CN101220588A - 一种软基处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用长的塑料排水板(或砂井)与短的水泥土搅拌桩联合处理高速公路软基的方法(简称长板-短桩工法,又简称D-M工法)。这种方法与单独预压排水法相比,由于“短桩”的存在,有效提高地基的稳定性,可以加快路堤施工速率,从而相应缩短建设周期;与单独深层搅拌桩相比,由于“长板”的存在,可以加快深部软土的固结沉降,从而将工后沉降控制在一定的范围内。另外,通过桩和板的间距、长度以及预压方式的调整使不同段落之间沉降速率的协调成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及公路路基建设工程领域,具体涉及高速公路软路基的处理方法。
背景技术
高速公路是大型线状构筑物,对工后沉降和不同路段的沉降差有比较严格的要求。高速公路一般会跨越不同的地貌单元,沿线将遇到各种各样的地基条件,在长江三角洲和珠江三角洲地区和我国其他沿海一带广泛发育深厚的软土地层。由于路堤高、荷载大,这些深厚软土地基的加固处理是目前软土地区公路或高速公路建设中的技术难点之一。
在我国高速公路的建设过程中,根据多年的建设经验,形成了一套适合我国高速公路建设软土地基处理技术体系。针对不同埋藏深度、不同厚度和不同特点的软土地基,可以选择换填、强夯、预压排水固结、碎石桩、水泥土搅拌桩、CFG桩、甚至桩基等不同的技术方案对原地基进行处理和加固。基于建设周期和地基条件,排水体预压排水固结和深层水泥土搅拌桩是处理中等和较厚软基的首选加固技术措施。
作为常用的软基处理技术手段,预压排水固结法和水泥土搅拌桩法各有特点。预压排水同结法具有:(1)软土的固结沉降速率快;(2)消除工后沉降小;(3)可提高地基土的承载力和(4)造价低的优点。但同时也存在:(1)施工期和预压期长和(2)由于施工扰动增加软土地基的总沉降量等不足。
采用水泥土搅拌桩加固软土地基,可以:(1)有效地提高地基的承载力;(2)减少地基的总沉降量;(3)缩短或不需要地基处理施工完成后的预压期。但也有自身的一些缺陷:(1)造价偏高;(2)受施工机具和技术水平的限制,深部施工质量不易保证;(3)若搅拌桩不能穿透软土层,工后沉降难以达到设计要求。
发明内容
针对解决高速公路深厚软基(厚度大于10m)处理中单纯采用预压排水固结法工期过长以及单纯采用深层水泥土搅拌桩费用较高的问题,本发明的目的在于提供一种采用长的塑料排水板(或砂井)与短的水泥土搅拌桩联合处理方法(简称长板一短桩工法,又简称D-M工法)。这种方法与单独预压排水法相比,由于“短桩”的存在,有效提高地基的稳定性,可以加快路堤施工速率,从而相应缩短建设周期;与单独深层搅拌桩相比,由于“长板”的存在,可以加快深部软土的固结沉降,从而将工后沉降控制在一定的范围内。另外,通过桩和板的间距、长度以及预压方式的调整使不同段落之间沉降速率的协调成为可能。
本发明的长板-短桩工法处理深厚软基的技术方案如下,根据长板与短桩的作用机理与特点,将地基剖面划分为(1)水泥土搅拌桩复合地基层(简称复合层,Composite zone),(2)预压排水固结层(简称固结层,Consolidated zone)和(3)未加固处理的原状软土层(简称未加固层,Unimproved zone),如图1所示。图1A平面图中,1为塑料排水板,2为水泥土搅拌桩;图1B剖视图中,A为复合层,B为固结层,C为未加固层,D为非软土层,1为塑料排水板,2为水泥土搅拌桩。
2)长板-短桩工法的布置
长板与短桩在平面上可以等间距布置,也可以不等间距布置;在深度上,长板穿过短桩复合层插入深部软土,可以穿透软土层(较薄时),也可以不穿透软土层(较厚时),具体可按照地基压缩层厚度确定。长板与短桩按等间距布置,长板不穿透软土层。
采用水泥土搅拌桩与塑料排水板(砂井)联合处理方法处理高速公路深厚软基,一方面利用水泥与土的物理化学反应,改善土的力学性能,使软土结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥土,形成由桩和周围被改良的土体共同组成的复合地基,减小地基的总沉降量。另一方面利用塑料排水板(砂井)的排水功能,给固结层的软土提供排水通道,减小排水路径,在填土荷载作用下,加快软土地基中水的排出速度,缩短土层固结的时间,并尽可能在高速公路路堤固有的施工预压期内完成所需的沉降量,以达到减小工后沉降量,缩短施工工期的目的。另一方面,在填土预压期,塑料排水板(砂井)可以使复合层的桩间土产生排水固结,使桩间土的强度逐步得到提高。同时,搅拌桩的存在也为超载预压减少工后沉降提供了可能性。
3)长板-短桩工法的组成
长板-短桩工法由长的排水体(砂井、袋装砂井、塑料排水板)、短的水泥土搅拌桩(浆喷桩、粉喷桩)和垫层组成。水泥土搅拌桩强度达到设计要求,需大于1.2Mpa。垫层材料的压实系数要大于0.93。垫层材料由中砂、粗砂、级配砂石或碎石等组成,在可能的情况下,应尽可能选择刚度较大的垫层材料。可选择砂垫层+碎石垫层。该垫层是长板-短桩工法的关键,一方面起水平向排水垫层作用,与长的竖向排水体共同组成排水体系;另一方面起褥垫层作用,可以调整复合层的桩土应力分担。
4)长板-短桩工法的设计
a、桩间土承载力fsk在填土预压过程中是变化的,且变化幅度较大。设计时fsk应取固结后的桩间土承载力特征值,初步设计时可取天然地基承载力的1.2~1.3倍。
b、长板-短桩中复合地基的桩间土承载力折减系数β值可以取高值,取β=1.0。
c、长板-短桩工法中短桩桩长的确定主要考虑承载力和稳定性。复合层承载力以面积置换率控制;面积置换率以有效桩长控制;有效桩长以桩身强度控制。
d、根据工后沉降与工期的要求,通过固结度的计算,确定排水体的长度和间距。
e、计算在每一级荷载作用下固结层和未加固层的平均固结度,估算地基土的强度变化,确定分级或等速加载计划。
f、计算各级荷载下路基的沉降、路基总沉降、预压期沉降及工后沉降,同时验算各级荷载下路基的稳定性。
g、监测方案的设计。
5)长板-短桩工法的施工
长板-短桩的施工顺序可以采用先施工水泥土搅拌桩(短桩)、再施工排水体(长板);也可以采用先施工排水体(长板)、再施工水泥土搅拌桩(短桩)。对于含水量较高的地基土,应采用先长板后短桩的施工工艺。
具体的地基承载力计算方法如下:
按照复合地基理论,由搅拌桩和桩间土组成的地基在上部荷载作用下,两者共同分担荷载并变形协调。长板-短桩工法处理后,地基的承载力与单独搅拌桩处理的地基承载力相似。即
式中fspk-复合地基承载力特征值(kPa);
Ra-单桩承载力特征值(kN),受有效桩(或实际桩长)长和桩身强度双重控制,取其小者;
Ap-搅拌桩的截面积(m2);
Jsk-处理后桩间土承载力特征值(kPa);
m-面积置换率;
β-桩间土承载力折减系数。
Ra=ηfcuAp (3)
式中fcu-与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块(边长为70.7mm的立方体,也可采用边长为50mm的立方体)在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值(kPa);
η-桩身强度折减系数,干法可取0.20~0.30;湿法可取0.25~0.33;
up-桩的周长(m);
n-桩长范围内所划分的土层数;
qsi-桩周第i层土的侧阻力特征值。对淤泥可取4~7kPa;对淤泥质土可取6~12kPa;对软塑状态的粘性土可取10~15kPa;对可塑状态的粘性土可以取12~18kPa;
li-桩长范围内第i层土的厚度(m);
qp-桩端地基土未经修正的承载力特征值(kPa),可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB 50007的有关规定确定;
α-桩端天然地基土的承载力折减系数,可取0.4~0.6,承载力高时取低值。
由式(2)和式(3)得到:当桩身强度大于式(3)所提出的强度值时,相同桩长的承载力相近,而不同桩长的承载力明显不同。此时桩的承载力由基土支持力控制,增加桩长可提高桩的承载力。当桩身强度低于式(3)所给值时,承载力受桩身强度控制。对水泥土桩,其桩身强度是有一定限制的,也就是说,水泥土桩从承载力角度,存在一有效桩长,单桩承载力在一定程度上并不随桩长的增加而增大。
长板-短桩联合处理与搅拌桩单独处理的区别在于:
1、由于桩间土中插板施工,地基土受到扰动,前期桩间土承载力fsk会有所降低,随着预压桩间土排水固结,强度和承载力会随之提高。因此,桩间土承载力fsk在填土预压过程中是变化的,且变化幅度较大。设计时fsk可取天然地基承载力的1.2~1.3倍。
2、根据规范,β为桩间土承载力折减系数。当桩端土未经修正的承载力特征值大于桩周土的承载力特征值的平均值时,可取0.1~0.4,差值大时取低值;当桩端土未经修正的承载力特征值小于或等于桩周土的承载力特征值的平均值时,可取0.5~0.9,差值大时或设置褥垫层时均取高值。对于长板-短桩工法的特点,为了发挥长板的排水作用,必须在桩顶铺设水平向排水垫层,以形成一个完整的排水体系。而该水平向排水垫层正好可以作为复合地基的褥垫层,因此,长板-短桩中复合地基的β值可以取高值,取β=1.0。
3、长板-短桩工法中短桩的主要作用是提高浅层地基的承载力和稳定性,其桩长的确定主要考虑承载力和稳定性,因此短桩的桩长应根据式(2)和式(3),由有效桩长进行控制。而有效桩长是由桩身强度fcu控制的。
采用以上方法得到的技术效果是:
a.将高速公路填土施工和预压的过程作为路基处理的过程,充分利用填土荷载加速路基沉降,以达到减小工后沉降的目的;填土施工期和预压期作为预压时间;
b.短桩解决了复合层的承载力和稳定性;排水体解决了固结层的沉降;
c.对深厚软土路基长板和短桩的施工质量容易得到保证;
d.可以协调桥头段、过渡段和一般路段相邻之间的工后沉降速率和坡度;
e.特别适用于深厚软土路基的处理;
f.排水体的排水固结可以提高复合层桩间土的强度;
g.桩顶与填土之间的垫层可以充分发挥桩间土的作用;
h.具有可观的经济效益。
长板-短桩工法的提出是为了发挥预压排水固结法和水泥土搅拌桩法的自身优点,克服其在处理深厚软基的不足。该工法的特点是将高速公路填土施工和预压的过程作为路基处理的过程,充分利用填土荷载加速路基沉降,以达到减小工后沉降的目的。适用于软土层厚度大于10m的深厚淤泥、淤泥质土及冲填土等饱和粘性土地基。特别适用于地表存在薄层硬壳层和深部软土存在连续薄砂层的地基。
此外,从高速公路全线的角度出发,时常出现采用不同地基处理手段加固软基的情况,例如一部分路段用塑料排水板(砂井)处理,一部分路段采用水泥土搅拌桩复合地基处理。对于两种处理方法的相邻段,排水固结法处理段由于塑料排水板(砂井)的存在,加快了预压期的沉降速率,但同时也加快了工后沉降的速率;水泥土搅拌桩处理段,其下软土的固结将非常慢,工后沉降速率也将进行地非常慢。因此,在高速公路运营后,两种处理方法相邻段的交界处,虽然都满足工后控制沉降,但由于两者的沉降速率不同,必然会产生差异沉降,导致路面开裂,影响行车速度。如果水泥土搅拌桩复合地基部分改为水泥土搅拌桩与塑料排水板(砂井)联合处理,则两段的工后沉降速率就基本会趋于协调,这样就解决了上述的差异沉降问题。而且联合处理法的另一优点是水泥土搅拌桩的桩长可以比单独采用水泥土搅拌桩短,节约地基处理费用。
联合处理法可以解决深厚软基问题,与水泥土搅拌桩复合地基和塑料排水板(砂井)两种方法相比,既有效地利用了高速公路建设固有的预压期,解决了沉降问题,又充分发挥两种方法的长处,同时也协调了不同段落之间的工后沉降速率,也不会影响施工工期,为一种行之有效的方法。
附图说明
图1为长板-短桩工法模式图,A为平面图,B为剖视图;
图2为土工格栅段落路基中心沉降变化图;
图3为常规段落路基中心沉降变化图;
图4为联合处理A段落路基中心沉降变化图;
图5为联合处理B段落路基中心沉降变化图;
图6为分级加载拟合图;
图7为各段落桩顶沉降对比图;
图8为各段落桩间土沉降对比图。
具体实施方式
为了验证上述方法的有效性,以实际原位测量和现场观测沉降的结果进行评估。
一、填土期浅层地基的原位测试结果
试验段的路基施工试验路段位于淮盐高速公路盐城段第十四合同段K97+461~K97+561,试验段从东往西共分为四段,土工格栅段(仅打塑料排水板17.5m),长板短桩联合处理B段(长板17.5m与8m短桩结合,桩距1.6m),长板短桩联合处理A段(长板17.5m与8m短桩结合,桩距1.4m),在联合处理段西侧有一段常规段(纯搅拌桩,桩长17.5m)。与2003年10月10日开始,至2004年5月底,共分层填土15次,每次填土压实后高度为30cm,加上垫层40cm,填土高度为4.5m(该段落路堤设计填土高度为5.2m)。第二次原位测试(孔压静力触探和扁铲侧胀试验)于2004年5月底进行,获得了填土期试验段不同方案处理段落的测试数据。对实测数据进行了整理,并与天然地基的试验结果进行如下对比与分析。
(1)孔压静力触探试验结果与分析
根据孔压静力触探测得的孔隙水压力参数和修正后的锥尖阻力,得到了天然地基和预压期末的孔压静力触探试验曲线。根据地基土分层结果,对锥尖阻力分层进行了统计,并对三个不同时期的桩间土的强度变化进行了对比。
(2)扁铲侧胀试验结果与分析
扁铲侧胀原位测试试验于2004年12月13日到2004年12月15号期间,总共测试了8个孔,在不同的地基处理段落各做了两次试验。详细对比了最能够反应地基土力学性能变化的不排水强度和地基土侧限压缩模量。
(3)填土期浅层地基的工程性能变化
对于长板-短桩工法联合处理的A、B两段,从处理方案上看,其唯一差别是桩间距(也包括塑料排水板的板间距),A段是1.4m,而B段是1.6m。但从原位测试的检测结果可以看出桩间土的加固效果存在不可忽略的差异。B段中第②层和第③层的加固效果比A段好,表明在A段中,由于桩间距小,桩与桩间土的复合效果更好;而B段中桩间距大,桩间土的压缩沉降相对于桩比较大,造成桩间土的加固效果好。而对于第④层的处理效果,测试结果离散性较大。
得到的结论是:
从填土期的原位测试结果看,长板-短桩处理段落中复合层中桩间土的处理效果比塑料排水板段差,而固结层中地基土的处理效果比塑料排水板段好,证明了长板-短桩工法处置软土的方案有利于桩底下部软土层的排水固结。即由于短桩的存在,上部预压荷载可以通过短桩的向下刺入,使下部软土层承受较大的附加荷载,也有利于固结层的软土的固结沉降在较短的时间内完成。
就两段长板-短桩处置段落,由于桩间距的不同测试发现其加固效果存在明显差异。在复合层中,桩间距大的段落(B段)桩间土的加固效果显著,而固结层的加固效果与A段相当,这说明桩间距是该工法的地基处理效果的主要影响因素。桩间距的增大,桩土应力比将增大,桩上将承担更大的荷载而发生较大的上下刺入,这有利于桩间土的固结变形,提高桩间土的工程性能。
二、现场观测沉降的结果和分析
在淮盐高速公路盐城段,选取K97+461~K97+561(100m)作为试验段。试验段从东往西共分为四段,土工格栅段(仅打塑料排水板17.5m),长板短桩联合处理B段(长板17.5m与8m短桩结合,桩距1.6m),长板短桩联合处理A段(长板17.5m与8m短桩结合,桩距1.4m),在联合处理段西侧有一段常规段(纯搅拌桩,桩长17.5m)。
每个段落分别在路基中央的桩上和桩间土上各埋设沉降板(土工格栅段只埋设在土上),分别对桩顶沉降和桩间土沉降进行对比。填土预压4个月时,各段落沉降监测数据见表1。
表1各个段落沉降监测数据
从表1中可以看出:
1、土工格栅段(只打塑料排水板)沉降最大,常规段(纯搅拌桩,桩长17.5m)由于长的水泥搅拌桩存在,沉降很小,是四段中最小的一段。联合处理段(短的搅拌桩+长塑料排水板)沉降居中;
2、对于长板-短桩处理段落,由于短桩的存在,有效地减少了软土地基复合层的沉降;
3、由于排水体的存在,在填土荷载作用下,大大加快了固结层的固结沉降,从而可以减小路基的工后沉降;
4、从桩顶和桩间土的沉降数据表明,桩顶的沉降量均小于桩间土的沉降,从而验证了路基填土荷载是半刚性的,在填土荷载作用下,复合地基中桩与桩间土的变形不协调,两者之间存在沉降差;
5、监测数据表明,长板-短桩工法可以有效地减少深厚软基的沉降,长板和短桩均可以起到各自的作用,对高填土路堤,将填土施工和预压过程作为软基处理的过程是行之有效的。
图2~图5是自加载开始至今各个段落的沉降变化图,从中看出四段中的沉降曲线规律大体一致,曲线变化同上部荷载的加压快慢有关,实际加载过程中,由于影响因素较多,使得分级加载不能很好的按照设计方案均速加载,根据具体实际情况,对加载过程进行拟合,将加载过程分为五级,拟合曲线如下图6。
四段沉降曲线变化同图6比较可以看出,各段的沉降变化快慢速率符合加载速度的快慢。
以土工格栅段为例,第一级加载速率较快,沉降较为明显,第二三四级加载曲线比较平缓,沉降增加较慢,第五级荷载曲线斜率最大,加荷速率最大,在此期间沉降速率较快,沉降量大,从8月份开始预压后,沉降速率慢慢减小,沉降曲线趋于直线,表明软土地基固结逐步完成。
图7和图8是各段落桩顶和桩间土沉降对比图。从中可以看出:
1、常规段的沉降最小,沉降曲线平缓,加载速率的快慢对其影响不大;
2、常规段由于水泥土搅拌桩打穿软土层,桩顶沉降主要为搅拌桩的压缩变形,桩端刺入变形较小;而长板-短桩联合处理段中,桩顶沉降较大,其变形包括桩身压缩变形和桩端刺入变形;
3、对于相同桩长的联合处理A段和联合处理B段,桩顶沉降相近,桩间土沉降大小取决于复合地基置换率的大小,置换率越大,沉降越小。说明在地质条件相同的条件下,桩长是复合层变形的主要影响参数,可以通过调整桩长来控制路基变形总量;
4、为了减小路基总沉降和减少填土方量,长板-短桩工法可以通过调整固结层的厚度或调整桩长来控制总沉降量,主要根据质量控制、工期、经济指标等因素进行优化。
无论是沉降观测结果,还是土压力观测结果,与常规段复合地基相比,长板-短桩工法复合地基都明显地改变了复合地基的工作性状。由于短桩没有支撑在较好的持力层上,有利于短桩的向下刺入和荷载传递,因此有利于下部土层的压缩变形。另一方面,采用短桩加强了复合地基中桩与土的协调变形和荷载分担,与塑料排水板处理段落比较,使长板-短桩工法复合地基有较好的承载性能。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于这里的实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种处理软基方法,特征在于采用排水体-水泥土搅拌桩,即长板-短桩结合工法,包括如下部分:
(1)划分区域
将软土地基剖面划分为三个部分:水泥土搅拌桩复合地基层、预压排水固结层和未加固处理的原状软土层,其中
复合地基含有水泥土搅拌桩、排水体上段,
排水固结层含有排水体下段;
(2)布置长板-短桩
长板与短桩在软土地基平面上形成等间距布置,或者不等间距布置;
长板穿过短桩复合层插入深部软土,按照地基压缩层厚确定长板的深度,可以穿透软土层,也可以不穿透软土层;短桩桩长和强度由复合层地基承载力确定;
(3)长板-短桩工法的施工顺序
长板-短桩的施工顺序可以采用先施工水泥土搅拌桩,即短桩,再施工排水体,即长板;也可以采用先施工排水体、再施工水泥土搅拌桩。
2.如权利要求1所述的方法,特征在于对于含水量大于60的地基土,采用先长板后短桩的施工工艺。
3.如权利要求1所述的方法,特征在于所述的长的排水体包括砂井、袋装砂井、塑料排水板,优选塑料排水板;短的水泥土搅拌桩,包括浆喷桩、粉喷桩。
4.如权利要求1所述的方法,特征在于该长板-短桩工艺中还包括垫层,垫层材料由中砂、粗砂、级配砂石或碎石组成,垫层材料的压实系数大于0.93,优选砂垫层+碎石垫层。
5.如权利要求1所述的方法,特征在于复合地基承载力由下述方法确定:
式中fspk-复合地基承载力特征值,单位kPa;
Ra-单桩承载力特征值,单位kN,受有效桩长或实际桩长和桩身强度双重控制,取其小者;
Ap-搅拌桩的截面积,单位m2;
fsk-处理后桩间土承载力特征值,单位kPa;
m-面积置换率;
β-桩间土承载力折减系数。
Ra=ηfcu Ap (3)
式中fcu-与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值,单位kPa;
η-桩身强度折减系数,干法取0.20~0.30;湿法取0.25~0.33;
up-桩的周长,单位m;
n-桩长范围内所划分的土层数;
psi-桩周第i层土的侧阻力特征值;对淤泥可取4~7kPa;对淤泥质土可取6~12kPa;对软塑状态的粘性土可取10~15kPa;对可塑状态的粘性土可以取12~18kPa;
li-桩长范围内第i层土的厚度,单位m;
qp-桩端地基土未经修正的承载力特征值,单位kPa,按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB 50007的有关规定确定;
α-桩端天然地基土的承载力折减系数,可取0.4~0.6,承载力高时取低值;
其中,桩间土承载力取固结后的桩间土承载力特征值,初步设计时可取天然地基承载力的1.2~1.3倍;
其中,长板-短桩中复合地基的桩间土承载力折减系数,β值取高值,取β=1.0。
6.如权利要求1所述的方法,特征在于短桩,即水泥搅拌桩的桩长用复合层承载力和路堤-路基稳定性确定,
特别的,参照权利要求5式(2)和式(3),复合层承载力以面积置换率控制;面积置换率以有效桩长控制;有效桩长以桩身强度fcu控制。
7.如权利要求6所述的方法,特征在于水泥土搅拌桩强度大于等于1.2MPa。
8.如权利要求1所述的方法,特征在于长板排水体的长度和间距根据工后沉降与工期的要求,通过固结度的计算得到确定;
特别的,该长板的长度按照地基压缩层厚度确定,压缩层厚度可以按照相应国家规定进行确定。
9.如权利要求1所述的方法,特征在于长板-短桩的组合方式为:长板17.5m与8m短桩结合,桩距1.6m或者1.4m。
10.如权利要求1所述的方法,其特征在于所述的软土地基为饱和粘性土地基,具体为厚度大于10m的深厚淤泥、淤泥质土及冲填土;特别适用于地表存在薄层硬壳层和深部软土存在连续薄砂层的地基。
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PB01 | Publication | ||
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