梁元林

(葛洲壩湖北大廣北高速公路有限責(zé)任公司　黃岡　438000)

振動沉管擠密碎石樁復(fù)合地基原位監(jiān)測試驗研究

梁元林

(葛洲壩湖北大廣北高速公路有限責(zé)任公司黃岡438000)

摘要為評價振動沉管擠密碎石樁對軟土地基的處治效果，文中采用原地監(jiān)測試驗對比分析處治后軟土地基的沉降量、沉降速率、水平位移、側(cè)向位移等。結(jié)果表明，碎石樁樁體質(zhì)量良好，振動沉管擠密碎石樁施工工藝可行、質(zhì)量可靠。

關(guān)鍵詞振動沉管擠密碎石樁復(fù)合地基原位檢測試驗研究

軟土具有壓縮性高、含水量大、滲透性差、抗剪強度低等特點，在附加應(yīng)力作用下會由于壓縮變形和剪切變形而產(chǎn)生較大的沉降，甚至破壞[1-3]。在高速公路建設(shè)中，軟基的穩(wěn)定性和沉降問題是最為關(guān)鍵的問題之一，它不僅影響施工的組織、安排和質(zhì)量問題等，而且關(guān)系到整個項目的成敗。由于地域不同、沉積環(huán)境有差異，各地的軟土在厚度、分布及物理力學(xué)性質(zhì)上各有特點，而每條高速公路的設(shè)計特點，如路堤填筑高度、填筑材料、填筑方式及工期均有嚴(yán)格的要求；因此根據(jù)不同的軟基處理方案，設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測內(nèi)容，是確保施工順利進行及道路質(zhì)量的關(guān)鍵[4-5]。大廣北高速公路(麻城至浠水段)采用振動沉管擠密碎石樁施工工藝處理的軟基路段有2 540 m，對其進行現(xiàn)場監(jiān)測研究的目的和意義如下。

(1) 通過對軟基處理路段的施工監(jiān)測，進一步驗證其處治效果，為施工工藝與質(zhì)量檢驗提供研究依據(jù)，同時為今后同類工程提供參考。

(2) 通過對軟基處理路段的施工監(jiān)測，在保證路堤施工過程的安全和穩(wěn)定的前提下，提出最佳填土速率和應(yīng)采取的工程措施。

(3) 根據(jù)現(xiàn)場實測的沉降量、沉降速率、水平位移、側(cè)向位移等資料，分析預(yù)測地基土的工后沉降，并在與設(shè)計值進行比較分析的基礎(chǔ)上，及時調(diào)整分層填土厚度和填土速率。

(4) 穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)、超載厚度、卸載時機判定等均需要根據(jù)原位試驗和現(xiàn)場測試確定。同時，變更設(shè)計和加載方案的確定也需要利用監(jiān)測數(shù)據(jù)進行反演參數(shù)。

1原位監(jiān)測實施方案

1.1　監(jiān)測斷面布置及儀器設(shè)備

1.1.1監(jiān)測斷面布置

綜合考慮軟基工程地質(zhì)情況、碎石樁樁體質(zhì)量檢測結(jié)果、路堤設(shè)計高度、填土施工進度等因素；選取軟土工程性質(zhì)較差、具有不同的軟土埋深及層厚較大的斷面以及路堤設(shè)計填土高度較大的斷面，對應(yīng)的樁號為K84+000，土路基設(shè)計高度為4.6 m，軟土埋深0 m，軟土厚度為6 m，處理深度為9.5 m，軟基處理方式為碎石樁+砂墊層+格柵。監(jiān)控斷面見圖1，監(jiān)測內(nèi)容包括表面沉降、側(cè)向位移、孔壓、水平位移等。斷面設(shè)置及監(jiān)測內(nèi)容見表1。

圖1　監(jiān)測斷面立面布置圖(單位:cm)

樁號沉降板邊樁或水平位移孔隙水壓力計K84+000CJ1CJ2CJ3BZ1CX1CX2CX3CX4BZ2KYJ1KYJ2KYJ3KYJ4KYJ5

1.1.2監(jiān)測儀器設(shè)備

儀器設(shè)備進場前，作好維修保養(yǎng)工作，保證儀器設(shè)備的正常使用；按要求作好儀器設(shè)備的標(biāo)定檢驗工作。

1.2　監(jiān)測實施方案

1.2.1監(jiān)測內(nèi)容與測試技術(shù)要點

(1) 地表沉降監(jiān)測。采用日本產(chǎn)NA2型精密水準(zhǔn)儀和2 m銦瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺，按二等水準(zhǔn)測量要求方法施測。每次施測前要檢查、校正i角，采用儀器設(shè)備、測站線路、觀測人員“三固定”的方法提高觀測精度；每次觀測還應(yīng)注記填土高度、天氣情況，并繪制觀測點位置平面圖，觀測結(jié)束后采用計算器算出每個觀測點的觀測值。

(2) 水平位移監(jiān)測。邊坡土體水平位移觀測一般采用經(jīng)緯儀視準(zhǔn)線法觀測邊樁頂部的位移量。即用經(jīng)緯儀配合鋼卷尺進行，基準(zhǔn)點布設(shè)在填土影響范圍外的構(gòu)筑物或單獨埋設(shè)，測量出各個觀測點與視準(zhǔn)線之間的距離，根據(jù)三角關(guān)系計算出邊樁的位移值。

(3) 側(cè)向位移監(jiān)測。首先在路堤外埋設(shè)測斜管，使用KPI測斜儀在測斜管中逐段(每隔500 mm測讀1次，測完后，將測頭旋轉(zhuǎn)180°再測1次，2次觀測深度應(yīng)一致)測出產(chǎn)生位移后管軸線與鉛垂線的夾角，分段求出水平位移，累加得出總位移量及沿管軸線整個孔深位移的變化情況。

(4) 孔隙水壓力監(jiān)測。本方案將在軟土深度范圍內(nèi)埋設(shè)常規(guī)電測孔隙水壓力探頭，以測試在路堤填筑施工中孔隙水壓力增長與消散規(guī)律，以指導(dǎo)填土施工。通過繪制各種圖表，正確地評價路堤的應(yīng)力狀態(tài)，判斷強度增長情況，反算土工參數(shù)，實現(xiàn)對路堤孔隙水壓力的長期跟蹤測試，獲得路堤應(yīng)力的長期規(guī)律性結(jié)論。

(5) 水位監(jiān)測。地下水位對于路堤穩(wěn)定性也有著直接的影響，會造成孔隙水壓力的變化，故需設(shè)置1~2個水位孔對軟基路段進行水位觀測，以掌握水位變化的規(guī)律。

1.2.2變形監(jiān)控頻率

為了收集到足夠多的信息，以便對復(fù)合地基承載變形機理進行研究，對地基強度增長、變形情況作出比較準(zhǔn)確的判斷，確保加載過程中路基的穩(wěn)定，必須保證一定的監(jiān)測頻率。在不同時期，監(jiān)測需要按照不同頻率進行。

1.2.3監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)

《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范(JTJ 017-96)》對路堤沉降速率做出了穩(wěn)定性控制標(biāo)準(zhǔn)，即路堤中線地面沉降速率每晝夜不大于10 mm，坡腳水平位移每晝夜不大于5 mm。但是影響沉降速率和側(cè)向位移的因素是比較復(fù)雜的，它們隨著地基土的性質(zhì)、加荷方式以及地基處理方法等而變化，所以控制標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)該是常數(shù)。根據(jù)《大慶至廣州高速公路湖北省麻城至浠水段兩階段施工圖設(shè)計》的有關(guān)設(shè)計要求，路堤填筑速率與變形控制的標(biāo)準(zhǔn)按下面要求執(zhí)行。

(1) 路基加載時，填筑速率應(yīng)由施工觀測來控制，其標(biāo)準(zhǔn)為：路中心的表面沉降速率宜控制在10 mm/d以內(nèi)，坡腳處的側(cè)向位移宜控制在5 mm/d以內(nèi)，單級孔壓系數(shù)小于0.6，綜合孔壓系數(shù)小于0.4。

(2) 路基中心的表面沉降速率在5 mm/d以內(nèi)時，可以進行下一層路堤的填筑。

(3) 軟基監(jiān)測應(yīng)實行動態(tài)控制，在施工過程中應(yīng)加強檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)側(cè)向位移速率等指標(biāo)不正常，路基有失穩(wěn)的趨勢時，必須立即向相關(guān)單位通報，并立即向路基兩側(cè)卸載。

2監(jiān)測成果分析

2007年1月采用振動沉管擠密碎石樁工藝處治的軟基路段施工已全部完成，經(jīng)對碎石樁質(zhì)量檢驗，全部質(zhì)量滿足設(shè)計要求，具備填筑路堤施工條件?，F(xiàn)場原位監(jiān)測工作基本與填土工作同時開始，下面分別對典型斷面(K84+400)的各監(jiān)測項目的觀測成果進行分析。

2.1　地表沉降監(jiān)測

在填土0.3 m時，在本斷面埋設(shè)了3個沉降板，對沉降板進行高程觀測。填土施工過程中以每層填土厚度按標(biāo)準(zhǔn)層0.3 m考慮，若填土荷載過大，則以實際填土高度計算，填土的重度為20 kN/m3，因為沉降板埋設(shè)在砂墊層上所填的一層土(土工格柵)的上面，所以軟基的沉降量沒有考慮砂墊層的影響。現(xiàn)填土高度為4.3 m，填土已經(jīng)完畢。填土施工期間的沉降觀測，路基填土荷載、時間與沉降的關(guān)系見圖2。

圖2　時間-荷載-沉降過程曲線圖(K84+400)

由圖2可知，路基沉降隨著填土荷載的增加而增大，填土越高沉降增加越大，各沉降板的沉降趨勢一致。路堤填土從2007年4月15日開始、2007年8月27日完成設(shè)計填土高度4.3 m，134 d填土期間，路基沉降增長相對較快，最大速率為2.37 mm/d，最大累計沉降為79.88 mm。截至2008年4月28日，設(shè)計7個月預(yù)壓期已完成，累計最大沉降為107.67 mm，整個觀測期內(nèi)，沉降速率和累計沉降均大大低于控制值10 mm/d。預(yù)壓期完成后實測最大沉降值為107.67 mm，僅為設(shè)計計算的205 mm預(yù)期沉降值的52.5%，結(jié)果表明碎石樁處理效果明顯。

2.2　深層水平位移監(jiān)測

在坡腳兩側(cè)按照圖1所示，在監(jiān)測斷面各埋設(shè)2個測斜觀測孔。位移正方向為偏離道路方向，與路的軸線方向垂直；位移負(fù)方向偏向道路方向，與路的軸線方向垂直。圖3給出了斷面觀測孔CX1的地基土深層水平位移。

圖3　深層測斜曲線節(jié)選圖(K84+000-CX1)

由圖3可見，CX1位于左路堤坡角外3.8 m，累計位移值最大約為30.94 mm。從所測的深層水平位移曲線也反映出在填土高峰期間，深層水平位移量變化明顯，而隨著填土速率的逐漸降低，深層水平位移量呈現(xiàn)相應(yīng)的減小趨勢，這一監(jiān)測結(jié)果與地表沉降的監(jiān)測結(jié)果一致。雖然在填土期間，其水平位移很大，但是總體穩(wěn)定后，此位移波動微小，即表示在整個填土期間，深層水平位移值變化很小。

同時從圖中可見填土高峰期間，深層水平位移量增加明顯，而隨著填土速率的逐漸降低，深層水平位移量呈現(xiàn)相應(yīng)的減小趨勢，這一監(jiān)測結(jié)果與地表沉降的監(jiān)測結(jié)果一致。填土期間各測孔監(jiān)控部位的位移速率小于1.0 mm/d，監(jiān)測結(jié)果表明填土加載期間地基的整體穩(wěn)定性能較好，也說明了該段采用碎石樁地基處理的方法是有效且實用的。

2.3　地表水平位移監(jiān)測

在鉆孔安裝測斜管時，同時按照圖1所示位置，對監(jiān)測斷面埋設(shè)水平位移監(jiān)測邊樁。依據(jù)地表水平位移觀測成果表(因數(shù)據(jù)量較大，不在本文計列)，并對照深層位移監(jiān)測成果分析，結(jié)果表明：邊樁離道路中心線越遠(yuǎn)其位移越小，根據(jù)觀測的結(jié)果，各邊樁的位移速率均小于2 mm/d，這也說明了隨著填土荷載的不斷施加，路堤在逐漸增高，路堤對路基兩側(cè)影響是有限的，整個填土施工過程中，地表水平位移速率控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，地基整體穩(wěn)定性良好，也表明了該段采用碎石樁對軟土地基進行處理，達到了良好的效果。

2.4　孔隙水壓力監(jiān)測

K84+400斷面孔隙水壓力原位監(jiān)測時程線見圖4。對照實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，從圖4中可以發(fā)現(xiàn)孔隙水壓力的增長與消散與2個因素有關(guān)，一是填土施工，即相當(dāng)于增加了荷載；二是地下水位的升降。土中孔隙水壓力的每一次增長和消散，都是一次土中有效應(yīng)力逐漸增加，即地基土的承載力逐漸提高的過程。2007年4月到9月施工填土這段時間，孔壓曲線變化頻繁，且呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，其原因是前次填土的荷載所造成的孔隙水壓力還沒有完全消散，就開始了下層填土的施工；而在施工完畢之后，孔壓曲線變化處于一直變小之中，即表示孔隙水壓力一直在變小，即使中間有些反復(fù)變大，主要是因為下暴雨或者大雪導(dǎo)致地下水位增高使孔隙水壓力變大?？傮w來說，在填土過程中，孔壓值未出現(xiàn)隨荷載增加而急劇上升的現(xiàn)象，表明地基土內(nèi)部未被破壞。分析本斷面的5個觀測孔結(jié)果可知，其孔壓值變化都較小，基本上屬于正常變化范圍，碎石樁的處理效果明顯，從而顯著改善了路基力學(xué)的特性。

圖4　孔隙水壓力消散時程曲線圖(K84+000)

3結(jié)論

(1) 地基土表面水平位移最大發(fā)生在緊鄰路基兩側(cè)的邊樁，遠(yuǎn)離道路中心線的邊樁位移最小。邊樁的位移基本上反映了土體的實際位移情況，路基土體沒有出現(xiàn)明顯的水平位移，路堤施工過程中路基處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 填土過程中，所有斷面均未產(chǎn)生明顯的超孔隙水壓力變化，說明荷載增加沒有引起地基中孔隙水壓力的明顯增長與消散，表明地基處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 碎石樁是一個良好的排水通道，隨著時間的延長，土的排水固結(jié)作用較為明顯，樁間土的性質(zhì)得到進一步的改善。

(4) 碎石樁質(zhì)量良好，進一步驗證了碎石樁樁體質(zhì)量檢驗評定結(jié)果與實際達到一致，證明振動沉管擠密碎石樁施工工藝可行、質(zhì)量可靠。

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Investigation on Vibration Sinking Gravel

Compaction Pile by In-situ Detection Test

LiangYuanlin

(Hubei Daguangbei Expressway Co., Ltd., Huanggang 438000, China)

Abstract：In order to evaluate the performance of vibration sinking gravel compaction pile, this paper compares the detection data of typical cross sections, including settlement, settlement rate, horizontal displacement and lateral displacement. Experimental results indicate that the gravel pile has excellent performance. Therefore, it is feasible to use this method to reinforce the soft soil in practical project.

Key words:vibration sinking gravel compaction pile; composite foundations; in-situ detection; experimental investigation

收稿日期：2015-09-03

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.029