高填方路基后处理技术浅析

关键词：高填方软土路基；无砂硅小桩后处理；优化设计 

　　0引言 

　　高速公路路基特点是工程地质条件复杂，常需进行边坡开挖和碾压填方。在高填方路段，路基逐层碾压过程中，下层原状土受压、发生沉降变形，至设计路基标高下层地基土沉降变形基本稳定，则可进行下一步工序。实际工程中当高填方区存在软弱土层且其埋深较大时，在上部路基碾压过程中，下层十体中的水份不易排出，在路基的逐层增高过程中，下层软弱土产生超静水压力，导致土颗粒间的有效应力与上部附加荷载集度的递增速度不成比例，当路基高程达到设计标高时，下层土体的主固结沉降远远没有完成，造成路基变形不能按预定时间达到稳定标准，目前常用的办法是降低施工速度，拖延工期，由此可能造成整个标段工程的工期延误，因此也产生了采用轻型路基材料、对原有地基进行先处理等措施，但综合指标不甚理想。基于此种工程背景下研究开发了无砂硅小桩后处理高填方路基技术。 

　　高填方路基先处理技术是在高填方路基施工之前即对地基进行处理的施工技术，如:排水固结法、强夯法、碎石桩法、石灰桩法等。地基处理过程必须占用工程有效工期，此外高填方施工过程实际上就是复合地基的加荷过程，在高填方路基附加压力作用下，复合地基产生压缩变形，并在桩周土体中产生超静水压力，使复合地基土中的有效应力增长过程落后于上部荷载的施加速度，严重影响复合地基沉降稳定时间。而后处理技术是在路基填方达到一定高度后，再对地基进行处理的一种技术，是正在发展的一项新技术。后处理施工于高填方路基填筑到一定高度后，此时，原地基土在填方路基压力作用下产生压缩变形，同时产生超静水压力，影响地基的沉降变形和路基稳定性。从机理上分析，高填方软弱路基变形稳定性处理就是要迅速消散下部软弱土层中的超静水压力，提高土颗粒间的有效应力，完成土体主固结过程。 

　　1高填方路基后处理技术开发研究 

　　投石压浆无砂硅小桩技术克服了小桩技术的强配筋（处理造价较高、工期长）和压力注浆桩的注浆压力大（需大功率高压泥浆泵）、桩径大（不利于发挥桩间土承载力）等诸多缺点。具有技术先进，可靠性好，设备简单，施工操作方便，能实现小型机具配套施工，场地适应性强，而且无振动无噪音、不污染环境，能明显地缩短工期，造价低廉等优点。投石压浆无砂硅小桩实质上是小直径压力注浆桩，可适用于淤泥质土、粉质粘土、粘土、粉土、砂土、等各种土层，既能在水位以上干作业成孔，也可在有地下水的情况下成孔成桩，既能用于新建建筑物的软基处理，又能用于已有建筑物的地基加固，也能用于大型铁塔及设备基础的抗交替荷载地基及基础工程，以及地下式贮液池类建筑物的抗压抗浮基础。 

　　1.1 无砂硅小桩施工工艺 

　　投石压浆无砂硷小桩既可用于防渗处理工程，又可用于地基加固工程。对挡土防渗工程，防渗帷幕通常有单排桩、双排桩或三排桩型式。无砂硅小桩的施工过程为:深度位置，然后插入钢质注浆管根据设计的桩径，用工程钻机或人工成孔至预定（注浆管不拔出），随即向桩孔内投放一定级配的碎石至孔口，封孔后通过注浆管向孔内压力注浆。 

　　无砂硅小桩的施工过程为:深度位置，然后插入钢质注浆管根据设计的桩径，用工程钻机或人工成孔至预定（注浆管不拔出），随即向桩孔内投放一定级配的碎石至孔口，封孔后通过注浆管向孔内压力注浆。 

　　1.2 无砂硅小桩的压力注浆 

　　无砂硅小桩后处理高填方路基技术除了在成孔过程中能迅速消散土中超静水压力外，在压力注浆阶段对桩周土体的灌浆加固对提高土体的承载力和压缩模量也具有显著功效。在饱和土的渗透固结过程中，从土层孔隙中排出的水主要是自由水，而土层孔隙中的结合水因其具有一定的抗剪强度，所以很难继续排出。孔隙中的结合水对土层强度的提高和后期蠕变变形影响甚大，特别是对于高含水量、高液限的淤泥类软土，因孔隙中结合水含量较高，排水固结过程很难大幅度提高土层的强度。压力注浆过程弥补了排水固结的不足，在压力注浆的初期，浆液劈入土体，使土体孔隙水压力增加，进一步加快了孔隙水压力的消散和土体的固结过程，当浆液凝固后，浆液凝固体在土体孔隙中起到充填和骨架作用，能显著提高土体的承载力和压缩模量，大大减少了土体的后期蠕变变形。投石压浆无砂硅小桩施工通常采用分级升压法注浆。根据土体结构不同，原状土中孔隙分布特征亦有所不同，对有连续气相分布的土体，在第一步的渗入式灌浆阶段，水泥浆对桩周土体的灌注范围较大，浆液在土粒中的分布也较为均匀，在第二阶段的压密注浆时，水泥土进一步密实。对以主要由封闭孔隙构成的气相结构的土体中，渗透系数小，土体的水平或竖向渗透性较差，一般在渗入式灌注阶段，水泥浆液对桩周土体灌注难以进行，或灌注范围很小，只有在压密注浆阶段，水泥浆才有可能对桩周土体进行有效的灌入或侧向挤密，因此，注浆范围受到很大限制，常常要求灌浆压力较大，以及较厚的上覆土层。 

　　其灌浆的材料通常可用：水泥浆、粉煤灰水泥浆、超细水泥浆等。有压灌浆阶段的容许灌浆压力与原状土条件，以及桩孔深度、位置和灌浆次序等条件有关通常现场试验来确定灌浆压力。即通过逐步提高压力，绘制注浆量与注浆压力关系曲线，实际注浆时，可以试验所得容许压力的80%作为注浆压力。灌浆量为碎石桩中碎石的孔隙体积和桩周加固土层灌入孔隙体积之和。加固工程中，通常采用梅花形和方格形桩位布置。 

　　2无砂硷小桩后处理机理 

　　2.1 无砂硅小桩后处理机理分析 

　　对于软弱粘性土地基，当含水量逐渐增大渐趋饱和时，通常情况下其孔隙结构表现为气封闭形态。在总应力保持不变条件下，土体的压缩变形主要取决于超孔隙水压力的大小只在土体中孔隙水压力逐步消散，土颗粒有效应力逐步增大时，土体才发生固结，土体抗剪强度得到提高，相应发生压缩变形。高速公路路基宽度通常达到30-40m，采用大型机械化施工，高填方区一般在自然地面上铺设一层30-50m的厚碎石，然后分层铺土碾压。因此施工过程中下层软弱土层不具备良好排水条件，随着路基的逐层加高，下层软弱土层的顶部压力相应增大，但由于土体含水t较大，孔隙水压力提高的速度远大于土颗粒上有效应力增大的速度，这就使得高填方路基施工过程中，孔隙超静水压力随施工进度基本上呈线性增长趋势，而土颗粒的有效应力仍保持在较低应力水平上，软弱上层得不到压实，形成工后填土路基自重主要由下层软弱土层中的孔隙水承担，土体主固结速度缓慢，路基变形不稳定的不利受力状态。 

　　从机理方面看，高填方软弱路基变形稳定性处理就是要迅速消散下部软弱土层中的超静水压力，提高土颗粒间的有效应力，完成土体主固结过程。无砂硅小桩施工工艺分为:成孔-插管投石-封孔注浆。 

　　2.2 无砂硅小桩后处理机理 

　　通过对投石压浆无砂硅小桩后处理软基的机理分析可知，后处理技术具有堆载预压、快速排水、排气固结、固化、竖向置换增强等综合作用机理。在被加固场地先填土形成附加应力后用碎石桩置换，然后通过桩孔中的钢质注浆管，对碎石桩体及桩周土体进行低压力的渗入式灌浆，再进行二次压密注浆，使孔内水泥浆进一步密实，并使桩周土体受到压密灌浆处理，形成较高强度的无砂硅小桩竖向增强体。施工桩长有部分位于填土内，利用桩土间的摩擦力形成锚固段，可阻止地基土变形时桩向上的“喇入”和使后部分填土荷载通过该段桩侧摩阻力向桩身的转移，有效的调整和增加桩土应力比，减小填土荷载对老路基的影响；位于填土和原地基土间设置的碎石垫层压入水泥浆形成无砂硷，成为较刚性垫层（基础），同样起到调整和增加桩土应力比的作用，大大改善了“柔性基础条件”下复合地基工作性状。压力注浆也使桩周填上得到进一步密实，桩体与桩周填土间产生的较高侧阻力对后填土起到“减重”作用，降低了地基附加应力，有效调整地基沉降变形时应力向桩的集中。 

　　3无砂硷小桩复合地基的承载力分析 

　　复合地基的承载力计算方法很多，但大体可分为两种模式:①先分别确定桩体和桩间土的承载力，再按一定的原则进行叠加。这种方法的难点在于如何确定桩和桩间土的应力分担比例，即桩土应力比n，另外，还可能要确定两者中谁先达到极限状态；②把桩体和桩间土组成的复合土体作为整体来考虑，确定其整体承载力。这种方法需要确定复合土体的综合强度指标，如复合模量。 

　　投石压浆无砂硅小桩复合地基由于其特殊的施工工艺，其承载力大小除与工程地质条件有关外，还与灌浆材料、灌浆压力和灌浆量、灌浆工艺及置换率有关。对于道路工程来说，尤其是高填方路基，天然地基的承载力很难满足其对地基承载力的要求，必须对地基进行处理。采用投石压浆无砂硅小桩复合地基技术对高填方路基进行后处理，其设计参数通常是由施工工期和承载力条件决定的。因投石压浆无砂硅小桩复合地基技术是以疏桩理论为基础而开发的，所以，所确定的面积置换率一定要适当，当置换率过大时，不利于桩间土的承载力发挥，达不到经济安全的目的。 

　　4无砂硷小桩复合地基的竖向变形分析 

　　无砂硅小桩复合地基由于桩体的作用，对桩间土的侧向变形提供了较大的约束，所以桩间土的变形较接近一维压缩情况。在后期荷载作用下小桩复合地基的变形分析中，对于桩体应力和桩间土应力，分别取水平向分布的平均值进行分析。对于小桩后处理技术，由于路基填土施工之前一般在地面铺设300-500厚碎石垫层，小桩注浆后形成无砂硅刚性垫层，其与小桩桩体形成整体，两者之间相对变形为零。 

　　5无砂硷小桩复合地基基干变形的优化设计 

　　采用后处理法处理高填方路基，一般要在填方施工之前，在自然地面先铺300-500mm厚碎石垫层，在小桩注浆施工完成后形成一刚度相对较大的刚性垫层，能较好的协调桩上之间变形，保证荷载作用向桩体的集中。 

　　6结语 

　　该技术具有堆载预压、快速排水、固结、胶结、竖向增强等综合作用机理。其后处理方法与其它方法比较，具有排水固结快，所需沉降稳定时间短的优点。同时具有刚性桩复合地基的特点，有利于高填方路基的稳定。无砂硅小桩后处理高填方软基技术，当小桩打穿软基时，应属于承载力控制问题；当软基较深，小桩无法打穿软基时，沉降变形控制将成为主要问题。通过对桩及桩间土在后期荷载作用下的变形分析，解决了高填方路基基于变形控制的后处理优化设计问题。 

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