水泥测试桩(干拌水泥碎石桩设计方法与工程应用研究)

Posted 2023-05-30

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水泥测试桩(干拌水泥碎石桩设计方法与工程应用研究)

陈忠宇 张金保 李永清 王丽娜 宗有杰 熊锐

青海省交通控股集团有限公司 长安大学交通铺面材料教育部工程研究中心

摘 要：干拌水泥碎石桩是一项施工快捷、高效的新型加固技术。依托青海省牙同高速公路水毁恢复完善工程，采用复合模量法对干拌水泥碎石桩技术进行了深入研究，建立了干拌水泥碎石桩复合模量法结构计算模型，促生了干拌水泥碎石桩加固路基的设计新理念，提出了适用于青海省高速公路路基加固的干拌水泥碎石桩设计方法。通过桩基的静载试验与重型动力触探试验，结合地基的弯沉试验与土体性质对比试验，对干拌水泥碎石桩复合地基进行了路基检测，表明桩体有显著的吸排水效果，桩体间土体夯实挤密作用良好，改善了路基的变形与承受荷载的状况，验证了干拌水泥碎石桩加固路基设计方法的可行性。

关键词：干拌水泥碎石桩;复合模量法;静载试验;动力触探试验;复合地基承载力;

基金：青海省重点研发与转化计划项目，项目编号2021-QY-216;

干拌水泥碎石桩是基于碎石桩、CFG桩产生的一项新型加固技术，且被国内部分路基病害处治工程所采用。其施工周期短、无污染、省材料、投资少，如京珠、西宝和西潼高速公路采用干拌水泥碎石桩技术处理路基不均匀变形和龟裂等病害，取得了良好效果[1,2,3,4]。京珠高速公路许昌～漯河段建成后多次采用压浆、挖补等方法处治路基沉陷、裂缝等病害，无效后采用干拌水泥碎石桩加固路基并成功处治了路基变形[5,6,7]。

虽然干拌水泥碎石桩加固技术早已应用于道路病害处治，但其设计理论均为碎石桩处理软弱地基理论。然而，软弱地基与道路路基存在较大差异，而且两者在结构指标、技术指标与设计指标等方面的要求也存在不同。因此，干拌水泥碎石桩加固路基设计的理论不够完善充分，且其合理性无法得到保障。故对干拌水泥碎石桩技术加固路基开展深入的理论探究，对于干拌水泥碎石桩技术在公路行业的应用具有一定的意义[8,9,10]。

鉴于此，依托青海省牙同高速公路水毁恢复完善工程对干拌水泥碎石桩技术开展深入的理论探究，针对青海省的地域性特点，设计出适用的干拌水泥碎石桩处治路基方案；旨在通过该项目的研究，进一步提升干拌水泥碎石桩加固道路路基的理论依据与技术支持，大幅度提高工程质量，降低工程成本。

1 基于路表弯沉的桩体设计方法

1.1干拌水泥碎石桩加固路基设计理念

干拌水泥碎石桩加固路基设计方法的理论之一是复合模量法，其中路面面层、半刚性基层和半刚性底基层的厚度和模量保持不变，而后在路基土里加一层加固层(其厚度为hosp、回弹模量为Eosp),将其与下部的路基土结合为一个整体，基于路基土顶面的弯沉等效方法，将其等效为一层土体进行设计。设等效后的路基土回弹模量是E′osp;Eosp为桩和桩间土所形成的复合路基土的回弹模量；Eop为桩的回弹模量；Eos为路基土的回弹模量；加固层厚度hosp为从半刚性基层的底面到碎石桩桩底的距离，即桩底深度H减去面层厚h1、基层厚h2和底基层厚度h3后所得的层厚。复合模量法结构计算模型见图1。

根据以上分析得到，当路面设计时的路基土回弹模量Eos小于等于等效路基土的回弹模量E′osp时，即满足干拌水泥碎石桩技术加固路基的要求。图2所示为干拌水泥碎石桩加固路基的设计流程图。

1.2干拌水泥碎石桩加固路基设计流程

(1)确定加固目标。

当明确路基加固深度和范围后，应选择该路段新建时的设计弯沉为加固目标。

图1 复合模量法结构计算模型 下载原图

图2 干拌水泥碎石桩加固路基的设计流程 下载原图

(2)原路基土回弹模量。

加固过程中，应选取原路基土的回弹模量。

(3)加固区厚度hosp=H-h1-h2-h3。

(4)加固区复合回弹模量。

采用3因素4水平进行分析，如表1所示。

表1 正交试验参数设计 导出到EXCEL

试验采用BISAR3.0软件，计算得到复合路基土顶面弯沉，最终得到的等效路基土回弹模量见表2。

表2 正交试验数据 导出到EXCEL

对上述数据进行多元线性分析得到：

E′osp=-0.001 2×E2osposp2-0.033 7×E2osos2-0.030 98×Eosp×hosp+0.078 4×Eos×hosp+1.348×Eosp+1.211 8×Eos-24.484 (1)

式中：E′osp为等效路基土回弹模量，MPa; Eosp为复合路基土回弹模量，MPa; hosp为复合路基土厚度；Eos为原路基土回弹模量，MPa。

(5)桩体抗压模量。

桩体抗压模量参考取值范围为400 MPa～1 000 MPa, 通常根据相应的试验确定。

(6)置换率。

置换率m计算公式如下：

m=Eosp−EosEop−Eos         (2)m=Eosp-EosEop-Eos         (2)

(7)确定桩径。

根据文献资料[11,12,13,14,15,16,17]与现有机械设备，选择桩孔直径为15 cm或20 cm, 或通过成孔设备确定桩径。

(8)布桩方式选择。

通过试验[4,18]与工程实践进行布桩方式选择。为获取最佳的挤密叠加效果，选择正三角形结构布置桩体，如图3所示。

图3 桩体布置结构 下载原图

(9)确定桩间距。

对于正三角形布置桩体，桩间距参考取值范围为0.6～1.2 m。计算公式如下：

L=0.54dπ/m−−−−√         (3)L=0.54dπ/m         (3)

式中：d为桩身平均直径，m; m为置换率。

2 干拌水泥碎石桩工程应用

2.1工程概况

牙同高速公路位于青海省东部地区，穿越化隆县、尖扎县和同仁县，路线全长为62.757 km。该工程桥隧比例高，高填方路基多，地形条件复杂，施工难度极大。由于突发性持续强降雨，导致该工程局部路段出现泥石流、水毁险情，部分高填方路段由于雨水渗入路基，引起路面沉降，影响道路正常通行。针对上述路况与病害，为保证交通顺畅，使用干拌水泥碎石桩技术成为加固下沉段路基的重要方法。图4反映的是牙同高速公路路面不均匀沉降的情况。

图4 牙同高速公路路面不均匀沉降 下载原图

依据该水毁处置工程，选取有代表性的K11+774～K11+784、K11+804～K11+814和K12+050～K12+060段开展现场试验，研究干拌水泥碎石桩的设计参数及施工效果。地质勘察钻孔外观及调查资料显示，揭露深度内地层共4层：①层填筑土，杂色，稍湿，密实，成分以卵、砾石为主，次为粉土，钻孔揭露厚度为6.00 m, 为原路基垫层，固结程度差；②非湿陷性黄土状土，黄褐色，稍湿，稍密，以粉土为主，不具湿陷性，钻孔揭示厚度为2.20 m; ③圆砾，杂色，稍密，以砾石粒为主，钻孔揭露厚度为1.80 m, 局部夹粉土、砂层；④非湿陷性黄土状土，黄褐色，稍湿，稍密，以粉土为主，局部为粉质黏土，夹砂砾层，不具湿陷性，钻孔揭示厚度为5.10 m(未揭穿)。

2.2基于路表弯沉的干拌水泥碎石桩设计

根据以上干拌水泥碎石桩的设计理念和设计流程，对牙同高速公路代表性路段进行基于路表弯沉的干拌水泥碎石桩设计。

(1)确定加固目标：

选择该路段新建时的设计弯沉为加固目标，路表弯沉为20(0.01 mm)。

(2)原路基土回弹模量：

原路基土回弹模量Eos为32 MPa。

(3)加固区厚度：

hosp=H-h1-h2-h3=8-0.18-0.2-0.2=7.42 m。

(4)加固区复合回弹模量：

原路基土回弹模量Eos为32 MPa, 因加固区厚度hosp为7.42 m, 代入公式(1)可确定加固区复合回弹模量Eosp为40.18 MPa。

(5)桩体回弹、抗压模量：

桩体回弹模量为200 MPa, 压缩模量为800 MPa。

(6)置换率：

试桩桩径为15 cm, 桩长为8 m, 间距为0.8 m, 代入公式(2)可确定置换率m为0.031 9。

(7)确定桩径：

根据施工机具与设备类型，确定成孔直径为15 cm 。

(8)布桩方式选择：

根据干拌水泥碎石桩复合地基桩位布置的相关要求，该工程选择正三角形的布置形式。

(9)确定桩间距：

根据桩孔间距的相关规定，其干拌水泥碎石桩平面布置见图5。

图5 干拌水泥碎石桩平面 下载原图

2.3干拌水泥碎石桩施工

干拌水泥碎石桩桩径为15 cm, 桩长为5.5～12 m(深度深入原地面以下1 m),正三角形布置。夯锤重量为120 kg, 落距选择为76 cm; 干拌水泥碎石配合比为水泥∶中粗砂∶碎石(10～30 mm)=1∶2.6∶3.3,压实度要求达到96%;扩夯回填后，桩径不小于220 mm。

2.4干拌水泥碎石桩加固路基检测

2.4.1桩基静载试验

依据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2014)中单桩静载试验的规定，采用锚桩横梁反力装置与慢速逐级加载法，随机对现场两根试桩进行单桩载荷试验。试桩桩径为15 cm, 桩长为8 m, 填料压实度达到 96%。通过试桩布设的测试元件，在沉降稳定后，察看桩顶沉降并读取埋设的钢筋计与压力盒读数。现场桩基载荷试验与结果如图6、图7所示。

对桩基的载荷试验结果P～S曲线进行分析，可以得到：两根试桩的极限承载力分别为290 kPa和310 kPa, 对应的承载力特征值分别为145 kPa和155 kPa, 桩土应力比取1.5～3.0。最终确定了单桩极限承载力为300 kPa, 桩顶沉降为2 mm±0.3 mm, 因此符合牙同高速水毁恢复完善施工设计要求(单桩设计承载力不小于250 kPa)。

图6 现场桩基载荷试验 下载原图

图7 桩基载荷试验P～S曲线 下载原图

2.4.2动力触探试验

由于K11+774～K11+784和K11+804～K11+814段的试验土质主要以卵、砾石为主，且荷载板面积较小、影响深度有限，考虑到动力触探试验设备相对简单，操作方便，因此选取该试验段进行重型动力触探试验。现场试验见图8。通过重型动力触探试验可以评价干拌水泥碎石桩桩体密实度，确定复合地基的承载力。各测点对应的重型动力触探曲线如图9、图10所示。

图8 动力触探现场试验 下载原图

图9 K11+774～K11+784段重型动力触探(N63.5)曲线 下载原图

图10 K11+804～K11+814段重型动力触探(N63.5)曲线 下载原图

根据图9、图10得到：两试验段地基在加固前后各土层的平均重型动力触探(N63.5)击数均增加，且密实度均有所提高，充分证明干拌水泥碎石桩技术能够提高地基强度与承载力，减少地基沉降。为具体确定复合地基承载力与变形模量的变化，依据《工程地质手册》和《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)(2009 版)中重型动力触探锤击数与土层物理力学参数对应关系，采用内插法确定其变化，结果如表3、表4所示。

表3 K11+774～K11+784段各土层物理力学参数 导出到EXCEL

表4 K11+804～K11+814段各土层物理力学参数 导出到EXCEL

通过表3得到，K11+774～K11+784段加固后土体密实度均为稍密。土层①的复合地基承载力为282 kPa, 比加固前提高了17.5%;变形模量提高至19.5 MPa, 增加了20.4%。土层②的复合地基承载力为240 kPa, 提高了23.1%;变形模量提高至16.2 MPa, 增加了54.3%。土层③的复合地基承载力为200 kPa, 提高了25.0%;变形模量提高至14.4 MPa, 增加了20.0%。通过表4得到，K11+804～K11+814段加固后土体密实度均为稍密。土层①的复合地基承载力为268 kPa, 提高了10.7%;变形模量为18.0 MPa, 增加了7.8%。土层②的复合地基承载力为272 kPa, 提高了13.3%;变形模量为18.2 MPa, 增加了12.3%。土层③的复合地基承载力为204 kPa, 提高了16.6%;变形模量为14.0 MPa, 增加了9.6%。通过上述结果分析，确定采用干拌水泥碎石桩技术后复合地基承载力和变形模量均有所提高，处理后的复合地基承载力为260 kPa, 比加固前提高约16%。

采用干拌水泥碎石桩技术的复合地基承载力和变形模量均较加固前有所增加，究其原因是：在对干拌水泥碎石桩夯扩时，桩孔填料中干拌水泥碎石初期具有散体特征，随填料龄期增加，水泥逐步吸收桩周土中的水分而硬化，致使桩体强度逐步变大；并且桩体被进行夯扩时，桩周土逐步被改善，提升了其对原有路基的承载力。同时，桩周土与桩体在一定深度区间内构造出复合地基，使桩侧摩阻力被提升。

2.4.3弯沉试验

路面弯沉是路面整体强度和刚度的反映，其反映了汽车荷载作用下抵抗竖向变形的能力。在常温下，采用贝克曼梁法对K11+774～K11+784与K11+804～K11+814试验段进行10万次弯沉试验，试验现场如图11所示。试验加载次数与路面弯沉值的变化关系见图12和表5。

图11 弯沉试验现场 下载原图

图12 路面弯沉与加载次数变化关系 下载原图

表5 加固前后试验段弯沉试验数据 导出到EXCEL

分析图12得到：在荷载进行加载初期，路面弯沉值下降相对较小，随车辆荷载在路表加载次数的增加，路面弯沉值最终均趋于稳定；整个试验中，路面弯沉值都没有发生任何显著改变，说明了在进行加速加载试验期间路面结构几乎无任何结构性破坏，表明该路段已具备较好的承载能力。由表5可知：干拌水泥碎石桩处治后的路面弯沉值均小于处治前，证明经过处治后路面承受荷载和变形的能力增强，回弹弯沉值减小。

2.4.4加固前后土体性质对比

为验证干拌水泥碎石桩技术对桩间土的挤密效应，选取试验段K11+774～K11+784段的代表性土层，对加固前后的土体进行取样，分别测试了土体的含水量、密度、孔隙比、饱和度、弹性模量等物理力学性质指标，结果见表6。

表6 加固前后土的物理力学性质指标 导出到EXCEL

分析表6得到：加固前后，桩间土的密度与压缩模量较加固前有所提高，而含水量、孔隙比与饱和度均减小。这说明桩体的吸排水效果显著增加，土体间更加密实，路基承载力增加，使路基不均匀沉降、塌陷可能性降低。

3 结语

本文依托青海省牙同高速公路水毁工程，对路基下层为非湿陷性黄土或湿陷性土层较薄的路基沉降段落，采用干拌水泥碎石桩技术进行路基加固处理，建立了干拌水泥碎石桩复合模量法结构计算模型，提出了一套适用于青海省路基加固的干拌水泥碎石桩设计方法。并选取代表性段落进行试验桩的静载试验、重型动力触探试验和弯沉试验，对干拌水泥碎石桩复合地基进行加固检测，得出以下结论：

(1)单桩极限承载力为300 kPa, 桩顶沉降为2 mm±0.3 mm, 满足设计要求；

(2)采用干拌水泥碎石桩处理并形成复合地基后，复合地基承载力增加至260 kPa, 比加固前提高约16%;

(3)采用干拌水泥碎石桩加固路基后，路面的垂直变形减小，回弹弯沉值变小，强度提高；

(4)采用干拌水泥碎石桩加固路基后，桩间土的密度、压缩模量均提高，含水率、孔隙比与饱和度降低，表明采用干拌水泥碎石桩处理路基能提高路基承载力，减少不均匀沉降。

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