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        軟土路基加固處理技術(shù)數(shù)值分析及在公路工程中的應(yīng)用

        2022-02-01 10:21:58牟俊杰
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年36期
        關(guān)鍵詞:公路工程施工

        牟俊杰

        (寧夏公路管理中心銀川分中心,寧夏 銀川 750001)

        在公路工程中,軟土路基是一種比較常見(jiàn)的病害地質(zhì)。由于路基土壤的含水量較高、流動(dòng)性較強(qiáng),在受到上部荷載的擠壓后容易發(fā)生沉降、變形,進(jìn)而導(dǎo)致路面開(kāi)裂、錯(cuò)臺(tái)。因此,無(wú)論是從保障行車安全,還是從延長(zhǎng)公路使用壽命、降低公路養(yǎng)護(hù)成本角度,都需要做好軟土路基的加固處理?,F(xiàn)階段行業(yè)內(nèi)關(guān)于軟土路基處理的技術(shù)體系已經(jīng)比較完善,像強(qiáng)夯法、CFG樁法、超輕質(zhì)料填土法、高壓噴射灌漿法等,均在公路工程中得到了廣泛應(yīng)用。粉噴樁法屬于深層攪拌樁法的一種,其原理是利用特殊的設(shè)備,鉆入軟弱土層一定深度后,使用壓力噴射水泥粉料,然后通過(guò)攪拌讓水泥與土體混合,在水泥硬化后得到具有一定強(qiáng)度的混合土。該方法操作簡(jiǎn)便,而且不會(huì)造成污染,符合綠色施工要求,是公路工程軟土路基加固中比較理想的一種技術(shù)。

        1 軟土路基加固處理技術(shù)數(shù)值分析

        1.1 軟土路基模型的構(gòu)建

        本研究使用Plxais 軟件建立軟土地質(zhì)條件下公路路基模型,在此基礎(chǔ)上運(yùn)用二維有限元分析方法探究影響軟土路基穩(wěn)定性的因素。該模型的路堤邊坡坡度設(shè)定為1:1.3,路堤底部寬度為36.0 m。路堤斷面自上而下分為4 層,依次是填料、軟弱土層1、軟弱土層2、下臥土層,見(jiàn)圖1。

        圖1 有限元模型網(wǎng)格劃分

        在此基礎(chǔ)上繪制軟土路基有限元模型網(wǎng)格劃分圖,整個(gè)模型中共包含20 個(gè)節(jié)點(diǎn)三角形單元,形成非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格。整個(gè)模型網(wǎng)格被劃分成772 個(gè)單元、共計(jì)7 380 個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù),每個(gè)單元的平均尺寸為1.05 m。該路基的土層參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 軟土路基土層參數(shù)

        適用于軟土路基的加固處理技術(shù)有多種,比較常見(jiàn)的有換填法、強(qiáng)夯法、排水固結(jié)法、粉噴樁法等。本研究以粉噴樁加固處理軟土路基為例,利用Plaxis 軟件模擬整個(gè)施工過(guò)程。

        1.2 軟土路基加固處理過(guò)程模擬

        在Plaxis 軟件中設(shè)定粉噴樁施工的相關(guān)參數(shù),樁體直徑為50 mm,樁的長(zhǎng)度為10.0 m,相鄰兩根樁的間隔距離為1.8 m。完成粉噴樁的打樁施工后,開(kāi)始填筑路堤。采用分步施工的方式,先后分4 次進(jìn)行填筑,每一層的填筑厚度為1.5 m,兩層路堤填筑的施工間隙為14 d。然后統(tǒng)計(jì)路基沉降量,并生成路基沉降增量矢量圖。根據(jù)Plaxis 軟件提供的矢量圖,可以發(fā)現(xiàn)在填筑第一層路堤時(shí),沉降量的最大值為5.36 mm,第二、三、四層路堤的沉降量最大值分別是6.36 mm、6.80 mm、8.17 mm。從整體上來(lái)看,沉降區(qū)域集中分布在粉噴樁周圍,分析其原因是打樁作業(yè)引起了土體擾動(dòng),改變了原來(lái)軟土地基的力學(xué)平衡狀態(tài),從而發(fā)生沉降[1]。對(duì)比來(lái)看,隨著填土量的增多、填土自重的增加,路基沉降量也呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),從第一層時(shí)的5.36 mm 增加至第四層的8.17 mm。

        1.3 加固前后路基穩(wěn)定性分析

        使用粉噴樁加固軟土路基前后的邊坡安全系數(shù)見(jiàn)圖2。

        圖2 粉噴樁加固前后安全系數(shù)對(duì)比

        結(jié)合上圖可以發(fā)現(xiàn),在未采取加固處理措施前,軟土路基的安全系數(shù)僅為1.22,略高于臨界值1.0;而經(jīng)過(guò)粉噴樁加固后,路基邊坡安全系數(shù)達(dá)到了1.87,相比加固處理前提升了53.3%,加固效果明顯。由此可見(jiàn),使用粉噴樁加固軟土路基,可以將水泥、石灰等材料作為固化劑,通過(guò)與富水軟土攪拌的形式,提高復(fù)合土體的強(qiáng)度,從而將軟土地基轉(zhuǎn)變成具有一定強(qiáng)度的優(yōu)良地基。

        2 軟土路基加固處理技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用

        2.1 工程概況

        某公路工程為城市I 級(jí)主干道,總長(zhǎng)4 631.8 m,路幅寬度38.6 m,設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h。該路段內(nèi)有2座橋梁和2 座涵洞,整體呈南北向。從地質(zhì)勘察結(jié)果來(lái)看,該公路沿線地下水較為豐富,主要來(lái)源為地表水和大氣降水,6-10 月份地下水位較高,其他月份地下水位較低,水量變化較為明顯。該路段周邊覆蓋涂層以紅粘土為主,部分低洼地區(qū)有淤泥。土層類型自上而下依次為雜填土(厚度0.8~7.4 m)、紅粘土(厚度1.4~17.7 m)、砂土(厚度1.2~6.0 m)、基巖。下臥基巖有明顯風(fēng)化情況,質(zhì)地較軟、有蜂窩狀溶蝕痕跡。結(jié)合該地區(qū)的水文特點(diǎn)和地質(zhì)條件,判斷該路段地基為軟土地基,如果不采取加固處理措施極有可能導(dǎo)致路基和路面的不均勻沉降。為此,設(shè)計(jì)了以下軟土路基加固處理方案:

        對(duì)于低挖低填路段,采用換填法處理表層雜填土。使用挖掘機(jī)將表層雜填土挖出后,重新填入性狀良好的素土,并使用壓路機(jī)反復(fù)壓實(shí),作為路基持力層。素填土的放坡坡比為1:1.3,坡面使用“混凝土格構(gòu)+綠化護(hù)坡”的方式,提高蓄水固土效果。在坡腳修筑擋墻,并設(shè)置排水溝。對(duì)于挖方路段,采用粉噴樁法處理紅粘土,具體施工方法如下。

        2.2 粉噴樁法施工方案

        本次施工中所用水泥材料為42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥,使用前應(yīng)檢查水泥質(zhì)量,保證無(wú)過(guò)期、結(jié)塊等情況。同時(shí)核對(duì)水泥標(biāo)號(hào),并對(duì)安定性等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),確保符合施工要求后,按照50 kg/m 的劑量使用。該路段需要使用粉噴樁加固的軟土路基共有1 100 m,其中超過(guò)80%的粉噴樁均設(shè)置在橋頭區(qū)域,目的是減少橋頭跳車情況[2]。粉噴樁采用正三角形布置,相鄰兩根樁的間隔距離統(tǒng)一設(shè)定為1.8 m,樁體直徑為0.5 m。粉噴樁的布置見(jiàn)圖3。

        圖3 粉噴樁布置平面圖

        本次施工使用到的設(shè)備主要有粉噴樁鉆機(jī),以及配套的粉體發(fā)送器、空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)灰罐、攪拌鉆頭全站儀等。在正式施工前,要求監(jiān)理工程師在施工區(qū)域附近選點(diǎn)進(jìn)行成樁試驗(yàn),并調(diào)節(jié)粉噴樁施工的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù),包括鉆進(jìn)速度、攪拌速度、噴氣壓力等。各項(xiàng)參數(shù)確定以后,方可正式開(kāi)展粉噴樁施工。

        2.3 粉噴樁法施工要點(diǎn)

        施工前做好場(chǎng)地平整處理,對(duì)于部分低洼地區(qū)要使用粘性土填平。然后根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行樁位放樣,標(biāo)記處樁位點(diǎn),并確保誤差在20 mm 以內(nèi)。各類施工機(jī)具到場(chǎng)后,啟動(dòng)粉噴樁鉆機(jī)從1#樁位點(diǎn)開(kāi)始鉆掘。現(xiàn)場(chǎng)施工人員要密切觀測(cè)鉆進(jìn)深度,在鉆頭下沉至樁底標(biāo)高位置后,旋轉(zhuǎn)噴射水泥干粉,保證水泥干粉能夠與軟土充分混合。在樁底停留噴粉60 s 后,開(kāi)始提升鉆頭,每次提升高度為50 cm,然后在該位置處繼續(xù)停留噴粉60 s[3]。按照上述方法,直到鉆頭提升至距離地面50 cm 后停止,可以避免水泥干粉噴出地面造成污染。然后重復(fù)攪拌下沉至樁底標(biāo)高位置,重復(fù)提升至地面50 cm 處,完成1#樁位的粉噴樁施工。將粉噴樁鉆機(jī)移動(dòng)至2#樁位,重復(fù)上述施工操作。對(duì)于已經(jīng)完成施工的1#樁位,現(xiàn)場(chǎng)施工人員還要繼續(xù)進(jìn)行回填、壓實(shí)操作。

        2.4 粉噴樁法施工質(zhì)量燮制

        在粉噴樁施工過(guò)程中,現(xiàn)場(chǎng)施工人員還要密切關(guān)注噴粉壓力、噴粉計(jì)量等參數(shù)的變化,并加強(qiáng)施工誤差燮制。其中,樁間距、樁體垂直度、單樁噴粉量等都是誤差燮制的主要因素,具體要求見(jiàn)表2。

        表2 粉噴樁施工允許誤差

        除了加強(qiáng)誤差燮制外,在本次軟土路基的粉噴樁法加固處理中,還重點(diǎn)采取了以下技術(shù)燮制:

        (1) 施工期間靈活調(diào)節(jié)機(jī)械葉輪的轉(zhuǎn)速與供料壓差,改變粉噴樁鉆機(jī)的出粉劑量。從而保證了連續(xù)、均勻出料,提高了成樁效果。隨著鉆掘深度的增加,同步增加出粉劑量,可以使底部淤泥質(zhì)粘土的強(qiáng)度得到更好地提升。

        (2) 在輸送水泥干粉時(shí),考慮到粉末的運(yùn)動(dòng)主要取決于氣流的高低,因此施工期間要維持空氣壓縮機(jī)輸出功率的恒定,保證氣體流速均勻,從而實(shí)現(xiàn)水泥干粉的正常輸送。同樣的,隨著鉆掘深度的增加,土體壓力上升,會(huì)導(dǎo)致粉噴樁鉆機(jī)出料口的阻力變大。這是要注意適當(dāng)增加空氣壓縮機(jī)的功率,避免氣體流速太低導(dǎo)致機(jī)械管道阻塞的情況。

        (3) 在粉噴樁加固軟土地基中,水泥干粉與軟土之間的混合均勻度,是決定樁體強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。因此本次施工中選擇了雙頭短螺旋葉片式鉆頭,能夠有效克服地基土層軟硬分布不均時(shí)水泥干粉與軟土混合不一致的問(wèn)題[4]。另外,在施工過(guò)程中,按照“預(yù)攪下沉——攪拌提升——復(fù)攪下沉——攪拌提升”的流程,讓水泥粉料與軟土充分混合,對(duì)進(jìn)一步提高粉噴樁的成樁效果也有積極幫助。

        2.5 軟土路基加固處理效果

        為了驗(yàn)證粉噴樁法在軟土路基加固處理中的應(yīng)用效果,在完成施工28 d 后,需要進(jìn)行成樁檢測(cè)。常用的檢測(cè)方法有抽芯法、動(dòng)測(cè)法、Nio 檢測(cè)法等,本研究選擇現(xiàn)場(chǎng)靜載法測(cè)定成樁效果。該方法即可用于垂直承壓樁,也能適用于水平受力樁,將該方法應(yīng)用到粉噴樁復(fù)合地基的靜載試驗(yàn),其檢測(cè)流程為:

        首先確定最大承載力,通常為設(shè)計(jì)承載力的2倍。本次工程中粉噴樁的設(shè)計(jì)承載力為180 kN,那么靜載試驗(yàn)中最大承載力即為360 kN。然后分9 級(jí)加載,每級(jí)加載為40 kN。在每一級(jí)加載后的第10 min、20 min、30 min 觀測(cè)并記錄讀數(shù)。當(dāng)最后一次讀數(shù)完成后,開(kāi)始分4 級(jí)等量卸載,每級(jí)荷載下維持60 min,并且在每級(jí)卸載后的第10 min、20 min、30 min 觀測(cè)并記錄讀數(shù)。直到卸載為0 后,觀測(cè)粉噴樁殘余沉降量[5]。

        粉噴樁靜載試驗(yàn)結(jié)果表明,在荷載為360 kN 時(shí),本級(jí)沉降量最大,為6.25 mm;累計(jì)沉降量達(dá)到了23.11 mm,滿足相關(guān)規(guī)范要求,說(shuō)明本次公路工程中應(yīng)用粉噴樁法加固處理軟土路基,取得了良好效果,保障了公路工程的質(zhì)量安全。

        3 結(jié)論

        在公路工程的施工中,由于公路跨度較大,不可避免會(huì)遇到軟土路基。如果未采取有效的路基加固處理,后期開(kāi)放通車后,在車輛的反復(fù)碾壓下路基會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降,路面也會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂等病害。因此,公路工程中必須要對(duì)軟土路基采取針對(duì)性的加固處理。本研究提出了一種粉噴樁加固處理技術(shù),利用專用鉆機(jī)向軟土噴射水泥粉料,并且反復(fù)攪拌使水泥干料與富水軟土進(jìn)行充分混合。兩者發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)后,混合土體的強(qiáng)度得到大幅度的加強(qiáng),從而提高了路基的強(qiáng)度。除此之外,相比于強(qiáng)夯法、換填法等常用的軟土路基處理方法,粉噴樁法還具有噪聲小、污染少,對(duì)周邊建(構(gòu))筑物影響小等優(yōu)點(diǎn),可以作為公路工程中加固軟土地基的首選方法。

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