變截面攪拌樁加固高速公路成層軟弱地基研究

1、變截面攪拌樁加固高速公路成層軟弱地基研究 1立項(xiàng)背景國內(nèi)外工程實(shí)踐表明水泥土攪拌樁具有施工方便、處理效果較好、適用性廣、造價(jià)適中等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外鐵路、公路、市政工程、港口碼頭、工業(yè)與民用建筑等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。樁體置換率是攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，一般被加固土體性質(zhì)較差時(shí)取大值，土體性質(zhì)較好時(shí)取小值。目前，工程應(yīng)用的攪拌樁大多為等截面攪拌樁，即加固區(qū)內(nèi)不同深度的樁體置換率也是相同的。但工程中遇到的軟弱地基地基往往具有成層性，由于歷史沉積原因，在很多地方（如江蘇徐州地區(qū)）存在軟土層處于中間的成層軟弱地基，這種成層軟弱地基的上部和下部為中等壓縮性土層，中間為高壓縮性的軟土層。對(duì)于這類成層軟弱

2、地基，采用傳統(tǒng)的等截面攪拌樁參照軟弱土層的平均性質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，往往導(dǎo)致中間軟土層的樁體置換率過小，而其他土層的樁體置換率過高，既造成了工程浪費(fèi)，又導(dǎo)致處理效果較差。為了解決該問題，本課題基于地基豎向剛度優(yōu)化理論，在國內(nèi)外首次提出了變截面攪拌樁優(yōu)化處理成層軟弱地基的方法，通過調(diào)整不同土層的攪拌樁置換率來實(shí)現(xiàn)成層復(fù)合地基承載力、沉降性能的優(yōu)化，減小地基處理工程的建設(shè)成本和施工時(shí)間。故課題組依托濟(jì)（寧）徐（州）高速公路（江蘇段）的工程建設(shè)，對(duì)該方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。2詳細(xì)技術(shù)內(nèi)容總體思路：基于地基豎向剛度優(yōu)化理論，提出了變截面攪拌樁優(yōu)化處理成層軟弱地基的方法，基本原理是通過調(diào)整不同土層的攪拌樁置換率來

3、實(shí)現(xiàn)成層復(fù)合地基承載力、沉降性能的優(yōu)化，以減小地基處理工程的建設(shè)成本和施工時(shí)間。變截面攪拌樁優(yōu)化處理成層軟弱地基的示意圖見圖1所示，本項(xiàng)目以濟(jì)（寧）徐（州）高速公路（江蘇?。┙ㄔO(shè)工程為依托，以圖1（c）的變截面攪拌樁復(fù)合地基為主要研究對(duì)象（圖1a、b是c的特殊形式），通過室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、三維數(shù)值模擬和理論分析來驗(yàn)證這種優(yōu)化處理方法的有效性，分析這類新型成層復(fù)合地基的承載、變形和固結(jié)性狀，揭示變截面攪拌樁加固成層軟弱地基的力學(xué)機(jī)理，并提出變截面攪拌樁復(fù)合地基的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論。 (a)擴(kuò)底攪拌樁加固雙層軟弱地基 (b)釘形攪拌樁加固雙層軟弱地基 (c)中字形攪拌樁加固三層軟弱地基圖1 變截面

4、攪拌樁加固成層軟弱地基示意圖(a)擴(kuò)底攪拌樁加固雙層軟弱地基 (b)釘形攪拌樁加固雙層軟弱地基 (c)中字形攪拌樁加固三層軟弱地基圖1 變截面攪拌樁加固成層軟弱地基示意圖技術(shù)方案：1）通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，初步檢驗(yàn)變截面攪拌樁加固成層軟弱地基的有效性。2）通過試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)一步對(duì)比、檢驗(yàn)變截面攪拌樁加固成層軟弱地基的有效性，同時(shí)研究變截面雙向水泥土攪拌樁施工工藝、質(zhì)量控制與檢測(cè)技術(shù)。3）通過三維數(shù)值模擬，研究變截面攪拌樁加固成層軟弱地基的力學(xué)機(jī)理，及其承載、變形和固結(jié)性狀。4）通過理論推導(dǎo)，提出變截面攪拌樁復(fù)合地基的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論。3主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)1）在國內(nèi)外首次提出了變截面攪拌樁優(yōu)化處理成層軟

5、弱地基的方法，通過調(diào)整不同土層的攪拌樁置換率對(duì)成層地基進(jìn)行豎向剛度優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)復(fù)合地基承載力、沉降性能的優(yōu)化目的，減小地基處理工程的建設(shè)成本和施工時(shí)間。2）通過室內(nèi)模型試驗(yàn)證明了相同等效面積置換率的變截面攪拌樁能有效減小軟土層的樁間土附加應(yīng)力、加快復(fù)合地基固結(jié)速率，減小復(fù)合地基總沉降和工后沉降，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段工程驗(yàn)證了變截面攪拌樁優(yōu)化處理成層軟弱地基的有效性和經(jīng)濟(jì)性。3）在變截面攪拌樁單樁破壞模式的基礎(chǔ)上，提出了變截面攪拌樁單樁承載力計(jì)算方法。4）在變截面攪拌樁復(fù)合地基破壞模式的基礎(chǔ)上，提出了變截面攪拌樁復(fù)合地基承載力計(jì)算方法和基于承載力設(shè)計(jì)的變截面攪拌樁復(fù)合地基優(yōu)化方法。5）在一定理論簡(jiǎn)化的

6、基礎(chǔ)上，提出了變截面攪拌樁復(fù)合地基沉降計(jì)算方法、固結(jié)計(jì)算方法和基于沉降設(shè)計(jì)的變截面攪拌樁復(fù)合地基優(yōu)化方法。6）提出了成層軟弱地基中變截面攪拌樁施工設(shè)備、施工和質(zhì)量檢測(cè)等成套技術(shù)。 4與當(dāng)前國內(nèi)外同類技術(shù)主要參數(shù)、效益、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的比較教育部科技查新工作站的查新報(bào)告表明：提出基于豎向剛度優(yōu)化的變截面攪拌樁優(yōu)化處理成層軟弱地基的方法方面，除查新課題研究者的文獻(xiàn)，國內(nèi)外未見其它公開的文獻(xiàn)報(bào)道。即本技術(shù)屬于國內(nèi)外首創(chuàng)的新技術(shù)。由于，國內(nèi)外未見專門針對(duì)成層軟弱地基的優(yōu)化處理的攪拌樁技術(shù)，本技術(shù)在成層軟弱地基處理領(lǐng)域具有獨(dú)特的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。5應(yīng)用情況在成層軟弱地基處理工程中應(yīng)用本技術(shù)可以顯著地減少地基處理工

7、程的施工時(shí)間和工程造價(jià)。目前，我國公路、鐵路、港口碼頭、機(jī)場(chǎng)、工業(yè)與民用建筑等基礎(chǔ)工程建設(shè)領(lǐng)域正在大量采用水泥土攪拌樁進(jìn)行軟土地基處理，而工程建設(shè)中經(jīng)常遇到成層軟弱地基，故本技術(shù)具有廣闊的推廣應(yīng)用前景，推廣應(yīng)用后將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本技術(shù)首先在濟(jì)（寧）徐（州）高速公路（江蘇段）進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段研究，隨后福建省晉江機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程成功推廣應(yīng)用了本技術(shù)，為該軍民兩用機(jī)場(chǎng)的建設(shè)節(jié)省了25%的工程造價(jià)（200余萬），2/3的施工時(shí)間（約4個(gè)月）。6經(jīng)濟(jì)效益2009年，濟(jì)徐高速公路試驗(yàn)段C、D區(qū)比對(duì)比段A、B區(qū)節(jié)約了近28萬元工程造價(jià)。其中，常規(guī)攪拌樁單樁價(jià)格為351元/根，單樁變截面雙向攪拌樁的造價(jià)為652元/根，各處理區(qū)的樁數(shù)見上一節(jié)表1所示，根據(jù)樁數(shù)和單樁價(jià)格可以計(jì)算得到各試驗(yàn)區(qū)的地基處理總造價(jià)。2010年，福建省晉江機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程，停機(jī)坪地基處理面積為48096m2。原計(jì)劃采用真空高壓擊密法，單價(jià)為200元/m2，后改為變截面攪拌樁，單價(jià)為153元/m2，節(jié)省工程造價(jià)226萬。7.社會(huì)效益（1）首次提出了變截面攪拌樁優(yōu)化處理成層軟弱地基的方法和相應(yīng)的施工工藝、質(zhì)量檢測(cè)及其控制方法，提高了我國的攪拌樁技術(shù)水平。（2）建立了變截面攪拌樁單樁承載力