Repose of Pile

Cai Yingyu, Jiao Hong

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China); Hu Zhaoguang, Shan Wei, Guo Ying(Institute of Cold Regions Science and Engineering, Northeast Forestry University)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(6)：84-88.

Taking Qinglongshan Farm subcircuit regional test section of Tongfu Road as the research object, we studied the application effect of geotextiles medium pile reinforce the foundation in seasonal frozen soil area swampy ground. Using the in-situ drilling exploration and dynamic sounding survey, we obtained area distribution of soft soil thickness swamp, and did indoor physical and mechanical test of soil sample on every depth. We used dynamic sounding survey to test the road foundation soil strength changes before and after the geotextiles medium pile treatment. After the repose of pile construction, the dynamic cone head resistance was raised from 0.5-5 MPa to 5-10 MPa, and the strength of soil in the soft layer between piles in composite foundation was improved significantly. We chose two monitoring sections on the road, set monitoring piles on the each section in settlement of subgrade center line and on both sides of the road shoulder to monitor the monitoring piles foundation settlement before and after reinforcement and roadbed filling. The foundation settlement occurred in geotextiles repose of subgrade filling pile construction process and construction process for the most part, the settlement was small after roadbed filling completion, and the adoption of geotextiles repose of the pile foundation reinforcement treatment effect was good by the embankment test section.

KeywordsGeotextiles repose of the pile; Road; Subgrade; Seasonal frozen area; Sanjiang marsh

第一作者簡(jiǎn)介：蔡瀅玉，女，1993年12月生，東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，碩士研究生。E-mail：1339910119@qq.com。 通信作者：郭穎，寒區(qū)科學(xué)與工程研究院(東北林業(yè)大學(xué))，高級(jí)工程師。E-mail：samesongs@163.com。

收稿日期：2016年1月29日。

分類號(hào)U416.1+68

1)黑龍江省科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12533017)。

責(zé)任編輯：戴芳天。