高速公路软土地基粉喷桩地基处治效果

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摘要:阐述了粉喷桩复合地基软基加固机理，结合工程实例分析粉喷桩加固效果。在软土地基施工现场建立试验段，制定粉喷桩复合地基处治方案，并选取有代表性的测点进行地基承载力试验，分析试验结果得出处治后地基承载力达到了设计要求。

关键词:高速公路；软土地基；粉喷桩复合地基；地基承载力

粉喷桩复合地基是通过在地基内部施作粉喷桩，提高天然地基的承载力，加固区域由原地基土(或改良后的地基土)和粉喷桩组成的人工地基。结合准确的地质调查，制定科学合理的设计方案，进行粉喷桩加固后可提高地基承载力，有效控制沉降。美国是世界上最早进行水泥粉喷桩技术研究的国家，20世纪60年代，日本为了解决矿石堆料场软土地基沉降变形的问题，引入了粉喷桩技术。粉喷桩技术在日本软基处理中得到了广泛的应用，其技术水平也领先于世界绝大多数国家。粉喷桩技术所使用的固化材料和作用机理差异不大，为了满足施工需要，各国相继开展施工搅拌机械的研究，并取得了大量成果。我国对粉喷桩技术的研究起步较晚，20世纪70年代我国才开始进行室内试验研究，并在现场试验研究中开始研发搅拌机械。20世纪80年代，我国第一台粉喷桩搅拌机下线，并被应用在上海一软基加固工程中，取得了较好的效果。虽然我国粉喷桩技术起步较晚，但经过几十年的发展，我国粉喷桩搅拌机械取得了很多研究成果，最多已达一机六头，可适用于各类软土地基的施工。粉喷桩以其技术优势在软土地基加固中得到了广泛的应用，但也会受到施工人员技术水平、施工地质等因素的影响，必须在施工中做好质量检测，对地基承载力进行检测，分析确定加固效果。

1粉喷桩复合地基加固机理

粉喷桩是使用专用的机械设备将固化剂与地基土体充分拌和，通过一系列的物理化学作用形成稳定的桩体，形成力学强度明显高于周围土体的桩体。粉喷桩常用的固化剂有水泥粉和石灰粉，是在钻孔过程中喷入土体内部，通过钻杆叶片与地基土体搅拌。但由于桩体内部固化剂分布并不均匀，这就导致桩体内部的强度是不均匀的。桩身截面中心处强度最小，向外强度不断增大。粉喷桩桩体在荷载作用下，桩体应力自上而下逐步下降，最大轴力范围分布在桩顶以下1m～2m范围内。粉喷桩复合地基主要依靠粉喷桩承受荷载，桩周土体所承受的荷载较小。粉喷桩复合地基是通过桩身与桩周土体共同承受地基上部荷载，其加固原理可从以下几个方面进行总结:1)桩体效应。粉喷桩桩体强度和弹性模量远高于周围土体，在地基承受荷载时，桩顶会承受更大的荷载。作用在地基上部的大部分荷载由桩体承受，并进一步传递到深层土体中。在粉喷桩的加固作用下，地基的沉降明显减小，承载能力提高，产生桩体效应。2)吸收水分。水泥粉喷桩在施工过程中，水泥粉会吸收水分，水泥水化反应过程中也会消耗一定数量的水，加速桩周土体排水固结，进而达到提高桩周土体强度的作用。3)限制土体侧向位移。未经处治的软土地基，由于土体没有限制，在外部荷载作用下容易产生侧向位移。粉喷桩施作后，形成群桩复合地基，在桩体的限制作用下，桩周土体的侧向位移受到约束，侧向位移减小，也减少了地基沉降变形。4)垫层作用。垫层在粉喷桩复合地基中起到了关键的作用，不仅可以协调变形，还可以减少基础底部的应力集中。当荷载作用在基础上部时，垫层可以协调地基变形，使桩体向上和向下刺入，而当沉降达到一定值时，桩体与土体才会共同承受荷载。由于桩体的压缩模量远高于复合地基的压缩模量，在地基承受荷载作用时，垫层可以调整地基上部的应力。如果垫层厚度较小，桩顶应力远高于桩周土体的应力，容易在桩顶产生应力集中现象。如果垫层厚度适中，可有效分散基础底部的应力，防止产生应力集中。

2软土地基水泥粉喷桩处治设计方案

2．1依托工程项目概况

山西省某高速公路路基分布有软土地基，土质主要为软塑亚黏土。该区域地下水位较高，软土地基天然承载力低，在外部动荷载作用下容易产生砂土液化，必须进行加固处理后方可进行路基填筑施工。软土层深度为5m～13m，分布不均匀。该施工区域设计采用高填方路堤，最大填方高度为11m，为了提高地基承载力，设计采用粉喷桩对地基进行加固处理。

2．2水泥粉喷桩设计方案

本项目水泥粉喷桩设计桩径0．5m，采用正梅花形布置，桩间距1．5m，设计桩长根据软土地层厚度确定。水泥粉喷桩从件90d无侧限抗压强度为2．0MPa。水泥粉喷桩设计图如图1所示。

3粉喷桩复合地基加固效果分析

3．1单桩竖向抗压静载试验

为了检测水泥粉喷桩对软土地基的加固效果，选取有代表性的桩体开展单桩竖向抗压静载试验，选取测点开展单桩复合地基载荷试验。选定施工路段300m长度为试验段，分别选取18根桩进行单桩竖向抗压静载试验，单桩最大试验荷载260kN。选取部分单桩竖向抗压静载试验检测结果进行分析，检测结果如表1所示。文章选取285号、386号和482号三根桩为研究对象，绘制单桩荷载P—沉降S曲线如图2所示。结合表1数据和图2曲线变化情况可知，各测桩单桩竖向抗压极限承载力均为130kN，满足设计要求。各测桩单桩荷载P—沉降S曲线变化平缓，没有出现明显的拐点。

3．2单桩复合地基载荷试验

选取18处有代表性的地基开展单桩复合地基载荷试验，每处最大试验荷载240kPa，试验检测结果如表2所示。文章选取294号、363号和452号三处单桩复合地基，统计检测结果绘制荷载P—沉降S曲线如图3所示。结合表2数据和图3曲线变化情况可知，所选各测点粉喷桩单桩复合地基承载力特征值均为120kPa，满足设计要求。粉喷桩复合地基荷载P—沉降S曲线变化较平缓，也没有出现明显的拐点。

4结论

结合工程案例，对软土地基水泥粉喷桩加固原理、方案设计进行阐述，并选取有代表性的单桩和单桩复合地基进行地基承载力试验，分析试验结果得出以下结论:1)对水泥粉喷桩软土地基加固机理进行阐述，并结合工程实例给出了完整的加固设计方案;2)分析加固后软基地基承载力检测结果，单桩地基承载力均达到了130kN，单桩复合地基复合地基承载力特征值均为120kPa，满足设计要求，说明达到了预期目的。

参考文献:

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作者：苗洺源 单位：山西路桥建设集团有限公司