軟土路堤水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)及整體穩(wěn)定性分析

彭　琦

(廣州鐵路(集團(tuán))公司深圳工程建設(shè)指揮部，廣東深圳　518001)

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軟土路堤水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)及整體穩(wěn)定性分析

彭琦

(廣州鐵路(集團(tuán))公司深圳工程建設(shè)指揮部，廣東深圳518001)

摘要:結(jié)合珠三角地區(qū)河相沉積軟土特性，選取水泥土攪拌樁作為軟基處理方案，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試樁后確定設(shè)計(jì)、施工等參數(shù)，并根據(jù)沿線現(xiàn)場(chǎng)地形地貌特征，提出了鐵路設(shè)計(jì)中和運(yùn)營(yíng)后應(yīng)注意的要點(diǎn)，為今后珠三角地區(qū)的軟土地基處理提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞:水泥土攪拌樁，承載力，穩(wěn)定性，反壓護(hù)道，地基

0　引言

水泥土攪拌樁是利用水泥(或石灰)等材料作為固化劑，通過(guò)特制的攪拌機(jī)械，在地基深處就地將軟土和固化劑(漿液或粉體)強(qiáng)制攪拌，由固化劑和軟土間所產(chǎn)生的一系列物理—化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的柱狀加固體樁，并與樁間土組成復(fù)合地基，從而提高地基強(qiáng)度和增大變形模量。

水泥土攪拌樁可用于處理正常固結(jié)的淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土、飽和黃土、素填土、黏性土以及無(wú)流動(dòng)地下水的飽和松散沙土等地基。對(duì)泥炭土、有機(jī)質(zhì)含量高的淤泥質(zhì)土、塑性指數(shù)大于25的黏性土，以及夾有塊石、較大粒徑的碎石、卵石的地基，應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性。水泥土攪拌樁施工前應(yīng)進(jìn)行室內(nèi)配比試驗(yàn)，選擇滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的水泥、外摻劑及其摻量，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或試驗(yàn)性施工，確定施工工藝及參數(shù)。

鐵路路基穩(wěn)定性驗(yàn)算分別檢算路堤施工期及鐵路運(yùn)營(yíng)期的穩(wěn)定系數(shù)，以運(yùn)營(yíng)期的穩(wěn)定安全系數(shù)作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，以施工期的穩(wěn)定安全系數(shù)作為驗(yàn)算指標(biāo)。路堤施工期荷載應(yīng)考慮路堤自重和運(yùn)梁車等施工臨時(shí)荷載，運(yùn)營(yíng)期荷載應(yīng)包括路堤自重、列車和軌道荷載。

1　工程概況

某珠三角鐵路佛山段工點(diǎn)處于軟基地段，填土高約7 m，位于泛珠江三角洲地區(qū)，處于沖積平原地段，以河相沉積軟土為主，局部位于丘間谷地，表層普遍分布河相(局部為谷地相)沉積軟土，局部夾砂或軟土與砂互層，厚度一般為3 m～21 m。沿線地表魚塘、河溝(渠)廣泛分布，養(yǎng)殖業(yè)非常發(fā)達(dá)。

自上而下地層分布為:一般地表零星分布種植土和人工填土，厚0 m～2 m，主要為漁塘塘埂填筑土或挖塘廢棄土;上部地層為淤泥或淤泥質(zhì)黏土，灰色～灰黑色，流塑～軟塑，主要由粘粒組成，含有機(jī)質(zhì)，具臭味，厚0 m～21 m;中部為軟塑～硬塑黏性土層及中粗砂、礫砂層。下伏基巖以泥質(zhì)砂巖夾砂巖、泥巖全風(fēng)化～弱風(fēng)化地層為主。上部淤泥或淤泥質(zhì)黏土具有高含水量、高液限、有機(jī)質(zhì)含量高、強(qiáng)度低、欠固結(jié)、易壓縮變形等特點(diǎn)。

地下水為第四系孔隙潛水，埋深0 m～3 m，碳化環(huán)境作用等級(jí)為T2，化學(xué)侵蝕環(huán)境條件為H1～H2。地表水、地下水對(duì)混凝土大部分無(wú)侵蝕性，局部存在酸性侵蝕。土層主要物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1　土層主要物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

2　水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)

單樁豎向承載力的計(jì)算，按側(cè)摩阻力與端阻力、樁體強(qiáng)度計(jì)算并取其較小值:

其中，［P］為單樁容許承載力，kN;Pt為樁身水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;α為樁底地基土容許承載力折減系數(shù)，取0．5;η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取0．33;qi為樁周第i層土的容許摩阻力，kPa;li為樁周第i層土的厚度，m;qp為樁端地基土容許承載力，kPa;up為樁身周長(zhǎng)，m;Ap為樁身截面面積，m2。

經(jīng)計(jì)算，單樁豎向容許承載力值為78 kN。

復(fù)合地基容許承載力宜通過(guò)復(fù)合地基荷載試驗(yàn)確定，設(shè)計(jì)時(shí)按下式計(jì)算:

其中，σsp為復(fù)合地基容許承載力，kPa;σs為樁間土天然地基容許承載力，kPa;β為樁間土承載力折減系數(shù)，取0．4;m為置換率，一般取10%～20%;A為一根樁所承擔(dān)的復(fù)合地基面積，m2。

經(jīng)計(jì)算，復(fù)合地基容許承載力值為136 kPa。

經(jīng)工程類比并檢算確定，工程采用的水泥攪拌樁樁徑為0．5 m，樁間距1 m，按正三角形布置，處理深度應(yīng)穿過(guò)軟土層(入中砂層)至少0．5 m，長(zhǎng)度8．5 m～9 m，樁頂設(shè)置50 cm的粗砂墊層，中間夾50型土工格柵，采用四噴四攪工藝，攪拌樁無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1．2 MPa，單樁承載力Ra≥78 kN。

現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)代表性試樁，并按規(guī)范進(jìn)行檢測(cè)后，確定采用PC32．5水泥，水泥摻入量為15%(50 kg/m)，水灰比0．55，采用四噴四攪工藝，鉆進(jìn)速度V=0．7 m/min～1．1 m/min，提升速度V=0．6 m/min～1．0 m/min，送泵壓力0．4 MPa～0．6 MPa。

3　復(fù)合地基整體穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性分析采用圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行檢算(見圖1)，穩(wěn)定系數(shù)Fs按下式計(jì)算(不考慮固結(jié)):

其中，i，j均為土條編號(hào)，i表示土條底部的滑裂面在地基土層內(nèi)，j表示土條底部的滑裂面在路堤填料內(nèi);Pt為各土條在滑弧切線方向的下滑力的總和，Pt=∑Wisinαi+∑Wjsinαj;Si為地基土內(nèi)(AB弧)抗剪力，kN/m，Si=Wicosαitanφqi+cqili;Sj為路堤內(nèi)(BC弧)抗剪力，Sj=Wjcosαjtanφqi+cqjlj。

本鐵路為Ⅰ級(jí)鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h，軌道及列車荷載(中—活載)換算土柱查有關(guān)鐵路規(guī)范得，γ=19 kN/m3時(shí)換算高度取3．2 m，分布寬度取3．7 m。

建立計(jì)算模型如圖2所示。

圖1　圓弧滑動(dòng)法計(jì)算示意圖

圖2　路堤穩(wěn)定性分析模型圖

采取自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑裂面方法進(jìn)行計(jì)算，可得出最危險(xiǎn)滑裂面示意圖(見圖3)。

圖3　最危險(xiǎn)滑裂面示意圖

由圖3可以看出，軟土路堤加上超載之后，最危險(xiǎn)滑裂面貫穿路堤本體中心與攪拌樁外側(cè)加固區(qū)，滑動(dòng)安全系數(shù)Fs=1．21，滿足《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》中V≤120 km/h時(shí)，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)Fs不得小于1．20的要求。

在路堤坡腳兩側(cè)設(shè)反壓護(hù)道，護(hù)道單側(cè)頂寬度4 m，高度2 m，得出最危險(xiǎn)滑裂面示意圖(見圖4)，最危險(xiǎn)滑裂面有向下發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)滑動(dòng)安全系數(shù)Fs=1．40，較不設(shè)置反壓護(hù)道條件下提高較大。

圖4　最危險(xiǎn)滑裂面示意圖（加反壓護(hù)道）

4　結(jié)語(yǔ)

1)佛山段位于泛珠江三角洲地區(qū)，處于沖積平原地段，以河相沉積軟土為主，軟土地質(zhì)條件非常復(fù)雜，水泥攪拌樁在進(jìn)行大規(guī)模施工前要選取有代表性的工點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)性試樁，以驗(yàn)證其適用性。

2)在采用水泥攪拌樁復(fù)合地基進(jìn)行軟土路堤施工中，應(yīng)特別注重路堤外圍水泥攪拌樁的施工質(zhì)量，同時(shí)加強(qiáng)路堤填筑過(guò)程中的質(zhì)量管理，確保樁底嵌入相對(duì)硬層內(nèi)不小于0．5 m。

3)為保證路堤側(cè)向約束條件，確保鐵路路基的穩(wěn)定，沿線應(yīng)盡量控制沿線魚塘過(guò)量抽水、曬塘、清淤等行為，條件允許的路段應(yīng)設(shè)置反壓護(hù)道等措施。

4)在路堤填筑過(guò)程中，加強(qiáng)軟土路堤變形監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)范或設(shè)計(jì)要求進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果控制填土速率，必要時(shí)應(yīng)卸載，待穩(wěn)定后方可繼續(xù)填筑。

Analysis on soft embankment cement-soil mixing pile design and integral stability

Peng Qi
(Shenzhen Engineering Construction Administration，Guangzhou Railway(Group)Corporation，Shenzhen 518001，China)

Abstract:Combining with river soft clay properties in Pearl River Delta Area，the paper selects cement-soil mixing pile as soft foundation treatment scheme，determines design and construction and other parameters through in-situ pile testing，and puts forward railway design and operation points according to morphological features，which has provided some guidance for soft foundation treatment in Pearl River Delta Area．

Key words:cement mixing pile，bearing capacity，stability，back berm，foundation

作者簡(jiǎn)介:彭琦(1984-)，男，工程師

收稿日期:2015-10-23

文章編號(hào):1009-6825(2016)01-0157-03

中圖分類號(hào):U416．12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A