滬通鐵路軟土地基旋噴樁加固效果分析

賀文波

(中國(guó)鐵路總公司 工程質(zhì)量監(jiān)督管理局廣州監(jiān)督站，廣東 廣州 510000)

軟土具有含水率高、壓縮性高、滲透性低、固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)等特性，在特殊土研究領(lǐng)域引起學(xué)者的廣泛關(guān)注。在軟土上修筑路基極易引發(fā)沉降及承載力不足等問(wèn)題，這對(duì)工程建設(shè)具有極大的危害[1]，因此需要對(duì)其進(jìn)行加固處理。

旋噴樁處理軟土地基是軟土地基處理的常用方法之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。李小杰[2]對(duì)高壓旋噴樁復(fù)合地基的承載力、沉降實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比與分析。王慶國(guó)等[3]通過(guò)建立三維有限元模型，分析了旋噴樁加固對(duì)于控制既有鐵路變形的效果。姚賢華等[4]借助ANSYS有限元軟件，采用DP彈塑性材料模型和1/4對(duì)稱模型，對(duì)高壓旋噴樁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，配置不同樁長(zhǎng)、樁土模量比和樁間距，得到不同的承載特性。安關(guān)峰等[5]采用基于MIDAS/GTS的三維有限元分析技術(shù)，通過(guò)改變旋噴群樁的布置方式、樁彈性模量、樁長(zhǎng)、樁徑、樁距等設(shè)計(jì)參數(shù)及樁-土接觸面等參數(shù)對(duì)旋噴群樁復(fù)合地基承載特性的影響進(jìn)行了研究。研究表明：旋噴樁加固軟土地基主要減小了地表至樁底深度范圍內(nèi)土體的沉降，對(duì)樁底下方的土體沉降基本無(wú)影響。狄宏規(guī)等[6]結(jié)合朔黃重載鐵路路基加固前后檢測(cè)數(shù)據(jù)和斜向高壓旋噴樁的加固機(jī)理，對(duì)斜向高壓旋噴樁技術(shù)加強(qiáng)既有線路基的綜合效果進(jìn)行了研究。研究表明，斜向高壓旋噴樁能顯著提高路基的強(qiáng)度、剛度、承載力及路基45°擴(kuò)散線以內(nèi)土體的密實(shí)度，是一種快速有效的既有線路基加固技術(shù)。冒千如等[7]基于兩相多孔介質(zhì)彈塑性本構(gòu)模型對(duì)高壓旋噴樁加固處理的軟土地基沉降進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明高壓旋噴樁加固軟基效果明顯。

本文采用ABAQUS軟件，計(jì)算地基上分別填筑砂墊層和A,B填料過(guò)程中，線路中心處與坡腳處的豎向位移，探討軟土路基沉降特征，對(duì)比軟土地基在旋噴樁施工前后的沉降，分析其加固效果。為類似工程的建設(shè)提供參考。

1 工程概況

滬通鐵路為長(zhǎng)江沖積平原河口新三角洲平原區(qū)，局部為湖沼積平原區(qū)。全線地形平坦，地勢(shì)開(kāi)闊，海拔2.0～4.5 m。沿線河網(wǎng)密布，水塘星羅棋布。線路所經(jīng)地區(qū)為長(zhǎng)江沖積平原河口新三角洲平原區(qū)，地層成因主要為沖海積，局部為沖積及湖沼積，具有海陸相相互交替沉積的特點(diǎn)，巖性變化較大，基巖埋藏較深，約160～300 m。地層為第四系松散堆積層，軟土地基在沿線廣泛分布，一般厚5～15 m，最厚達(dá)25 m；Ⅶ度地震區(qū)地表以下15 m內(nèi)粉土、粉砂多為可液化層。沿線工程地質(zhì)條件普遍較差，需要經(jīng)過(guò)地基處理后才能修筑路基[8]，且路堤填料缺乏。

2 旋噴樁施工工藝

旋噴樁施工前先做工藝試樁(2～3根)，明確樁徑、強(qiáng)度，修正室內(nèi)配方，確定旋噴工藝和參數(shù)。同時(shí)進(jìn)行場(chǎng)地平整，挖好排漿溝[9]。接著鉆機(jī)安放在孔位上，并保持垂直。將鉆桿軸線對(duì)準(zhǔn)鉆孔中心位置，采用跳打法以防止孔間串漿。旋噴管插入地層預(yù)定的深度，鉆孔后用砂袋塞住孔口，防止雜物掉入孔內(nèi)。鉆孔完畢后，拔出芯管，插入噴射注漿管至預(yù)定深度。在插管過(guò)程中，為防止泥砂堵塞噴嘴，可邊射水、邊插管，水壓力一般不超過(guò)1 MPa。

當(dāng)噴管插入預(yù)定深度后，由下而上進(jìn)行噴射作業(yè)，檢查漿液初凝時(shí)間、注漿流量、風(fēng)量、壓力、旋轉(zhuǎn)提升速度等參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求。噴射施工完畢后，把注漿管等機(jī)具設(shè)備沖洗干凈，管機(jī)內(nèi)不得殘存水泥漿[10]。

3 旋噴樁加固軟土地基沉降數(shù)值分析

滬通鐵路正線DK1422+150，旋噴樁為正方形布置，樁徑0.5 m，樁間距1.0 m，改橫斷面樁長(zhǎng)為11 m,共8根，如圖1所示。利用ABAQUS軟件分析軟土地基在旋噴樁處理前后地基的沉降及工后沉降。

圖1 旋噴樁設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)處理措施時(shí)地基沉降

3.1.1 地應(yīng)力平衡

為消除填筑路基前地基在自重作用下發(fā)生的前期變形，模擬天然地基的應(yīng)力條件，需對(duì)模型作初始地應(yīng)力平衡處理。在填筑之前，將模型中路基部分的質(zhì)量、剛度矩陣設(shè)置為0，這些單元不參與計(jì)算[11]。地應(yīng)力平衡完成之后，地基的位移幾乎為0，存在地應(yīng)力。計(jì)算土體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算土體力學(xué)參數(shù)

運(yùn)用ABAQUS軟件計(jì)算的地基豎向位移如圖2所示。

圖2 地基豎向位移(單位：m)

由圖2(a)可知：未進(jìn)行地應(yīng)力平衡時(shí)，地基豎向位移最大為0.287 m。由圖2(b)可知：地應(yīng)力平衡后，地基土體豎向最大位移比初始位移小約102～103個(gè)數(shù)量級(jí)，最大為2.75 mm，因此可以忽略不計(jì)，認(rèn)為模擬了地基土體的初始狀態(tài)。

根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告，模型統(tǒng)一取地下水位于地基表面下1.5 m，地基豎向邊界取30 m。經(jīng)理論計(jì)算得出路基底面的孔隙水壓力為285 kPa，與模型計(jì)算結(jié)果一致，驗(yàn)證了模型初始邊界條件的正確。

路基沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，主要監(jiān)測(cè)A點(diǎn)的豎向位移和B點(diǎn)的水平位移[12]。

圖3 路基沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

3.1.2 有限元模型建立及計(jì)算

不同路基填筑層數(shù)下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移見(jiàn)圖4。由圖4(a)可知，隨著路基的填筑，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的豎向位移不斷增大，最大位移為5.1 cm。由圖4(b)可知，隨著路基的填筑，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B的水平位移不斷增大，最大位移為5 mm。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移

3.2 旋噴樁加固后地基沉降

采用無(wú)處理措施時(shí)的路基計(jì)算模型，只在地基中按照設(shè)計(jì)要求加入旋噴樁。旋噴樁力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 旋噴樁力學(xué)參數(shù)

采用旋噴樁加固后，不同路基填筑層數(shù)下監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的位移見(jiàn)圖5?？芍弘S著路基的填筑，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的豎向位移不斷增大，最大位移為1.42 cm。

圖5 旋噴樁加固后監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的豎向位移

4 旋噴樁加固后地基沉降現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

采用自動(dòng)沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)該鐵路旋噴樁加固軟土路基試驗(yàn)段進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，以驗(yàn)證數(shù)值分析的沉降。

4.1 監(jiān)測(cè)方案

試驗(yàn)段預(yù)埋監(jiān)測(cè)元器件，監(jiān)測(cè)路基填筑過(guò)程中地基頂面的豎向沉降。結(jié)合實(shí)際情況，在路基外側(cè)埋設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)。選擇間距20 m的2個(gè)斷面作為監(jiān)測(cè)面，各埋設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，挖槽20 cm埋設(shè)元器件。具體布置方案見(jiàn)圖6。

圖6 自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案布置示意(單位：m)

4.2 實(shí)際沉降觀測(cè)

試驗(yàn)路段沉降監(jiān)測(cè)從2016年3月8日至5月25日，累計(jì)監(jiān)測(cè)78 d，其中路基填筑時(shí)間約50 d。數(shù)據(jù)采集中發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)S2無(wú)效，其余自動(dòng)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 2016年地基沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果 cm

由表3可知，位于路基中線的S6測(cè)點(diǎn)沉降最大，為2.975 cm。與有限元軟件ABAQUS計(jì)算出的加固后監(jiān)測(cè)點(diǎn)A豎向最大位移3 cm相比，相差0.83%。驗(yàn)證了有限元軟件計(jì)算結(jié)果可靠，同時(shí)說(shuō)明了旋噴樁加固軟土路基能夠控制其沉降。

5 結(jié)論

1)根據(jù)ABAQUS模型分析結(jié)果，對(duì)比軟土地基在加固前后監(jiān)測(cè)點(diǎn)A豎向位移，加固前豎向最大位移5.1 cm，加固后豎向最大位移3 cm，減小了41%，說(shuō)明處理措施效果顯著。

2)利用自動(dòng)沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)旋噴樁加固軟土路基實(shí)際沉降量，路基中線的S6測(cè)點(diǎn)沉降量最大為2.975 cm，與ABAQUS計(jì)算結(jié)果相差0.83%。驗(yàn)證了ABAQUS模型計(jì)算結(jié)果的可靠性，以及旋噴樁加固軟土路基處理措施的有效性。