程強(qiáng)
(河北廣通路橋集團(tuán)有限公司,河北邯鄲 056000)
在市政道路建設(shè)過程中,地基的結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的承載能力和使用壽命都有很大的影響,道路地基主要由巖基和軟基構(gòu)成,巖基的材料主要根據(jù)地勢(shì)環(huán)境和施工要求選擇。軟基設(shè)計(jì)的目的是提高道路結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性,防止地基出現(xiàn)下沉和凸凹。軟基處于巖基的高一層次,主要類型為有機(jī)土、松土、硬土、軟土等小型土壤分子,此類型的土壤分子長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中,會(huì)與空氣中的水蒸氣進(jìn)行反應(yīng),形成大量的水分子,導(dǎo)致市政道路地基內(nèi)部結(jié)構(gòu)軟化,另外,在道路上車輛運(yùn)行的外力作用下,道路地基便會(huì)出現(xiàn)下沉、坍塌現(xiàn)象,產(chǎn)生重大的道路安全隱患[1-2]。
為避免以上安全隱患的發(fā)生,市政道路施工中的軟基加固成為道路地基施工的重要步驟。本文設(shè)計(jì)并模擬了一種新型的市政道路施工軟基加固技術(shù),并基于煙臺(tái)某市政配套工程項(xiàng)目,對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明:該加固技術(shù)能提高道路地基的整體穩(wěn)定性,還可提高道路施工的工作效率,提高道路施工的經(jīng)濟(jì)效益。
隨著市政道路的通行,在道路荷載的作用下,軟基結(jié)構(gòu)內(nèi)部的散態(tài)固結(jié)樁(如砂礫樁)會(huì)逐漸擠壓進(jìn)入不屬于固結(jié)樁層次的軟土內(nèi),使道路軟基內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輕微變化,并產(chǎn)生額外的壓力、負(fù)載力,導(dǎo)致軟基下沉或水平延長(zhǎng),降低軟基的穩(wěn)定性,使道路工程埋下安全隱患(如圖1)。
圖1 市政道路軟基結(jié)構(gòu)示意
為延長(zhǎng)市政道路中軟基的有效使用壽命,本文提出新型的道路軟基加固技術(shù),此技術(shù)的工程目標(biāo)如下:
(1)保證道路施工過程中其他工序的正常施工,道路軟基內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且分層多,立樁之間關(guān)聯(lián)密切,在軟基加固過程中不得破壞道路軟基的結(jié)構(gòu)[3-4]。
(2)達(dá)到市政道路施工中軟基加固的效果,保證行車安全。
市政道路軟基加固技術(shù)的原理是利用振動(dòng)器的振動(dòng)工作模式,縮短道路軟基內(nèi)部的散態(tài)固結(jié)樁的相對(duì)距離,提高軟基結(jié)構(gòu)的密度,每次振動(dòng)波動(dòng)的程度微小,以防止破壞軟基結(jié)構(gòu)內(nèi)其他樁體。但是軟基樁體的密度一旦提高,就會(huì)增加軟基的摩擦力,提高軟基沉降速率。為此,通過本文設(shè)計(jì)的軟基加固技術(shù),使移入軟基結(jié)構(gòu)內(nèi)部的樁體具有排水孔,以平衡樁體之間的摩擦力。該加固技術(shù)將軟基的承受力壓縮在中心結(jié)構(gòu)的散態(tài)固結(jié)樁內(nèi),防止在加固過程中承載力降低[5-6]。
針對(duì)優(yōu)化后需加強(qiáng)處理的道路軟基結(jié)構(gòu),通過適當(dāng)增加固結(jié)樁的數(shù)量,優(yōu)化提高軟基的基本穩(wěn)定性。施工道路軟基布樁結(jié)構(gòu)圖如下圖2所示。
圖2 道路軟基布樁結(jié)構(gòu)示意
布樁完成后,進(jìn)行道路軟基信息數(shù)據(jù)的測(cè)量,將所有的信息數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算,得到道路軟基需要加固的程度,具體計(jì)算公式為:
式(1)中:fnk為砂礫承載力(kPa);fpk為單樁復(fù)合地基承載力(kPa);β為土地承載力(kPa);m為承載力比重;fuk為承載力極限值(kPa)。
將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)對(duì)照道路軟基樁體承載力經(jīng)驗(yàn)取值表(見表1),獲得道路軟基需要加固的程度。
表1 道路軟基樁體承載力經(jīng)驗(yàn)取值
最后,按照計(jì)算的道路軟基結(jié)構(gòu)內(nèi)散態(tài)固結(jié)樁間的加固程度,完成市政道路軟基加固處理。加固處理分為沉管成孔、分層填料和成樁三個(gè)工序。
(1)沉管成孔主要是根據(jù)需要加固軟基的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部樁體的材料,將準(zhǔn)備好的樁體進(jìn)行切割,并在每個(gè)樁體上設(shè)計(jì)3個(gè)排氣孔,排氣孔的間距和位置按照規(guī)定切割。
(2)分層填料工序?yàn)槌凉艹煽坠ば虻囊粋€(gè)完善,填料采用軟基原先采用的材料進(jìn)行處理,其他材料會(huì)與軟基出現(xiàn)排異現(xiàn)象,此工序的目的是提高軟基加固技術(shù)的振密效果。
(3)成樁工序的目的是將新移入軟基內(nèi)部的散態(tài)樁體頂口進(jìn)行密封處理,此工序結(jié)束后,軟基的加固處理即完成。
市政道路軟基的承載力主要取決于軟基結(jié)構(gòu)內(nèi)樁體的承載狀態(tài),樁體的承載狀態(tài)受到軟基樁體的樁長(zhǎng)、布樁結(jié)構(gòu)、樁體材料、樁體夯實(shí)深度等的約束,不斷調(diào)整軟基承載因素的數(shù)值,并建模計(jì)算,最終得到軟基承載力的最大值。道路軟基承載力分為樁體極限承載力和樁間土極限承載力,兩種承載力處于互相約束的狀態(tài)。為提高軟基承載力數(shù)值模型的精度,本文分別模擬樁體極限承載力和樁間土極限承載力的負(fù)荷承載力,然后進(jìn)行承載的復(fù)合計(jì)算,實(shí)現(xiàn)承載力的模擬計(jì)算[7-8]。
首先計(jì)算樁體的極限承載力。樁體的承載力本質(zhì)是樁體內(nèi)側(cè)摩擦力與支撐阻力合成的作用力。為降低計(jì)算誤差,本文在計(jì)算過程中將以上兩個(gè)介質(zhì)因素的結(jié)果取最小值。在分析樁體極限承載力過程中,樁體的強(qiáng)度既為樁體提供了一部分的承載力,又提供了一部分的壓力,綜合以上樁體的受力分量,然后計(jì)算樁間土極限承載力。由于樁間土結(jié)構(gòu)的特殊性,施工過程中經(jīng)常取天然地基的承載力作為樁間土的極限承載力。在軟基加固過程中,樁間土的極限承載力會(huì)出現(xiàn)波動(dòng),計(jì)算時(shí)要剔除樁間土之間的作用分力,并充分考慮各個(gè)樁體間存在的微膨脹現(xiàn)象,本文通過地基微膨脹系數(shù)完成計(jì)算。
最后,借助樁體軟基的實(shí)際極限承載力修正系數(shù)和復(fù)合地基置換率,得到最終的市政道路軟基承載力模擬值。
采用Abaqus 軟件對(duì)軟基結(jié)構(gòu)中散態(tài)固結(jié)樁的沉降特性進(jìn)行數(shù)值模擬,Abaqus 軟件的作用是對(duì)軟基樁體的部分?jǐn)?shù)據(jù)信息進(jìn)行多維有限元仿真,還原出真實(shí)的軟基結(jié)構(gòu),為軟基結(jié)構(gòu)中散態(tài)固結(jié)樁的沉降特性模擬奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ),提高模擬的真實(shí)性[9-10]。
道路軟基散態(tài)固結(jié)樁的實(shí)際沉降結(jié)構(gòu)存在隱性沉降和真實(shí)沉降。傳統(tǒng)的軟基散態(tài)固結(jié)樁沉降計(jì)算往往會(huì)忽略固結(jié)樁的隱形沉降,使模擬結(jié)果出現(xiàn)偏差。
軟基散態(tài)固結(jié)樁的真實(shí)沉降區(qū)域也被稱為加固區(qū)沉降,因?yàn)榈缆奋浕Y(jié)構(gòu)中內(nèi)置許多的立樁,立樁的數(shù)量越多,軟基立樁間的負(fù)載密度越大,軟基所承受的壓力越大,出現(xiàn)的沉降現(xiàn)象也就越明顯。本文采用應(yīng)力修正法完成散態(tài)固結(jié)樁的真實(shí)沉降計(jì)算,由于軟基散態(tài)固結(jié)樁的受力狀態(tài)是實(shí)時(shí)變化的,即使波動(dòng)很小,但經(jīng)過模擬計(jì)算,所呈現(xiàn)的結(jié)果偏差也較大。應(yīng)力修正法在計(jì)算過程中涉及軟基散態(tài)固結(jié)樁的測(cè)量數(shù)據(jù)量越少,所計(jì)算的數(shù)據(jù)結(jié)果誤差就越小。
軟基散態(tài)固結(jié)樁的隱形沉降與真實(shí)沉降存在線性關(guān)系,可以說隱形沉降是由外力和散態(tài)固結(jié)樁的承載壓力共同合成的作用力導(dǎo)致的,市政道路施工規(guī)范中規(guī)定,道路軟基的散態(tài)固結(jié)樁在道路通行階段可以出現(xiàn)一定的沉降。
軟基加固技術(shù)的應(yīng)用目的是解決道路軟基結(jié)構(gòu)中散態(tài)固結(jié)樁的沉降現(xiàn)象。目前道路軟基由三個(gè)層次構(gòu)成,故為保證軟基散態(tài)固結(jié)樁沉降特性數(shù)值模擬的精度,本文將軟基結(jié)構(gòu)分為三個(gè)層次進(jìn)行模擬,分別設(shè)定為試驗(yàn)段1、試驗(yàn)段2以及試驗(yàn)段3。然后利用軟件對(duì)三個(gè)試驗(yàn)段進(jìn)行多維有限元仿真建模,得到每個(gè)層次的軟基散態(tài)固結(jié)樁的三維有限元模型。對(duì)三個(gè)施工道路的試驗(yàn)段完成建模后,分別對(duì)每個(gè)試驗(yàn)段施加相同的荷載力,模擬通行狀態(tài)的道路,運(yùn)行一段時(shí)間后,再利用軟件計(jì)算此時(shí)三個(gè)測(cè)試路段的軟基散態(tài)固結(jié)樁沉降情況,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果即可檢驗(yàn)軟基加固技術(shù)的實(shí)施效果。
煙臺(tái)海上世界項(xiàng)目位于山東省煙臺(tái)市核心地帶,占地面積約8km2,項(xiàng)目建成將為全國(guó)第三個(gè)“海上世界”。項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)為世界級(jí)新灣區(qū),集“船、港、城、游、購、娛”于一體的高端商旅綜合體,打造面向全國(guó)、比肩世界的煙臺(tái)新核心,效果圖如圖3所示。
圖3 煙臺(tái)海上世界一期工程效果圖
本工程的一個(gè)重要建設(shè)目標(biāo)是建設(shè)質(zhì)量?jī)?yōu)、檔次高的煙臺(tái)海上世界市政道路,為此,需翻建和新建道路共29條,總長(zhǎng)度16 534m。但在本工程的填海環(huán)境條件下,如何實(shí)現(xiàn)市政道路軟基的有效加固成為了一大難點(diǎn)。
為檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的市政道路軟基加固技術(shù)的可靠性,對(duì)海上世界項(xiàng)目中的某段新建市政道路進(jìn)行軟基加固技術(shù)應(yīng)用,并分析加固結(jié)果。為保證工作效率和成本,選擇市政道路施工軟基長(zhǎng)度為1 000m,復(fù)合地基寬度方向的砂礫樁13 列,樁間距30m,樁徑8m,基礎(chǔ)地表以下深度為100m,加固區(qū)深度50m,墊層采用中密砂墊層,厚度為30m。試驗(yàn)過程中,道路軟基的一部分采用本文設(shè)計(jì)的軟基加固技術(shù),另一部分不采用任何的軟基加固技術(shù)。在對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行前,對(duì)道路加固區(qū)域按照1∶1.5 的比例進(jìn)行刷坡,對(duì)應(yīng)用道路區(qū)域的軟基進(jìn)行布樁建模。
按照本文設(shè)計(jì)的方法計(jì)算道路軟基的極限承載力,然后將相關(guān)數(shù)據(jù)補(bǔ)錄到Abaqus 軟件內(nèi),進(jìn)行道路軟基的多維有限元仿真建模。
建模完成后,按照軟件計(jì)算的數(shù)據(jù),對(duì)需要施工的道路軟基進(jìn)行加固處理。在試驗(yàn)路段增加300Pa 的壓力,模擬通行道路的運(yùn)行狀態(tài),觀察24h后,得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下:
(1)市政道路軟基散態(tài)固結(jié)樁的沉降程度通過水平位移和豎直位移兩方面體現(xiàn),其中施加了加固技術(shù)的軟基散態(tài)固結(jié)樁豎直位移為0.23mm,沒有出現(xiàn)水平位移。而沒有進(jìn)行加固技術(shù)處理的軟基散態(tài)固結(jié)樁則出現(xiàn)了水平位移和豎直位移,且沉降程度大于0.23mm。
(2)通過專業(yè)的道路軟基承載力檢測(cè)工具,得出應(yīng)用軟基加固技術(shù)的路段區(qū)域的極限承載力高于沒有任何處理的軟基路段,且施加加固技術(shù)的軟基立樁穩(wěn)定性高于傳統(tǒng)軟基結(jié)構(gòu)內(nèi)的立樁。
通過以上市政道路軟基加固技術(shù)的應(yīng)用效果分析,認(rèn)為本文設(shè)計(jì)的市政道路軟基加固技術(shù)具有可靠性,可以投入使用。
隨著我國(guó)城市道路施工方式的不斷進(jìn)步及施工技術(shù)的完善,新建市政道路軟基的加固技術(shù)不僅應(yīng)保證地基穩(wěn)定性和工程質(zhì)量,還應(yīng)適應(yīng)道路施工技術(shù)的發(fā)展,提高道路施工的效率。
本文依托海上世界項(xiàng)目中新建市政道路的施工實(shí)踐,在填海環(huán)境下,不僅解決了傳統(tǒng)道路軟基加固技術(shù)存在的弊端,而且整體的加固技術(shù)方案滿足規(guī)范要求,有效保證了新建市政道路的軟基施工質(zhì)量。通過對(duì)軟基加固技術(shù)應(yīng)用效果的對(duì)比分析表明,本文設(shè)計(jì)的市政道路軟基加固技術(shù)達(dá)到了預(yù)期的目的,可為此類填海環(huán)境下的新建市政道路軟基處理提供參考借鑒。