趙新瑞

(青海省交通建設(shè)管理有限公司 西寧 810021)

引言

液化現(xiàn)象是指飽和砂土受到振動荷載的作用，喪失了抗剪強(qiáng)度而發(fā)生失穩(wěn)[1]，地震時經(jīng)常會發(fā)生。Casagrade通過對無黏性土在剪切變形中體積發(fā)生變化的特性進(jìn)行研究，提出用臨界孔隙比去解釋砂土液化的原因；隨后，Moslov通過巴爾坎砂土振動密實實驗，總結(jié)提出飽和砂土穩(wěn)定性動力破壞滲透理論。周海林等[2]為研究孔隙水壓力在砂土液化中的發(fā)展過程，開展動三軸實驗，得到了砂土液化與孔隙水壓力的關(guān)系，以及不同發(fā)展階段孔隙水壓力的變化過程等。劉漢龍等[3，4]為研究飽和重塑粉質(zhì)土性質(zhì)，采用多功能靜動液壓剪切儀進(jìn)行了室內(nèi)試驗，研究土樣孔壓變化規(guī)律。王建黨、張勝穩(wěn)等[5，6]提出采用強(qiáng)夯法處理鹽漬土，從濕陷性鹽漬土的濕陷機(jī)理與強(qiáng)夯機(jī)理進(jìn)行分析，并結(jié)合實際工程介紹了強(qiáng)夯處理法的施工要點、施工方法和施工工藝等，對不同夯擊能作用下的處理效果進(jìn)行探討。

鹽漬土是易溶鹽含量大于0.3%的土。氯鹽漬土易遭溶蝕而產(chǎn)生濕陷、坍塌等病害。從20世紀(jì)40年代起，蘇聯(lián)工程師們就開始對鹽漬土工程特性進(jìn)行研究，我國從20世紀(jì)70年代起，開始了對鹽漬土的大量實驗研究。鐵道建筑研究所、中鐵西北研究所和鐵道第一勘察設(shè)計院等[7，8]分別針對察爾汗湖鹽漬土地區(qū)的亞氯鹽、亞硫酸鹽和氯鹽漬土的工程相關(guān)特性對路基工程的不利影響及處理措施進(jìn)行了探究。秦寶和(2007)結(jié)合武廣客運專線沿線的鹽漬土開展強(qiáng)夯和強(qiáng)夯置換工藝試驗，較好的處理了工程面臨的實際問題。從研究現(xiàn)狀看，鹽漬土作為路堤填料的研究較少，未形成看借鑒的技術(shù)資料。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國外對鹽堿沼澤研究較為少見，多以對鹽漬土和沼澤軟土分別進(jìn)行研究[9-11]。目前，國內(nèi)外鹽漬軟土地基綜合治理技術(shù)主要包括：鹽巖填充，土壤替代墊層法，改良(路基)法，斷層分離法，強(qiáng)夯法和強(qiáng)夯置換法，顆粒樁等。

1 工程概況

德令哈至香日德公路位于青海省海西州境內(nèi)，處于柴達(dá)木盆地東部邊緣，是G6京藏高速聯(lián)絡(luò)線G0615德令哈至馬爾康公路的組成部分，路線全長176.49km。項目沿線地質(zhì)復(fù)雜，地下水豐富、埋藏較淺，地基土質(zhì)以風(fēng)積沙、粉細(xì)沙土和軟弱黏土為主要成分，礦化度較高，水草沼澤路段大多伴隨著鹽堿土和地震液化現(xiàn)象，施工難度極大。地震液化及其和鹽堿沼澤共生路段地基處理技術(shù)是德香公路建設(shè)的重點和難點問題[12，13]。

設(shè)計中將該路段劃分為嚴(yán)重液化等級和中等液化等級兩個級別后，分別采取振動擠密礫石樁和強(qiáng)夯置換兩種處理方法。施工中采用沖擊碾壓處理和等載預(yù)壓方案，將會導(dǎo)致工期受到影響，同時也會由于深層得不到有效處理增加工后沉降和地震液化的可能，因此有必要綜合考慮水草沼澤地基鹽堿影響和地震液化的同時，保障施工期沉降穩(wěn)定和控制工后沉降。

2 地震液化與鹽漬土地基處治方案

由于德香公路大部分液化土地基與鹽堿水草沼澤共生，因此地基處理不僅要消除地震液化，還要滿足承載力和基礎(chǔ)穩(wěn)定性。本文以碎石樁和強(qiáng)夯置換為主要方案，研究共生地基處理技術(shù)。

德香高速公路的地層土壤為粉質(zhì)砂質(zhì)土壤，呈薄鹽晶層，為氯鹽型高鹽土壤強(qiáng)鹽漬土。鹽晶的厚度一般為2.0～10.0m。鹽漬土中的鹽水晶體腐蝕性強(qiáng)，溶液沉降性強(qiáng)，工程地質(zhì)性能差，不適合天然地基。為確保路基的穩(wěn)定性不受地下水影響，選用碎石樁(K90+000～K108 +400)和強(qiáng)夯置換法(K62+116～K67+475.8)作為地基處理的主要方法。德香高速公路鹽漬土和鹽堿沼澤特殊路基設(shè)計見表1。

表1 德香公路鹽漬土、鹽堿沼澤特殊路基設(shè)計

3 礫石樁復(fù)合地基加固效果試驗研究

在碎石樁的設(shè)計過程中，為了避免干燥和略濕的鹽漬土中的鹽塌陷，應(yīng)首先清理碎石樁周圍的多年鹽殼，然后對碎石樁復(fù)合地基進(jìn)行處理。具體設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 礫石樁加固主要設(shè)計參數(shù)表

3.1 礫石樁處治設(shè)計

3.1.1 樁體材料

對于鹽漬土地區(qū)，樁的材料應(yīng)為中粗砂，砂礫，角礫巖，礫石，砂礫等具有耐腐蝕性的材料。 應(yīng)采取當(dāng)?shù)夭牧弦越档蜕a(chǎn)和運輸成本。礫石樁由砂和礫石(以下稱為礫石樁)制成，最大粒徑不大于80mm。5～50mm的含量不低于50%，含泥量低于5%。風(fēng)化石不能用作填料。

3.1.2 樁徑

碎石樁的直徑應(yīng)根據(jù)地基承載力，樁基材料的形狀，地基的適應(yīng)性(地基土的結(jié)合力)，樁的形成方法，樁的形成難度和能力確定機(jī)械設(shè)備。目前，在公路工程中，大多采用0.3～0.6m的樁徑，0.5m的樁徑是最廣泛使用的。通過綜合分析，德香公路基礎(chǔ)碎石樁直徑為0.5m。

3.1.3 樁長

樁長取決于地基承載力，軟土厚度，地基變形和地質(zhì)條件，但也受施工機(jī)械的限制。 當(dāng)軟土層厚度較小且承載層較硬時，樁長應(yīng)為道路的堅硬承載層;但當(dāng)軟土層較厚時，樁長應(yīng)根據(jù)地基承載力，地質(zhì)條件和施工機(jī)械確定，最終樁長應(yīng)根據(jù)試樁的處理效果確定。 德香高速公路碎石樁長度初步設(shè)計為8m。

3.1.4 樁間距

樁間距應(yīng)通過現(xiàn)場試驗確定。對于砂和粉砂基礎(chǔ)，不容易比樁直徑大4.5倍;對于黏土基礎(chǔ)，不容易比樁直徑大3倍。初步設(shè)計可根據(jù)地基處理前土壤的空隙率E0和地基處理后所需的空隙率E1計算。德香高速公路碎石樁間距初步設(shè)計為1.5m。

3.1.5 樁的平面布置及其他

在公路工程中，碎石樁通常采用等邊三角形或方形排列，依靠樁的壓實和位移，使基礎(chǔ)壓實更均勻，避免施工后不均勻沉降。由于德香鹽湖地區(qū)大部分地區(qū)表面濕潤柔軟，碎石樁機(jī)不能進(jìn)入，或者造紙機(jī)施工過程中沉降引起機(jī)械沉降和傾斜。在碎石樁施工前，應(yīng)在地基處理范圍內(nèi)鋪設(shè)0.3～0.5m厚的墊層，并充分壓實。此外，碎石樁施工會產(chǎn)生一定的振動。為確保相鄰建筑物和構(gòu)筑物的安全，樁機(jī)與建筑物或構(gòu)筑物之間的安全距離應(yīng)大于8m。

德香公路礫石樁排列成等邊三角形，樁間距1.5m。布局圖如圖1所示。

圖1 礫石樁處治布置圖

3.2 礫石樁處治施工

在碎石樁施工中采用振動沉管法(逐漸拉管法)，依次采用排樁法，即從一端到另一端，或采用交錯驅(qū)動的方法形成樁。施工技術(shù)和施工要求的初步設(shè)計如下：

3.2.1 施工技術(shù)

(1)打樁機(jī)進(jìn)入現(xiàn)場前，應(yīng)先進(jìn)行安裝調(diào)試，保證機(jī)器的正常運行后到位。

(2)振動器(樁管)與設(shè)計的樁位對齊并振動以將土壤擠入孔中。

(3)提起振動器，從上部入口注入砂和礫石進(jìn)行振動夯實。管道拉拔的最佳速度為1.5～3.0m/min。砂礫石的高度一般為1.0～1.5m，保留時間控制在10～20s范圍內(nèi)。

(4)重復(fù)(3)步驟，直到將樁堆到孔口。

(5)關(guān)閉并移動到下一個點。

3.2.2 施工要求

(1)樁身垂直度不應(yīng)超過1.5L / 100(L為樁長)。

(2)樁點平面位置誤差不大于15cm。

(3)樁的長度和直徑不小于設(shè)計值(如果在建筑中的樁體范圍內(nèi)遇到硬層并且由監(jiān)督工程師批準(zhǔn)作為承載層，則可以停止鉆孔)

3.3 現(xiàn)場測試

在增強(qiáng)處理之后，使用重(II)動態(tài)滲透測試來測試增強(qiáng)效果。標(biāo)準(zhǔn)穿透試驗和板載試驗用于測試加固效果。具體測試設(shè)計如表3。

表3 試驗設(shè)計

相關(guān)測試設(shè)備和技術(shù)要求遵循《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)。動力觸探試驗中，深度是基于設(shè)計樁的長度，其長度在每個監(jiān)測樁底部下方20cm至50cm處。單個樁體貫穿設(shè)計樁長1m。穿透試驗中的錘擊次數(shù)約為15次，即中等密度。在原始表面和樁之間的土壤上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)滲透試驗?，F(xiàn)場打樁施工如圖2所示，板載試驗如圖3所示。

圖2 現(xiàn)場成樁

圖3 現(xiàn)場平板載荷試驗

3.4 試驗數(shù)據(jù)分析

3.4.1 復(fù)合地基承載力

單樁、樁間土及復(fù)合地基的荷載試驗曲線如圖4、圖5、圖6所示。計算數(shù)據(jù)如表4所示。該圖表顯示曲線平滑且規(guī)則。

表4 原地表和樁間土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗結(jié)果

圖4 單樁，樁間土及單樁復(fù)合地基載荷試驗曲線

圖5 單樁及樁間土載荷試驗曲線

圖6 單樁復(fù)合地基載荷試驗曲線

試驗得到碎石樁承載力為402kPa，樁間土承載力為120kPa，單樁復(fù)合地基承載力為233kPa，均符合設(shè)計要求。復(fù)合地基承載力可通過計算單樁與樁間承載力來確定。

Rcf=R1λ1mRpf+R2λ2(1-m)Rsf

(1)

其中，Rcf，Rpf和Rsf分別代表復(fù)合地基，樁身和樁間土的標(biāo)準(zhǔn)承載力值;R1和R2分別代表反映樁體與樁間土體實際承載力的修正系數(shù)，與地基地質(zhì)條件和成樁方法等因素有關(guān)?？梢钥闯觯瑥?fù)合地基的承載力是樁土共同承受的。計算時，以R1 lambda 1和R2 lambda 2為1.57，取代單樁承載力和樁間土承載力，計算得到單樁復(fù)合地基承載力232kPa(實測值為233kPa)，結(jié)果較為接近。

3.4.2 樁身強(qiáng)度及樁間土承載力分析

由于碎石樁屬于顆粒狀物料樁，樁身強(qiáng)度主要取決于碎石樁周圍鹽漬土的側(cè)壁約束。通過試驗，樁體評價為中密。從荷載試驗曲線可以看出，在前五次荷載前，五組試驗曲線相似，沉降變化較小，但這些變化主要發(fā)生在后三個荷載中，這使得沉降位移變化更加明顯。主要原因是碎石樁散物樁的緊湊性不如錘擊和壓實樁的緊湊性好。通過在頂部添加重復(fù)夯實或增加低能量夯實，可以改善樁的上部的緊湊性。然而，隨著載荷的增加，沿深度方向不能進(jìn)一步保證樁的緊湊性。由樁周土體所提供的約束能力低，并且礫石堆難以在下部和樁周圍形成完全的壓實效果。

3.4.3 復(fù)合地基變形模量計算

根據(jù)載荷試驗成果，按下式進(jìn)行計算[4]：

(2)

式中

P0—承壓板上直線變形階段的荷載(kPa)

S—與荷載P0對應(yīng)的承壓板沉降(mm)

D—承壓板直徑(mm)

泊松比砂取0.3，淤泥取0.35，黏土取0.42，礫石取0.1～0.2。

計算得到樁間土的變形模量為5.21MPa，單樁復(fù)合地基的變形模量為10.32MPa。由于樁周圍的鹽漬土被擠入樁體，在振動打樁過程中鹽和水浸入樁體中，因此計算砂礫樁體的變形模量是不合適的。根據(jù)樁土應(yīng)力比，樁體的變形模量可以計算為17.51MPa。

此外，復(fù)合地基的變形模量也可以通過以下公式確定：

ECS=R1λ1mEP+R2λ2(1-m)ES

(3)

R1λ1和R2λ2取值與前相同，將其代入公式得到：

ECS=Rλ[1+m(η-1)]ES

(4)

式中，Ecs、Ep、Es分別為復(fù)合地基、樁體以及樁間土的變形模量。

計算出的復(fù)合地基變形模量為10.11MPa，與實驗值相近，相互接近。

4 總結(jié)

(1)碎石樁復(fù)合地基承載力和彈性模量的計算值與試驗值較為接近，強(qiáng)夯置換復(fù)合地基的承載力、彈性模量可通過公式計算確定。碎石樁復(fù)合地基以及強(qiáng)夯置換復(fù)合地基在鹽漬土地基中能夠形成良好的排水通道，降低地下水位從而提高土體強(qiáng)度。強(qiáng)夯置換復(fù)合地基的效果最好，其次是碎石樁復(fù)合地基、強(qiáng)夯法和沖擊碾壓法。

(2)夯實能量是決定強(qiáng)夯、動力置換和沖擊碾壓技術(shù)中加固效果的重要指標(biāo)。其大小與加筋地基的承載力和變形模量直接相關(guān)。碎石樁屬于散體樁，由樁和樁間土共同承擔(dān)上部荷載。碎石樁的樁土應(yīng)力比約為3.2，強(qiáng)夯置換復(fù)合地基的墩土應(yīng)力比約為2.1。采用碎石樁和強(qiáng)夯置換可有效減少鹽漬土地基的沉降。