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        黃土區(qū)高鐵路基擠密樁樁間土擠密效果檢測與影響因素研究

        2021-02-25 13:01:18趙永虎李紅義王秉勇
        關(guān)鍵詞:效果檢測施工

        韓 侃,趙永虎,李紅義,王秉勇

        (1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,蘭州 730000; 2.中國中鐵科學(xué)研究院有限公司,成都 611731)

        引言

        擠密樁處置地基是采用擴(kuò)孔設(shè)備將地基土體擠密成孔后,將灰土、水泥土等填料填入孔內(nèi)擠密成樁體而形成的復(fù)合地基,以承受上部荷載、控制地基變形[1]。目前針對各類擠密樁的加固承載機(jī)理[2-3]和適用性等[4-5]方面開展了較多研究。A. Ezoe研究出一種新型擠密沙樁,并對其在黏性土和軟土中的應(yīng)用效果進(jìn)行了研究[6-7]。朱彥鵬等[8-9]對樁基負(fù)摩阻力影響因素進(jìn)行了現(xiàn)場研究。米周林等[10]研究了水泥土擠密樁在高層建筑地基中的應(yīng)用效果。陳福江等[11-12],研究了擠密樁在濕陷性黃土隧道基底處理中的應(yīng)用效果。付雄[13]結(jié)合鄭西客運(yùn)專線洛陽南站內(nèi)濕陷性黃土地區(qū)高填方路基的設(shè)計(jì)方案、計(jì)算理論及現(xiàn)場沉降測試,對采用CFG樁聯(lián)合水泥擠密樁處理客運(yùn)專線鐵路黃土高路堤地基進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)研究。

        然而在擠密樁樁間土擠密效果檢測方法與檢測標(biāo)準(zhǔn)方面,各行業(yè)目前尚未形成完善的標(biāo)準(zhǔn)體系,鐵路行業(yè)僅僅參照工民建行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定了相應(yīng)的路基驗(yàn)收規(guī)范,如TB10414—2018《鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》[14]中規(guī)定樁間土擠密效果用靜力觸探或標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法在樁間土形心點(diǎn)進(jìn)行檢測,規(guī)范中均未明確檢測標(biāo)準(zhǔn),只泛泛地要求應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。在TB10751—2018《高速鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》[15]中規(guī)定樁間土擠密效果用鉆機(jī)取樣的方法是在孔之間形心點(diǎn)附近擠密深度內(nèi)每2 m測定一次干密度,再換算成最小擠密系數(shù)進(jìn)行檢測,但仍然未對樁間土擠密系數(shù)做明確規(guī)定,僅要求滿足設(shè)計(jì)規(guī)定即可。因此,目前尚未針對鐵路自身工程特點(diǎn)提出本行業(yè)的地基處理檢測指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn),而且擠密樁樁間土質(zhì)量檢測方法可操作性較差,現(xiàn)場大開大挖或鉆機(jī)取土的不規(guī)范性[16],對工程進(jìn)度和質(zhì)量影響較大,給現(xiàn)場施工和質(zhì)量檢測造成諸多不便。

        鑒于此,結(jié)合中衛(wèi)—蘭州高速鐵路(以下簡稱“中蘭高鐵”)濕陷性黃土區(qū)段,采用水泥土擠密樁處理后,通過開挖探井和洛陽鏟取樣的方式對試樁擠密效果進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),并對其施工工藝進(jìn)行了總結(jié),以便為鐵路工程擠密樁處理效果評價(jià)和現(xiàn)場取樣檢測提供指導(dǎo),并為鐵路行業(yè)樁間土擠密效果檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定提供相關(guān)依據(jù)。

        1 工程概況

        1.1 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)條件

        中蘭高鐵沿線黃土梁峁相間,黃土陷穴較發(fā)育。線路甘肅段所經(jīng)黃土寬谷區(qū),地形較平坦,地表多為砂質(zhì)黃土,局部沖溝內(nèi)新近系和白堊系基巖出露。黃土成因復(fù)雜,類型多樣,主要以風(fēng)積和沖洪積砂質(zhì)黃土為主,粉粒含量高,具有黏聚力弱、濕陷性強(qiáng)烈及含水率低等特點(diǎn),濕陷性黃土厚度多在20~35 m,局部濕陷厚度可達(dá)50 m。因此,需要對濕陷性黃土區(qū)段采取消除或減弱濕陷性等級的措施,以保證工后沉降量、滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求。然而選擇適宜又經(jīng)濟(jì)的處理方式顯得尤為重要。

        1.2 地基加固處理方式

        中蘭高鐵黃土地基主要采用水泥土擠密樁和CFG樁進(jìn)行加固處理。一般路基地段采用水泥土擠密樁處理,擠密樁設(shè)計(jì)樁間距1.0 m,樁徑0.4 m,樁長8.0~10.0 m,正三角形布置;高路堤及橋路過渡段采用CFG樁及水泥土擠密樁套打,擠密樁樁間距采用0.9 m,按正方形布置。設(shè)計(jì)樁間土擠密系數(shù)不小于0.93,濕陷系數(shù)小于0.015。

        中蘭高鐵DK0+440~DK0+850段路基基底采用水泥擠密樁處理。為了準(zhǔn)確了解濕陷性黃土地區(qū)樁間土擠密效果,現(xiàn)場對樁長范圍內(nèi)不同深度、不同樁間距、樁徑方向不同位置處采用開挖探井和洛陽鏟取樣,對試樁擠密效果進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。相對于其他機(jī)械取樣方式,最大可能減小取樣過程對樁間土體大范圍的擾動(dòng),保證測試結(jié)果的精確性,同時(shí),對施工進(jìn)度和施工現(xiàn)場的影響減小到最低程度。

        2 擠密效果檢測與主要影響因素分析

        2.1 樁間土不同深度擠密效果研究

        按照設(shè)計(jì)要求,擠密樁成孔直徑為0.4 m,樁間距1.0 m,樁長8.0 m,按等邊三角形布置,具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

        表1 試樁設(shè)計(jì)參數(shù)

        在兩樁中心處開挖探井(圖1),在深度范圍內(nèi)每隔1.0 m取樣,測定干密度并進(jìn)行室內(nèi)壓縮試驗(yàn)。

        圖1 開挖探井取樣

        現(xiàn)場共開挖6個(gè)探井,每個(gè)探井每米檢測1次干密度,共檢測8個(gè)點(diǎn)位的干密度值,試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2。從表2可以看出,水泥土擠密樁樁間土擠密系數(shù)均大于0.93,且數(shù)據(jù)波動(dòng)不大,受土層影響小,擠密效果良好。擠密系數(shù)最大值為0.96,最小值為0.93,平均值為0.94;壓縮模量最大值為35.5 MPa,最小值為16.3 MPa,平均值22.3 MPa。沿樁長方向不同深度的干密度測試值見圖2。

        表2 水泥土擠密樁處理后樁間土參數(shù)統(tǒng)計(jì)

        圖2 樁間土干密度隨深度變化曲線

        從圖2可以看出,樁間土的擠密效果自上而下有逐漸增加的趨勢,地表附近受施工的影響擠密效果較差,樁底附近相對較好。

        2.2 樁間土樁徑方向擠密效果研究

        在3根樁的形心位置、樁外側(cè)0.1 m和樁外側(cè)0.3 m處采用洛陽鏟掏土的方式進(jìn)行取樣測定干密度,取樣點(diǎn)位置見圖3。

        圖3 取樣點(diǎn)位置示意(單位:m)

        圖5 不同樁間距試樁探井布設(shè)(單位:mm)

        分別對樁徑方向3個(gè)位置的不同深度進(jìn)行取樣試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可以看出,樁外側(cè)0.1 m處擠密系數(shù)最大值為0.95,最小值為0.92,平均值0.94;樁外側(cè)0.3 m處擠密系數(shù)最大值為0.93,最小值為0.90,平均值0.92;形心位置處擠密系數(shù)最大值為0.90,最小值為0.87,平均值0.89。

        表3 樁徑方向不同位置擠密系數(shù)

        結(jié)果表明,樁間土形心位置的擠密系數(shù)最小,距樁中心外側(cè)0.1 m的擠密系數(shù)大于樁外側(cè)0.3 m的擠密系數(shù)。以距樁中心的距離和擠密系數(shù)為坐標(biāo),即(0.1,0.95)、(0.3,0.93)、(0.58,0.89)繪制折線圖,見圖4,可以看出擠密系數(shù)和距樁中心距離存在明顯的線性關(guān)系,即距樁中心距離越近,擠密效果相對較好,但樁間土形心位置受相鄰樁的影響,擠密效果較差。

        圖4 距樁中心距離與擠密系數(shù)變化

        2.3 不同樁間距樁間土擠密效果研究

        將試樁的樁間距分別調(diào)為0.9,1.2,1.5 m,并在形心位置取樣進(jìn)行試驗(yàn),試樁探井布設(shè)情況見圖5。擠密系數(shù)隨樁間距的變化規(guī)律如圖6所示。樁間土擠密效果隨著樁間距的增大而減小,當(dāng)樁間距為0.9 m和1.2 m時(shí),其平均擠密系數(shù)均大于0.93,當(dāng)樁間距增大到1.5 m時(shí),其平均擠密系數(shù)減小到0.90。根據(jù)濕陷性系數(shù)和擠密系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)的相關(guān)要求,本工程建議將水泥土擠密樁樁間距調(diào)整為0.9~1.2 m。

        圖6 樁間土平均擠密系數(shù)隨樁間距的變化曲線

        2.4 天然土含水率對擠密效果的影響分析

        試驗(yàn)表明,地基土的含水率對擠密樁樁間土的擠密效果影響較大。在西北干旱地區(qū),濕陷性黃土層的含水量普遍比較低,土層呈比較堅(jiān)硬的狀態(tài),樁間土擠密非常困難,不宜直接進(jìn)行路基地基處理。在中蘭高鐵前期試驗(yàn)段,普遍存在樁間土擠密系數(shù)不滿足設(shè)計(jì)要求的情形,隨后經(jīng)多方溝通和現(xiàn)場試驗(yàn),最后采取了地基土增濕的措施,使地基土平均含水量盡量接近最優(yōu)含水量,才確保了樁間土的擠密質(zhì)量。

        2.5 成孔工藝和施工順序的影響

        擠密樁施工中目前主要有擠密成孔法和預(yù)鉆孔夯擴(kuò)擠密法兩種。前者處理地基深度較小,且施工中易出現(xiàn)塌孔、孔壁不規(guī)整等問題;后者雖能處理深孔,但需要寬闊場地方能施工,在狹小空間其適用性受到限制。由于兩種方法的施工要求和成孔工藝不同,對擠密樁樁間土擠密的效果和影響也比較大,因此,在擠密樁施工過程中選擇適合的成孔工藝非常重要。

        現(xiàn)場施工過程中的擠密順序?qū)堕g土的擠密效果影響也比較大。為保證擠密效果,現(xiàn)場一般采用隔排隔行跳打的方式,為了防止施工過程中各孔之間相互擠壓造成變形或坍陷的影響,成孔后需盡快回填,成片的擠密樁處理樁基一般由里向外進(jìn)行施工,對局部的地基處理樁基宜由外面向里面進(jìn)行擠密施工。

        3 中蘭高鐵濕陷性黃土地基的擠密處理應(yīng)對措施

        3.1 施工現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的問題

        在施工現(xiàn)場進(jìn)行水泥土擠密樁試樁過程中,發(fā)現(xiàn)對施工完畢的擠密樁樁間土取樣檢測后,局部區(qū)段擠密系數(shù)為0.88~0.93,達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,但是樁間土濕陷系數(shù)已小于0.015,濕陷性消除,滿足設(shè)計(jì)要求,達(dá)到處理效果。隨后,加大擠密樁試樁檢測頻率,從檢測、施工及設(shè)計(jì)三方面依次分析原因。經(jīng)分析,樁間土擠密系數(shù)不滿足設(shè)計(jì)要求主要原因?yàn)椋植繀^(qū)段地基黃土含水率較低且施工控制不足導(dǎo)致。

        3.2 應(yīng)對措施

        針對中蘭高鐵前期對黃土地區(qū)路基基底處理擠密樁樁間土擠密系數(shù)不滿足設(shè)計(jì)的情況,參建各方組織召開會議進(jìn)行了論證,結(jié)合現(xiàn)場試樁情況,優(yōu)化施工方案,調(diào)整樁間土設(shè)計(jì)擠密系數(shù),局部黃土含水率較低地段采用注水增濕方案,提高地基土含水率后再進(jìn)行擠密樁施工。

        在試驗(yàn)區(qū)預(yù)打增濕孔,通過加水增濕后重新鉆孔取樣,測定含水率情況見表4。其中1號孔距增濕孔0.2 m,2號孔距增濕孔0.5 m,3號孔距增濕孔0.8 m。

        表4 增濕后含水率測定

        從表4可以得出:受地基土增濕后勻質(zhì)性和增濕距離的影響,水平方向距離增濕孔近的含水率明顯高于遠(yuǎn)的;豎直方向在孔深5 m以上地基土平均含水率多數(shù)比最優(yōu)含水率高,在孔深5 m以下,地基土平均含水率要低于最優(yōu)含水率3%~5%,所以增濕后要根據(jù)現(xiàn)場具體情況重視對地基土平均含水率的檢測,只有多數(shù)地基土含水率接近最優(yōu)含水率,才能保證擠密效果并進(jìn)行下一步施工。

        4 結(jié)語

        依托中蘭高鐵某路基工程,通過對擠密樁的現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,得出主要結(jié)論如下。

        (1)樁間距對于擠密樁樁間土的擠密效果影響顯著,合理的樁間距可得到較好的擠密效果;通過濕陷性系數(shù)和擠密系數(shù)兩個(gè)評價(jià)指標(biāo)的綜合分析,本工程合理樁間距為0.9~1.2 m,設(shè)計(jì)樁間距為1.0 m。

        (2)樁間土擠密效果在樁徑方向存在著明顯的線性關(guān)系,即距樁中心距離越近,擠密效果相對較好,但樁間土形心位置受相鄰樁的影響,擠密效果反而較差。

        (3)樁間土擠密效果在豎直方向自上而下有逐漸增加的趨勢,地表附近受施工的影響擠密效果較差,樁底附近相對較好,所以現(xiàn)場要把控好擠密樁樁頂附近的施工質(zhì)量。

        (4)重視對地基土實(shí)施增濕或減濕措施后的效果驗(yàn)證。只有當(dāng)測定的地基土含水率與最優(yōu)含水率相差不大時(shí),才能保證擠密效果。

        (5)天然含水率、成孔工藝、施工順序、取樣方法等因素均在不同程度上影響擠密樁的檢測效果。

        (6)檢測取樣的方法直接影響土樣的原狀性和檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性,建議采用開挖探井或優(yōu)化鉆機(jī)取土器的方法取樣。

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