水泥粉煤灰攪拌樁復(fù)合黃土地基的沉降性監(jiān)測與研究

李艷玲，林楠，王崢，劉園，王軍龍

摘 要：對復(fù)合黃土地基工程進(jìn)行解讀，針對使用水泥粉煤灰攪拌樁進(jìn)行加固處理的高速公路復(fù)合黃土地基，選用投放沉降量杯方式對該路段開展長期勘測工作。最終對勘測數(shù)據(jù)研究分析，總結(jié)水泥粉煤灰攪拌樁復(fù)合黃土地基沉降數(shù)值、沉降速度隨荷載及時(shí)間的變化規(guī)律。與實(shí)際施工現(xiàn)場中復(fù)合地基數(shù)值結(jié)合，對復(fù)合地基沉降數(shù)值完成理論推算及建立數(shù)值模型。

關(guān)鍵詞：復(fù)合黃土;水泥粉煤灰攪拌樁;沉降監(jiān)測;沉降量研究;公路建設(shè)

中圖分類號：U213 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）11-0110-04

Monitoring and Research on Settling Property of Cement Fly Ash Mixed Pile Composite Loess Foundation

Li Yanling， Lin Nan， Wang Zheng， LiuYuan， Wang Junlong

（Xi an Railway Vocational & Technical Institute， Xi an 710600， China）

Abstract：This paper interprets the composite loess foundation project. For the highway concrete composite loess foundation using the concrete fly ash mixing pile， the long-term survey of this section is conducted by the way of placing the settlement cup. Finally， the survey data were studied and analyzed， and the change rules of the settlement value and settlement speed of the concrete fly ash mixing pile with load and time are summarized. Combined with the value of the composite foundation in the actual construction site， the theoretical calculation and numerical model of the composite foundation settlement value are completed.

Key words：compound loess; cement fly ash mixing pile; settlement monitoring; settlement research; highway construction

0 引言

中國西北地區(qū)存在一種極具特殊性的復(fù)合黃土，其飽和度平均高于85%、土壤孔隙比例大于0.9?；趶?fù)合黃土具備含水量高、耐剪度低、承受能力差、沉降不均衡等工程性能劣勢，容易導(dǎo)致復(fù)合黃土地區(qū)路基崩裂、滑沉，最終會出現(xiàn)路面塌陷、坑洼、路面不平等不良現(xiàn)象。這會對高速公路運(yùn)行水平及功能使用產(chǎn)生惡劣影響，從而增加公路維修保養(yǎng)費(fèi)用。所以，有效控制與精準(zhǔn)預(yù)判復(fù)合地基沉降量是目前解決復(fù)合黃土地基問題核心技術(shù)。

復(fù)合黃土在高速公路工程建設(shè)中，應(yīng)對其進(jìn)行實(shí)地調(diào)查、反復(fù)實(shí)驗(yàn)比例試驗(yàn)、現(xiàn)場測試及校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)效果，最終確定在復(fù)合黃土基地處理中使用水泥粉煤灰攪拌樁。本文對復(fù)合黃土經(jīng)過水泥粉煤灰攪拌樁混合后的地基進(jìn)行勘測、數(shù)據(jù)模擬以及理論推算，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較與剖析，最終提出適用于復(fù)合黃土地基沉降理論依據(jù)及沉降預(yù)判方法。

1 復(fù)合黃土地基工程概述

選取某公路段沿線養(yǎng)分含量較高的復(fù)合黃土以及低洼地段近30 km，依據(jù)施工工程地質(zhì)資料及施工現(xiàn)場真實(shí)狀況，首選K20+550～K20+720復(fù)合黃土路段作為試驗(yàn)路段[1];其次選擇多處具有代表性的施工沉降監(jiān)測復(fù)合地基;最后在選取的試驗(yàn)路段中進(jìn)行粉煤灰水泥攪拌樁復(fù)合地基處理。試驗(yàn)路段所處位置為東部平原，其地勢開闊平整、水網(wǎng)交織、分布著軟塑與流塑狀態(tài)的過濕土壤，底層埋藏深度約11 m。表1為試驗(yàn)部分土壤的物理及機(jī)械性能。

在該試驗(yàn)路段中，選用樁直徑為60 cm的煤灰水泥粉攪拌樁完成復(fù)合地基加工，并根據(jù)兩個(gè)灰分摻合比15.5%、調(diào)配水泥與粉煤灰質(zhì)量比為2∶1;樁長固定為12.0 m;設(shè)定兩樁距離為200 cm，由此樁體會以正三角形樣式排列[2]。

2 水泥粉煤灰攪拌樁復(fù)合黃土地基沉降監(jiān)測

評復(fù)合地基處理效果首要標(biāo)準(zhǔn)即地基沉降量。復(fù)合地基在經(jīng)過持久勘測后，不僅能夠依靠觀察地基在施工過程中沉降幅度進(jìn)而調(diào)節(jié)路基填土速度，合理把控工程質(zhì)量;還能夠通過持久監(jiān)督測量相關(guān)數(shù)據(jù)分析沉降速度與地基沉降量之間關(guān)系，準(zhǔn)確預(yù)測復(fù)合黃土地基沉降量。

2.1 投放沉降監(jiān)測設(shè)備

選用K20+550和K20+580兩個(gè)斷面視為平行測量斷面，其在地基解決方案、地質(zhì)條件、路堤填筑高度等都具備獨(dú)特代表性。在試驗(yàn)斷面中設(shè)置并投放地基沉降量杯用于監(jiān)控地基沉降量，K20+550斷面沉降杯投放位置如圖1所示。

由圖1可知，在確定沉降杯投放位置時(shí)，首先在該區(qū)域開溝挖槽，其深度約為350 mm，寬度不宜過寬，在溝槽底部中間位置到路肩位置橫向形成約0.6%的坡度，最后檢查沉降量杯氣密性處于良好狀態(tài)便可以將其投放使用[3]。最大程度避免進(jìn)水管發(fā)生無液位或液位過高現(xiàn)象，應(yīng)依據(jù)沉降量杯投放位置準(zhǔn)確選擇觀察井位置。觀察井位置周圍地基應(yīng)做到穩(wěn)定牢固，防治出現(xiàn)過度沉降現(xiàn)象導(dǎo)致測量誤差增加。

2.2 探究沉降勘測結(jié)果

地基沉降勘測內(nèi)容包含兩方面：①工程施工過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)勘測;②工程施工結(jié)束地基沉降量測量。該試驗(yàn)路段的沉降量測量時(shí)間由兩部分組成：即路基填筑施工時(shí)間與路基填筑后穩(wěn)定周期，總監(jiān)視測量周期為120 d。

2.2.1 復(fù)合黃土地基沉降率

沿同一路段中線路基對稱監(jiān)測點(diǎn)的沉降數(shù)值及沉降率存在較大相似特征。路基填土總共持續(xù)23 d，在經(jīng)過每次填土后，其地面高度會隨之增加從而導(dǎo)致地基沉降數(shù)值發(fā)生變化。在停止施工期間地基沉降數(shù)值較為平穩(wěn)，在對地基進(jìn)行填充工作中，地基沉降數(shù)值以階梯狀不斷發(fā)生改變，其總沉降數(shù)值在逐漸增加，約占勘測期內(nèi)總沉降數(shù)值的四分之三。在現(xiàn)場勘測過程中，復(fù)合黃土地基的沉降率產(chǎn)生較大變化;基于上部荷載增加，沉降率隨著復(fù)合黃土地基壓縮量的增加而逐漸降低[4-5]。直到現(xiàn)場勘測開始后第120 d，少數(shù)監(jiān)測點(diǎn)的一周沉降變化縮小到0.3 mm，沉降速度逐漸平穩(wěn)，復(fù)合黃土地基的初始沉降數(shù)值滿足公路地基沉降標(biāo)準(zhǔn)。但是，由于復(fù)合黃土地基具有特殊屬性，固結(jié)沉降對整個(gè)地基沉降數(shù)值會產(chǎn)生較大影響，因此有必要對其開展長期沉降勘測工作。

2.2.2 復(fù)合黃土地基沉降規(guī)律

除對各個(gè)勘測點(diǎn)單點(diǎn)沉降量分析外，還應(yīng)分析橫截面沉降變化規(guī)律。K20+550試驗(yàn)路段勘測各路基點(diǎn)沿路基斷面分布如圖2所示。由圖2中可知，位于公路基橫截面行車道的復(fù)合地基沉降量有明顯變化，公路兩側(cè)路肩復(fù)合地基沉降量變化較小，邊坡腳底略出現(xiàn)凸起現(xiàn)象。公路地基填筑后的車道對應(yīng)上部靜荷載與動(dòng)荷載基礎(chǔ)位置較大，復(fù)合地基沉降量變化規(guī)律解析中不僅要探究單點(diǎn)沉降量，還應(yīng)對道路橫斷面沉降變化進(jìn)行探究。

復(fù)合地基在相同施工技術(shù)與垂直鋼筋置換率相同的條件下，上部荷載量對復(fù)合地基沉降量具有支配作用。因此，可以深入改進(jìn)完善地基設(shè)計(jì)處理方案，并可以適當(dāng)增加路肩部位攪拌樁距離。這不僅降低處理地基成本，又能夠降低路邊坡與中線之間的沉降差異，進(jìn)而避免由沉降差異引發(fā)的危害。由圖2可知：最大地基沉降量為54.5 mm;右側(cè)車道出現(xiàn)最小沉降量為-9.7 mm;左坡腳位置對應(yīng)行車道位置的地基沉降量在30～54.5 mm，其沉降速度較為均勻，整體能夠達(dá)到公路地基沉降標(biāo)準(zhǔn)[6]。

路基在相應(yīng)地基上部的荷載作用下，容易發(fā)生側(cè)向變形現(xiàn)象從而對附近土壤產(chǎn)生側(cè)向壓縮作用，由于地基坡腳位置上部無牽制力作用，導(dǎo)致土壤中應(yīng)力擴(kuò)散發(fā)生凸起，一定程度內(nèi)凸起現(xiàn)象對公路地基使用不會造成嚴(yán)重影響。由圖2中能夠看出，右側(cè)坡腳凸起量低于左側(cè)。原因在于道路右側(cè)護(hù)坡地基已經(jīng)通過水泥和粉煤灰攪拌樁加工處理;由于施工條件限制，左護(hù)坡依舊是天然復(fù)合黃土材質(zhì)[7]。尤其在邊坡的位置周圍，左側(cè)公路地基通過地表水浸泡，地基壓縮模量變小，在橫向力推動(dòng)下凸起高度偏大，以上現(xiàn)象充分說明粉煤灰水泥攪拌樁對復(fù)合黃土地基的處理具有良好效果。經(jīng)過攪拌樁處理后的復(fù)合地基其承載力一定程度上得到提升，由于復(fù)合地基變形影響較小，能夠在地基上部荷載分布不均衡造成沉降不均勻這一現(xiàn)象得到有效防控。

3 水泥粉煤灰攪拌樁復(fù)合黃土地基沉降性研究

3.1 數(shù)據(jù)理論推算

復(fù)合地基沉降量是地基沉降量（F 1）及樁尖下方底層壓縮變形量（F 2）之和，復(fù)合地基沉降示意圖如圖3所示。在圖3中，H表示復(fù)合地基加固區(qū)的厚度;Z表示載荷基礎(chǔ)上地基可壓縮層的厚度;加固區(qū)下層厚度表示為“Z-H ”。荷載基礎(chǔ)上復(fù)合地基總沉降量F為

F = F1+F2

下層的壓縮體積F2通常通過逐層求和法、等效實(shí)質(zhì)法或應(yīng)力擴(kuò)散法來計(jì)算;對于不同復(fù)合地基，通過一種或多種計(jì)算方式計(jì)算加固區(qū)內(nèi)土層F 1可壓縮量[8]。

目前在加固區(qū)域沉降變形理論推算方式中包括復(fù)合模量法、應(yīng)力擴(kuò)散法及樁壓法。根據(jù)選取的公路路段復(fù)合黃土路基的工程形態(tài)和粉煤灰水泥攪拌的施工技術(shù)指數(shù)，在理論基礎(chǔ)中推算實(shí)際工程復(fù)合地基沉降量。理論計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，煤灰水泥粉混合樁復(fù)合地基的計(jì)算值接近實(shí)測值，其計(jì)算過程較為簡便;采用應(yīng)力擴(kuò)散法計(jì)算的復(fù)合地基沉降中未對樁土變形現(xiàn)象進(jìn)行考慮，在實(shí)際工程計(jì)算中所參考樁土應(yīng)力比變化較大，因此導(dǎo)致最終數(shù)值偏大[9];由于樁底滲入下層時(shí)樁土應(yīng)力比與沉降變形具有不穩(wěn)定性，樁壓法實(shí)際計(jì)算過程難以操作，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果相對偏小。

3.2 建立模擬數(shù)值模型

在項(xiàng)目試驗(yàn)路段地基處理基礎(chǔ)上，構(gòu)建模擬數(shù)值模型、模擬推算經(jīng)過粉煤灰攪拌樁處理后的復(fù)合黃土地基沉降數(shù)值，結(jié)果如表3所示。

在對數(shù)值進(jìn)行模擬計(jì)算中，通過假設(shè)上部荷載時(shí)間不充足，沉降量在探究沉降過程中包含瞬時(shí)沉降與固結(jié)沉降。通過對施工場地測試、模擬數(shù)值及理論推算3種方式可以得出：由于影響地基沉降要素差異，最終數(shù)值結(jié)果也會存在相應(yīng)差異。在數(shù)值模擬中探究地基壓縮模量、土重承重、抗剪強(qiáng)度、泊松比等相關(guān)因素，從而怠忽實(shí)際工程中復(fù)合黃土地基沉降的二次固結(jié)影響，結(jié)果表明沉降監(jiān)測值較小[10]。

在實(shí)際理論推算中，忽視土壤中耐剪指數(shù)與地基橫向變形等因素影響。多數(shù)計(jì)算因素存在不穩(wěn)定性，因此，在理論推算中實(shí)際操作存在較大困難，并且計(jì)算結(jié)果在一定范圍內(nèi)受以上因素影響，導(dǎo)致其不具備較高參考性。由于復(fù)合黃土具有特殊屬性，二次固結(jié)沉降在地基沉降中存在不可小覷的作用。在推測復(fù)合黃土地基沉降數(shù)值中，可以將施工現(xiàn)場真實(shí)勘測結(jié)果與參考數(shù)值結(jié)合分析，從而對地基處理進(jìn)行準(zhǔn)確、客觀評判。

4 結(jié)語

采用沉降量杯用于施工勘測復(fù)合地基沉降量?？睖y結(jié)果顯示：地基沉降沿道路中間線對稱排列，其沉降量為54.5 mm;右側(cè)車道出現(xiàn)最小沉降量為-9.7 mm;左坡腳位置對應(yīng)行車道位置的地基沉降量在30～54.5 mm，其沉降速度較為均勻，整體能夠達(dá)到公路地基沉降標(biāo)準(zhǔn)。

在對數(shù)值進(jìn)行模擬計(jì)算中，通過假設(shè)上部荷載時(shí)間不充足，沉降量在探究沉降過程中包含瞬時(shí)沉降與固結(jié)沉降，從而怠忽實(shí)際工程中復(fù)合黃土地基沉降的二次固結(jié)影響，因此分析結(jié)果表明沉降監(jiān)測值較小?；谏鲜鐾茰y復(fù)合黃土地基沉降量方式，施工場地實(shí)際監(jiān)測與模擬數(shù)值具有一定參考價(jià)值，在預(yù)測復(fù)合黃土地基沉降量中，可以依據(jù)施工場地監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，用其對復(fù)合地基沉降進(jìn)行模擬測試。旨在能夠準(zhǔn)確預(yù)測及推斷復(fù)合黃土地基沉降量。

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