水泥粉煤灰搅拌桩复合黄土地基的沉降性监测与研究

李艳玲，林楠，王峥，刘园，王军龙

摘 要：对复合黄土地基工程进行解读，针对使用水泥粉煤灰搅拌桩进行加固处理的高速公路复合黄土地基，选用投放沉降量杯方式对该路段开展长期勘测工作。最终对勘测数据研究分析，总结水泥粉煤灰搅拌桩复合黄土地基沉降数值、沉降速度随荷载及时间的变化规律。与实际施工现场中复合地基数值结合，对复合地基沉降数值完成理论推算及建立数值模型。

关键词：复合黄土;水泥粉煤灰搅拌桩;沉降监测;沉降量研究;公路建设

中图分类号：U213 文献标识码：A     文章编号：1001-5922（2021）11-0110-04

Monitoring and Research on Settling Property of Cement Fly Ash Mixed Pile Composite Loess Foundation

Li Yanling， Lin Nan， Wang Zheng， LiuYuan， Wang Junlong

（Xi an Railway Vocational & Technical Institute， Xi an 710600， China）

Abstract：This paper interprets the composite loess foundation project. For the highway concrete composite loess foundation using the concrete fly ash mixing pile， the long-term survey of this section is conducted by the way of placing the settlement cup. Finally， the survey data were studied and analyzed， and the change rules of the settlement value and settlement speed of the concrete fly ash mixing pile with load and time are summarized. Combined with the value of the composite foundation in the actual construction site， the theoretical calculation and numerical model of the composite foundation settlement value are completed.

Key words：compound loess; cement fly ash mixing pile; settlement monitoring; settlement research; highway construction

0 引言

中國西北地区存在一种极具特殊性的复合黄土，其饱和度平均高于85%、土壤孔隙比例大于0.9。基于复合黄土具备含水量高、耐剪度低、承受能力差、沉降不均衡等工程性能劣势，容易导致复合黄土地区路基崩裂、滑沉，最终会出现路面塌陷、坑洼、路面不平等不良现象。这会对高速公路运行水平及功能使用产生恶劣影响，从而增加公路维修保养费用。所以，有效控制与精准预判复合地基沉降量是目前解决复合黄土地基问题核心技术。

复合黄土在高速公路工程建设中，应对其进行实地调查、反复实验比例试验、现场测试及校验实验效果，最终确定在复合黄土基地处理中使用水泥粉煤灰搅拌桩。本文对复合黄土经过水泥粉煤灰搅拌桩混合后的地基进行勘测、数据模拟以及理论推算，并将实验结果进行比较与剖析，最终提出适用于复合黄土地基沉降理论依据及沉降预判方法。

1 复合黄土地基工程概述

选取某公路段沿线养分含量较高的复合黄土以及低洼地段近30 km，依据施工工程地质资料及施工现场真实状况，首选K20+550～K20+720复合黄土路段作为试验路段[1];其次选择多处具有代表性的施工沉降监测复合地基;最后在选取的试验路段中进行粉煤灰水泥搅拌桩复合地基处理。试验路段所处位置为东部平原，其地势开阔平整、水网交织、分布着软塑与流塑状态的过湿土壤，底层埋藏深度约11 m。表1为试验部分土壤的物理及机械性能。

在该试验路段中，选用桩直径为60 cm的煤灰水泥粉搅拌桩完成复合地基加工，并根据两个灰分掺合比15.5%、调配水泥与粉煤灰质量比为2∶1;桩长固定为12.0 m;设定两桩距离为200 cm，由此桩体会以正三角形样式排列[2]。

2 水泥粉煤灰搅拌桩复合黄土地基沉降监测

评复合地基处理效果首要标准即地基沉降量。复合地基在经过持久勘测后，不仅能够依靠观察地基在施工过程中沉降幅度进而调节路基填土速度，合理把控工程质量;还能够通过持久监督测量相关数据分析沉降速度与地基沉降量之间关系，准确预测复合黄土地基沉降量。

2.1 投放沉降监测设备

选用K20+550和K20+580两个断面视为平行测量断面，其在地基解决方案、地质条件、路堤填筑高度等都具备独特代表性。在试验断面中设置并投放地基沉降量杯用于监控地基沉降量，K20+550断面沉降杯投放位置如图1所示。

由图1可知，在确定沉降杯投放位置时，首先在该区域开沟挖槽，其深度约为350 mm，宽度不宜过宽，在沟槽底部中间位置到路肩位置横向形成约0.6%的坡度，最后检查沉降量杯气密性处于良好状态便可以将其投放使用[3]。最大程度避免进水管发生无液位或液位过高现象，应依据沉降量杯投放位置准确选择观察井位置。观察井位置周围地基应做到稳定牢固，防治出现过度沉降现象导致测量误差增加。

2.2 探究沉降勘测结果

地基沉降勘测内容包含两方面：①工程施工过程中进行动态勘测;②工程施工结束地基沉降量测量。该试验路段的沉降量测量时间由两部分组成：即路基填筑施工时间与路基填筑后稳定周期，总监视测量周期为120 d。

2.2.1 复合黄土地基沉降率

沿同一路段中线路基对称监测点的沉降数值及沉降率存在较大相似特征。路基填土总共持续23 d，在经过每次填土后，其地面高度会随之增加从而导致地基沉降数值发生变化。在停止施工期间地基沉降数值较为平稳，在对地基进行填充工作中，地基沉降数值以阶梯状不断发生改变，其总沉降数值在逐渐增加，约占勘测期内总沉降数值的四分之三。在现场勘测过程中，复合黄土地基的沉降率产生较大变化;基于上部荷载增加，沉降率随着复合黄土地基压缩量的增加而逐渐降低[4-5]。直到现场勘测开始后第120 d，少数监测点的一周沉降变化缩小到0.3 mm，沉降速度逐渐平稳，复合黄土地基的初始沉降数值满足公路地基沉降标准。但是，由于复合黄土地基具有特殊属性，固结沉降对整个地基沉降数值会产生较大影响，因此有必要对其开展长期沉降勘测工作。

2.2.2 复合黄土地基沉降规律

除对各个勘测点单点沉降量分析外，还应分析横截面沉降变化规律。K20+550试验路段勘测各路基点沿路基断面分布如图2所示。由图2中可知，位于公路基横截面行车道的复合地基沉降量有明显变化，公路两侧路肩复合地基沉降量变化较小，边坡脚底略出现凸起现象。公路地基填筑后的车道对应上部静荷载与动荷载基础位置较大，复合地基沉降量变化规律解析中不仅要探究单点沉降量，还应对道路横断面沉降变化进行探究。

复合地基在相同施工技术与垂直钢筋置换率相同的条件下，上部荷载量对复合地基沉降量具有支配作用。因此，可以深入改进完善地基设计处理方案，并可以适当增加路肩部位搅拌桩距离。这不仅降低处理地基成本，又能够降低路边坡与中线之间的沉降差异，进而避免由沉降差异引发的危害。由图2可知：最大地基沉降量为54.5 mm;右侧车道出现最小沉降量为-9.7 mm;左坡脚位置对应行车道位置的地基沉降量在30～54.5 mm，其沉降速度较为均匀，整体能够达到公路地基沉降标准[6]。

路基在相应地基上部的荷载作用下，容易发生侧向变形现象从而对附近土壤产生侧向压缩作用，由于地基坡脚位置上部无牵制力作用，导致土壤中应力扩散发生凸起，一定程度内凸起现象对公路地基使用不会造成严重影响。由图2中能够看出，右侧坡脚凸起量低于左侧。原因在于道路右侧护坡地基已经通过水泥和粉煤灰搅拌桩加工处理;由于施工条件限制，左护坡依旧是天然复合黄土材质[7]。尤其在边坡的位置周围，左侧公路地基通过地表水浸泡，地基压缩模量变小，在横向力推动下凸起高度偏大，以上现象充分说明粉煤灰水泥搅拌桩对复合黄土地基的处理具有良好效果。经过搅拌桩处理后的复合地基其承载力一定程度上得到提升，由于复合地基变形影响较小，能够在地基上部荷载分布不均衡造成沉降不均匀这一现象得到有效防控。

3 水泥粉煤灰搅拌桩复合黄土地基沉降性研究

3.1 数据理论推算

复合地基沉降量是地基沉降量（F 1）及桩尖下方底层压缩变形量（F 2）之和，复合地基沉降示意图如图3所示。在图3中，H表示复合地基加固区的厚度;Z表示载荷基础上地基可压缩层的厚度;加固区下层厚度表示为“Z-H ”。荷载基础上复合地基总沉降量F为

F = F1+F2

下层的压缩体积F2通常通过逐层求和法、等效实质法或应力扩散法来计算;对于不同复合地基，通过一种或多种计算方式计算加固区内土层F 1可压缩量[8]。

目前在加固区域沉降变形理论推算方式中包括复合模量法、应力扩散法及桩压法。根据选取的公路路段复合黄土路基的工程形态和粉煤灰水泥搅拌的施工技术指数，在理论基础中推算实际工程复合地基沉降量。理论计算结果如表2所示。

由表2可知，煤灰水泥粉混合桩复合地基的计算值接近实测值，其计算过程较为简便;采用应力扩散法计算的复合地基沉降中未对桩土变形现象进行考虑，在实际工程计算中所参考桩土应力比变化较大，因此导致最终数值偏大[9];由于桩底渗入下层时桩土应力比与沉降变形具有不稳定性，桩压法实际计算过程难以操作，进而导致计算结果相对偏小。

3.2 建立模拟数值模型

在项目试验路段地基处理基础上，构建模拟数值模型、模拟推算经过粉煤灰搅拌桩处理后的复合黄土地基沉降数值，结果如表3所示。

在对数值进行模拟计算中，通过假设上部荷载时间不充足，沉降量在探究沉降过程中包含瞬时沉降与固结沉降。通过对施工场地测试、模拟数值及理论推算3种方式可以得出：由于影响地基沉降要素差异，最终数值结果也会存在相应差异。在数值模拟中探究地基压缩模量、土重承重、抗剪强度、泊松比等相关因素，从而怠忽实际工程中复合黄土地基沉降的二次固结影响，结果表明沉降监测值较小[10]。

在实际理论推算中，忽视土壤中耐剪指数与地基横向变形等因素影响。多数计算因素存在不稳定性，因此，在理论推算中实际操作存在较大困难，并且计算结果在一定范围内受以上因素影响，导致其不具备较高参考性。由于复合黄土具有特殊属性，二次固结沉降在地基沉降中存在不可小觑的作用。在推测复合黄土地基沉降数值中，可以将施工现场真实勘测结果与参考数值结合分析，从而对地基处理进行准确、客观评判。

4 结语

采用沉降量杯用于施工勘测复合地基沉降量。勘测结果显示：地基沉降沿道路中间线对称排列，其沉降量为54.5 mm;右侧车道出现最小沉降量为-9.7 mm;左坡脚位置对应行车道位置的地基沉降量在30～54.5 mm，其沉降速度较为均匀，整体能够达到公路地基沉降标准。

在对数值进行模拟计算中，通过假设上部荷载时间不充足，沉降量在探究沉降过程中包含瞬时沉降与固结沉降，从而怠忽实际工程中复合黄土地基沉降的二次固结影响，因此分析结果表明沉降监测值较小。基于上述推测复合黄土地基沉降量方式，施工场地实际监测与模拟数值具有一定参考价值，在预测复合黄土地基沉降量中，可以依据施工场地监测数据构建模型，用其对复合地基沉降进行模拟测试。旨在能够准确预测及推断复合黄土地基沉降量。

参考文献

[1]曹支才，王光辉. 不同因素对水泥搅拌桩强度影响的试验研究[J]. 中外公路，2020，40（03）：283-287.

[2]張银生，王光辉. 不同因素影响水泥搅拌桩强度的试验探究[J]. 筑路机械与施工机械化，2020，37（Z1）：32-36.

[3]刘新琳. 粉煤灰在公路路基施工中的应用[J]. 交通世界，2019 （31）：64-65.

[4]王 嵛，黄耀英，方国宝，等. 洞庭湖区掺粉煤灰水泥土性能试验研究[J]. 水资源与水工程学报，2019，30（04）：210-216.

[5]董张博，王 品. 石灰和粉煤灰改良后粉质粘土高填方路堤的稳定性研究[J]. 粉煤灰综合利用，2019（01）：53-56.

[6]叶彩娟. 水泥掺量对搅拌桩复合地基沉降的影响分析[J]. 铁道建筑，2018，58（12）：96-99.

[7]宋 彧，罗小博. 超厚湿陷黄土区SHR-SRC结构施工过程沉降监测与分析[J]. 湖南大学学报（自然科学版），2020，47（03）：54-62.

[8]王晓光.公路路堤下长短桩复合地基沉降数值模拟研究[J]. 内蒙古公路与运输，2020（06）：13-16.

[9]母冰洁，王康宏. 土壤固化剂对湿陷性黄土物理特性的影响[J].贵州农业科学，2020，48（08）：44-47.

[10]桑松魁，白晓宇，高 强，等. 风化岩地基CFG桩复合地基承载特性现场试验[J].湖南科技大学学报（自然科学版），2019， 34（03）：33-38.