砾石桩法处理高速公路盐渍化软土地基的应用研究

向 玮，秦 毅

(1.哈尔滨工业大学深圳研究生院，广东深圳 518000;2.深圳市政府投资项目评审中心，广东深圳 518000;3.新疆交通规划勘察设计研究院，新疆乌鲁木齐 830006)

1 概述

盐渍土对高速公路工程造成盐胀、溶陷、翻浆、腐蚀、沉降等诸多病害［1～3］，将严重影响高速公路的正常使用，因此必须对盐渍化地基进行处理和加固［4，5］。砾石桩法是利用振动、冲击的方式在软弱地基中成孔后，再将砂、砾石等散粒材料挤压入土孔中形成大直径密实桩体，与桩周土体共同形成复合地基。砾石桩复合地基加快了地基土排水固结，且抗腐蚀性强，排水通道不会被结晶盐堵塞，将有效提高地基承载力和控制地基沉降。

一般采用砂、砾石等硬质散体材料作为砾石桩加固材料，粒径不大于50 mm，填料中含泥量应小于10%，已风化石料不可作为填料。砾石桩法施工机械一般由打桩机架、振动沉桩锤、灌料管以及辅助设备等部分组成，大面积施工时施工机械参数应根据现场试桩后确定。砾石桩法采用振动沉管施工工艺，大面积施工应先进行试桩，其目的是为了寻求最佳的提升速度、反插次数、留振时间、投料量和充盈率。试桩应不少于5根，成桩15 d后进行质量检测，合格后方可大规模施工。大面积施工工序一般为:①清除地表土，铺设厚度不小于30 cm的砂砾层;②施工吊机进入施工场地，振孔器就桩位;③振孔器挤土成孔;④提起振孔器倒入填料砾石，同时进行振捣;⑤提起振孔器，同时倒入砾石;⑥再次进行振捣;⑦制桩至孔口，移位至下一打桩点位。

振动沉管砾石桩法对地质条件限制少，特别对于新疆地区石料丰富，可就地取材，造价较低，非常适合处理盐渍化软弱土地基。

2 工程概况及场地条件

2.1 工程概况

本文以新疆某高速公路砾石桩地基处理工程为依托，路线所处区域属公路自然区划为Ⅵ2区，双向四车道，填方边坡坡率为1∶1.5。路基处理要求对中、强、过盐渍化软弱土地基处治后，使路堤稳定安全系数大于1.0，要求路基工后沉降不大于0.3 m。砾石桩法试验段(K382+400～K382+700)处理深度5～7 m，路堤平均填高为2 m，桩径D=0.5 m，桩长L=5～7 m，间距S=2.0 m，呈正三角形布置。见图1、图 2。

2.2 场地条件

试验段土体主要是河流冲积相和湖泊相，以低液限的粘土和粉土为主，土层分布可分为7层，由上至下分别是:硬塑状粘土、硬塑状粉土、软塑状粘土、软塑状粉土、流塑状粘土、流塑状粉土和细粉砂。经过室内土体物理力学性质试验发现，土体天然含水量最大值达到42%，超过液限含水量39%;土体孔隙比最大值为1.1;压缩系数最大值为0.5，由此可见，试验段土体为中～高压缩性软弱土。根据土体含盐量测试发现，地表处土体含盐量达到10%，土中(Cl－/SO42－)平均值为0.6～0.8，试验段土体为过－强硫酸盐渍土。可见，试验段土体同时具有软土和盐渍土的工程性质，必须进行工程措施处理。

图1 砾石桩平面布置示意图

图2 高速公路砾石桩复合地基布置示意图

3 砾石桩处理盐渍化软基效果分析

3.1 单桩复合地基载荷试验

砾石桩单桩复合地基载荷试验共进行4组，采用面积0.50 m2的圆形钢板作为承压板，参照《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79－2012)［6］采用慢速维持加载法进行试验，共分5级进行加载。复合地基载荷试验最大加载要求达到设计荷载即可，未进行卸载试验。

图3是砾石桩单桩复合地基载荷试验q－s曲线。可见，随着荷载的增加，沉降量基本呈线性增大，由于本次试验并未加载至破坏，最大加载值要求达到设计荷载即可，因此q－s曲线未出现明显拐点，加载过程中承压板沉降量并未出现急剧增大，桩周土也未发现明显挤出或隆起，可以判断此阶段仍处于弹性变形阶段。根据载荷试验的结果，推断4组试桩复合地基承载力特征值分别为200、300、300和300 kPa，砾石桩复合地基承载力是满足设计要求的。

图3 砾石桩复合地基载荷试验q－s曲线

3.2 填筑期地表沉降测试

图4是砾石桩复合地基路中沉降量－时间关系曲线。可见，路中沉降量随着填土高度的增加不断增大，填土前期由于填土加载速率快使得沉降速率较大，路中沉降量增长较快;填土后期沉降速率逐渐变缓。截至填土2个月后，此时路堤已达到设计高度2 m，砾石桩法试验段路中最大沉降量达到26 mm。由双曲线法推求该断面路基最终沉降量为38 mm，由此计算路基工后沉降为12 mm，满足交通部《公路路基设计规范》(JTG D30－2004)［7］的相关要求。

图4 砾石桩处理断面路中沉降量－时间曲线

3.3 分层沉降测试

图5是填筑过程中砾石桩处理断面的分层沉降曲线。可见，填土前期由于填土速率较快导致沉降量增长速率较快;填土后期，沉降增长速率逐渐变慢，沉降量则略有增长。沉降主要发生在浅层范围内(0～3 m)，地表沉降达到近30 mm。

3.4 路基横断面沉降

图6、图7分别是砾石桩复合地基桩顶沉降曲线和桩间土沉降曲线。可见，路堤下砾石桩复合地基中桩间土沉降均大于砾石桩顶沉降，桩土差异沉降最大值近5 mm，约占地表总沉降量的15%左右。由此可见，路堤荷载下桩体复合地基中桩体与桩间土之间存在相对位移，地表处桩间土沉降量一般大于桩体沉降，并不满足等应变条件。

图5 砾石桩处理断面分层沉降曲线

图6 砾石桩复合地基桩顶沉降曲线

图7 砾石桩复合地基桩间土沉降曲线

3.5 路堤下土体水平位移测试

图8、图9是砾石桩处理试验段路堤左、右两侧坡脚各深度水平变形随固结时间的变化。可见看出:

1)水平变形沿深度的变化:地基内土体的水平变形方向均朝向路堤外侧，并随深度基本上呈现出“弓”形分布，水平变形最大值出现在软塑状～流塑状粘土和软塑状～流塑状粉土层。

2)水平变形随固结时间的变化:水平变形随着填土高度的增加不断增大，待填土完成后则随固结时间缓慢增长，截至填土完成为止，最大水平变形达到了12 mm，其位置发生在地表以下1 m深度。

图8 砾石桩处理断面水平变形(左侧)－深度曲线

图9 砾石桩处理断面水平变形(右侧)－深度曲线

3.6 填筑过程中土压力测试

图10是路堤下砾石桩试验段地表土压力与固结时间的关系曲线。可见，地表土压力随着填土高度的增加不断增大;达到填土设计高度后，土压力变化很小，地表土压力最大值达到了48 kPa。

图10 砾石桩处理断面土压力－时间曲线

3.7 孔隙水压力测试

图11是路堤荷载下砾石桩试验段土体超孔隙水压力和固结时间的关系曲线。可见，填筑过程中填土荷载在地基土体中将产生附加应力，其中土中孔隙水将承担一部分附加应力，且填土高度越高，施加地基总附加应力相对越大，由此引起地基内部的超孔隙水压力也越大。填土静置期和填土完成后，地基孔隙水逐渐排出，超孔隙水压力随固结时间消散，转换为地基土体有效附加应力，复合地基承载力逐渐增大。由图中可见，砾石桩段超静孔压峰值近20 kPa，到填土完成时(填筑期63 d时)地基内部超静孔压已经消散近50%。

图11 砾石桩处理断面超静孔压－时间曲线

4 结论

1)结合砾石桩在本试验段的工程实践，总结了砾石桩处理深厚盐渍化软基的施工机械和施工工艺。

2)盐渍化软土地区经过砾石桩处理后形成的复合地基，现场试验结果证明:砾石桩复合地基承载力得到显著提高，并有效控制了路基沉降，加速了孔隙水压力消散，达到设计标准。

［1］高福聚，俞然刚.盐渍土地区墙体和饰面侵蚀的防治措施［J］.工业建筑，2000，30(1):38 －41.

［2］洪乃丰.盐渍土对建筑物的腐蚀与防护［J］.工业建筑，1998，28(1):5－7.

［3］李 芳，高江平，陈 建.盐渍土盐胀对低层建筑的危害与防治［J］. 土木工程学报，199，32(5):46 －50.

［4］王小生，章洪庆，薛 明，等.盐渍土地区道路病害与防治［J］.同济大学学报，2003，31(10):1178 －1182.

［5］李 芳，黄淑琴.盐渍土地基处理的几种方法［J］.建筑技术，1998，29(3):194 －195.

［6］GB50007－2012，建筑地基基础设计规范［S］.

［7］JTG D30－2004，公路路基设计规范［S］.