浅谈灰土挤密桩加固高路堤
2015-05-29
一、研究背景
湿陷性是我国黄土地区工程建设中所需面对的主要问题之一，湿陷性的消除是我们解决湿陷性黄土地基问题的最主要任务。目前，采用的地基处理方法主要有垫层法、强夯法、土或灰土挤密法、预浸水法和孔内深层强夯法。湿陷性黄土作为铁路、公路等工程项目中最重要和常见的地基问题之一，由于湿陷性黄土是一种非饱和欠压密土, 具有大孔和垂直节理特点, 在天然湿度下, 其压缩性较低, 强度较高, 但遇水侵湿时, 土的强度显著降低, 在附加压力或附加压力与土的自重压力下引起的湿陷变形, 是一种下沉量大、下沉速度快的失稳性变形, 对地基的变形会产生很大的影响，进一步影响地基上层混凝土结构的安全。
（一）国内外现状
我国铁路在路基下沉的研究早于公路，早在1888年我国修筑的第一条铁路中就对路基下沉问题开始了研究，随着经济的发展铁路中对沉降的观测有了进一步的研究，并且有了很多加强、加固的方法，其中有预浸水法、强夯法、垫层法、紧密法、硅化法等方法，本项目用紧密法对湿陷性黄土进行处理。
（二）工程概况
我项目路基全长19.263Km。其中路基K469+286.8~DK469+538.36是黄土湿陷性最严重的地方。此段路基位于黄土高坡，地层以三叠系地层为主，岩性以砂，泥岩互层为多其走向南北，此段路基岩土组成复杂，土质较匀、半坚固，具有微-中等湿陷，湿陷系数0.015-0.069，总湿陷量26.5cm～56.4cm属于Ⅰ～Ⅱ级湿陷性黄土，因此我项目部根据黄土湿陷性的特点进行了工艺研究，利用水泥土紧密桩的方法来消除湿陷性。
（三）提出课题
为了能消除黄土的湿陷性，增加地基的稳定性来确保地基上层建筑结构不因变形产生开裂等现象，我们项目在这种环境下决定进行工艺探索，用水泥土紧密桩的方法来消除黄土湿陷性。
（四）拟解决的主要问题
1、湿陷性黄土检测评估方法；
2、结合沉降观测对紧密桩的数量和灰土配合比进行动态调整；
二、工作情况
㈠主要研究过程及方法
1、对施工现场进行严格控制，严格按照设计施工控制紧密桩数量、和间距，进行2%的单桩承载力试验，100%紧密桩压实度试验和固结试验。
2、通过试验结果及时改变灰土配合比、紧密桩间距等现场施工工艺；
3、进行试验前后的沉降观测对比，通过沉降观测的结果和计算进行综合评估，从而评定灰土紧密桩的方法对黄土湿陷性的处治效果。
㈡主要研究成果
1、黄土湿陷性的得到了有效的控制；
2、加强了路基施工的施工队伍，可以随时改变施工工艺，实现了动态调整；
3、根据固结试验、单桩承载力试验和压实度试验的过程增加了路基施工的经验；
三、主要技术
㈠ 关键技术
1、基桩检测
采用复合地基承载力试验、压实度试验、固结试验对地基处理的结果进行动态监控。
2、通过试验结果动态调整灰土配合比、设计桩间距和现场施工条件，同时对湿陷性黄土的变形进行沉降观测。
四、路基处理方案
（一）黄土湿陷性处理的原则：
1、设置完善的路基路面截、排水系统；对路基范围和附近的坑、穴回填夯实。
2、根据湿陷等级、湿陷起始压力、湿陷土厚度及分布层位等，结合路基填土高度、地基受水侵湿可能性大小，地基处理采用紧密桩的方法。
（二）灰土紧密加固设计
为了提高灰土强度、改善灰土性能，在灰土中掺入水泥量为3%，水泥优点弥补了纯灰土早起强度低的弱点，掺入水泥的灰土强度机理可能结合了灰土和水泥土两者的特点。
1、桩间距的设计
依据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）紧密桩的孔位按正三角形布置。孔心距可按下式计算：
S-孔心距（m）；d-钻孔直径（m）；ηc-挤密填孔后，三个孔之间土的平均挤密系数；ρ-地基挤密前压缩土层范围内各土层的平均干密度（g/cm3);ρmax-击实试验确定的最大干密度（g/cm3)
2、计算参数的确定：
孔心距S为1.4m；桩身长21m；挤密桩预钻孔直径d为0.4m；挤密桩填料孔直径D为0.48m；平均挤密系数取0.9.
3、桩长设计
根据原施工图设计文件的横断面图，以嵌入原地基下1米为准，最小桩长3m，最长20m，按21m设计。
4、承载力确定
经水泥灰土挤密桩加固处理后，路基复合承载力标准值按下式计算：
Akfak=fsAs+fsAp
fak-复合地基特征值（kPa）
Ak-复合地基面积（m2）
Fs-复合地基桩间土的承载力
Ap-复合地基中桩间土所占的面积（m2）
根据上式计算得路基复合承载力设计值为220kPa；
5、夯击能
夯锤可采用杆状锤，夯击能不小于8000N·M
（三）桩身材料的要求
桩身材料采用生石灰、水泥和土，配合比采用7:3:90.施工时混合料的最佳含水量控制为14%-16%。生石灰最大粒径小于1cm，无杂质，氧化钙镁含量小于60%。
土料应尽量使用就地挖出的纯净黄土或一般粘性土、粉土，土料中的有机质含量小于5%，严禁使用耕土、杂土、淤泥、盐土，土料中不得夹有砖块、瓦砾、生活垃圾、杂土冻土和膨胀土。
生石灰颗粒直径不得大于5cm，石灰质量符合二级以上标准，有效氧化钙镁含量小于60%。
水泥采用42.5P.O，严禁使用过期、受潮、结块、的水泥。
1、试桩
试桩所要确定的施工参数，包括填料厚度、夯实击数及最佳含水量，主要测试方法如下：
对桩身采用动力触探；桩周围采用动力触探或标准贯入试验。
桩身及桩周土取样进行室内压实度测试，桩身击实系数大于96%，桩周土挤密系数大于92%。
加固效果均可采用尽在试验确定单桩承载力和复合地基承载力，对设计进行验算。
2、沉降变形原因及加固效果分析
从分层总和法及数值分析的计算结果结合沉降裂缝调查，可以做如下分析：
在高填方路堤，某一图层附加荷载将随填土高度的增加而增加，所以在同一压实度状况下，某一土层覆土层越厚，则该土层的压缩量将越大，从而造成路堤表面的沉降量随填土高度增加而增加。由于高填方路堤沉降量通过压实度的提高可以提高土体的压缩模量，在同等荷载情况下，压缩模量越大土体的压缩量越小，从而路堤顶面的沉降量越小。也驾驶说压实度的提高可以降低高路堤的沉降量，由此我们可以想到，填方高度一定的情况下，若填方土体的压实度离散则会造成沉降量不一，从而产生沉降差出现沉降裂缝，而在填方碾压过程中由于填方外侧的碾压京城低于路堤中部从而造成填方外侧边缘土的压实度低于中部的压实度，这就造成因压实度不均匀而造成的沉降差，这也就是为什么在路缘带较容易形成裂缝。
从沉降计算及数值模拟结果来看，黄土高路堤经灰土挤密桩加固后，路堤的压缩量比原路堤的压缩量有明显的降低，工后沉降量明显减少，高路堤沉降差得到较大的消除，沉降量相对均匀，这样就减少了高路堤因沉降量大，沉降差较而引起的路基开裂等后期症状。原因如下：
经灰土挤密桩处理后，经计算在不同压实度条件下，其符合压缩模量均得到了不同程度的提高，压实度越低的情况下，其符合压缩模量提高的程度越大，沉降量降低的越多。并且经灰土挤密桩挤密后，经计算得到在不同压实度情况下，沉降量都得到了不同程度的降低并且不同压实度情况下同等高度的高填方经灰土挤密桩处理后沉降差较小。
加固前及加固期间，路面的总沉降量中，路堤自身的沉降量占绝大部分，在加固后，随着时间的推移了，路堤自身沉降量略小于基底沉降量。
在工后沉降中，基底沉降速率减缓幅度很小，路堤沉降速率减缓幅度很大。后期路堤自身的沉降量逐渐小于基底沉降量。
加固后，路堤自身的沉降速率急剧变小，沉降量很小。
五、由以上分析得出结论：
（一）路堤恭候沉降量较大，沉降期较短，沉降量主要发生在工后的前期
（二）灰土挤密桩加固后可以减少黄土高填路堤的工后沉降量，大大缩短了工后沉降期，加固效果良好。
六、结论
（一）黄土高路堤的沉降量受地形、路堤的部位影响较大，在地形起伏大、填筑交界处、路缘带沉降差较大，易形成沉降裂缝，相应部位在施工填筑期及工后加固期应注意质量控制，路缘带在碾压过程中应避免少碾，尽量保证路堤压实度的均匀性。
（二）由黄土的工程性质决定了黄土难以压实，离散性较大。黄土高路堤在碾压过程中难免局部压实度低于0.9，而压实度的离散性容易造成高路堤的沉降差从而易促成沉降缝，当填方高都大于20m的时，各级压实度下路堤的沉降量都将随着填筑高度的增加而显著放大，以20m的高填路堤计，填土高度增加5m即达25m时，在0.96的压实度的情况下，沉降量超过规范值，有加固的必要性。
（三）压实度为0.85、填方高度为20m的黄土高路堤经灰土挤密桩处治后，沉降量小于压实度为0.96未经处理的黄土路堤沉降量。压实度为0.85及0.96的黄土路堤处治前的沉降差达16cm，经灰土挤密桩处治后沉降差小为4.1cm，既灰土挤密桩处治后，能有效降低黄土因压实度离散性而造成的沉降差，对黄土路堤沉降裂缝的处治效果良好。
七、建议
（一）在灰土挤密桩加固前后，去得更加问呗的土性参数，对加固前后土性参数进行研究，从而更加深入的了解灰土挤密桩对路堤的加固机理。
（二）研究不同灰土挤密桩设计参数对黄土路堤的加固效果，获得更加经济有效的设计。
结束语
利用灰土挤密桩加固高路堤，并不能完全消除黄土湿陷性，只是在一定程度上可以消除，现有成熟的湿陷性黄土地基处理方法一般只能消除基底下20m以内地基土的湿陷性，为使处理后的地基技术先进、经济合理，尚应研究行之有效的处理大厚度自重湿陷性黄土地基的新方法。 处理后的湿陷性黄土地基是一种典型的非饱和土，而非饱和土孔内深层强夯法是在土桩挤密法的基础上演化而来的一种新型深层地基处理方法，但对其理论研究远远落后于工程实践，特别是针对一些高要求的湿陷性黄土场地的系统应用研究几近空白。这就仍然需要我们不断去探讨和研究学习。
