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立項背景國內(nèi)外工程實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、造價適中等優(yōu)點，在國內(nèi)外鐵路、公路、市政工程、港口碼頭、工業(yè)與民用建筑等領域得到了廣泛應用。樁體置換率是攪拌樁復合地基設計的主要內(nèi)容，一般被加固土體性質(zhì)較差時取大值，土體性質(zhì)較好時取小值。目前，工程應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)進行設計，往往導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，又導致處理效果較差。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現(xiàn)成層復合地基承載力、沉降性能的優(yōu)化，減小地基處理工程的建設成本和施工時間。故課題組依托濟（寧）徐（州）高速公路（江蘇段）的工程建設，對該方法進行了系統(tǒng)的研究。2詳細技術內(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、實現(xiàn)成層復合地基承載力、沉降性能的優(yōu)化，以減小地基處理工程的建設成本和施工時間。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，本項目以濟（寧）徐（州）高速公路（江蘇?。┙ㄔO工程為依托，以圖1（c）的變截面攪拌樁復合地基為主要研究對象（圖1a、b是c的特殊形式），通過室內(nèi)模型試驗、現(xiàn)場試驗、三維數(shù)值模擬和理論分析來驗證這種優(yōu)化處理方法的有效性，分析這類新型成層復合地基的承載、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機理，并提出變截面攪拌樁復合地基的系統(tǒng)設計理論。 (a)擴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方案：1）通過室內(nèi)模型試驗，初步檢驗變截面攪拌樁加固成層軟弱地基的有效性。2）通過試驗段現(xiàn)場試驗，進一步對比、檢驗變截面攪拌樁加固成層軟弱地基的有效性，同時研究變截面雙向水泥土攪拌樁施工工藝、質(zhì)量控制與檢測技術。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機理，及其承載、變形和固結(jié)性狀。4）通過理論推導，提出變截面攪拌樁復合地基的系統(tǒng)設計理論。3主要技術創(chuàng)新點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成層地基進行豎向剛度優(yōu)化來實現(xiàn)復合地基承載力、沉降性能的優(yōu)化目的，減小地基處理工程的建設成本和施工時間。2）通過室內(nèi)模型試驗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力、加快復合地基固結(jié)速率，減小復合地基總沉降和工后沉降，并通過現(xiàn)場試驗段工程驗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)濟性。3）在變截面攪拌樁單樁破壞模式的基礎上，提出了變截面攪拌樁單樁承載力計算方法。4）在變截面攪拌樁復合地基破壞模式的基礎上，提出了變截面攪拌樁復合地基承載力計算方法和基于承載力設計的變截面攪拌樁復合地基優(yōu)化方法。5）在一定理論簡化的

6、基礎上，提出了變截面攪拌樁復合地基沉降計算方法、固結(jié)計算方法和基于沉降設計的變截面攪拌樁復合地基優(yōu)化方法。6）提出了成層軟弱地基中變截面攪拌樁施工設備、施工和質(zhì)量檢測等成套技術。 4與當前國內(nèi)外同類技術主要參數(shù)、效益、市場競爭力的比較教育部科技查新工作站的查新報告表明：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，國內(nèi)外未見其它公開的文獻報道。即本技術屬于國內(nèi)外首創(chuàng)的新技術。由于，國內(nèi)外未見專門針對成層軟弱地基的優(yōu)化處理的攪拌樁技術，本技術在成層軟弱地基處理領域具有獨特的市場競爭力。5應用情況在成層軟弱地基處理工程中應用本技術可以顯著地減少地基處理工

7、程的施工時間和工程造價。目前，我國公路、鐵路、港口碼頭、機場、工業(yè)與民用建筑等基礎工程建設領域正在大量采用水泥土攪拌樁進行軟土地基處理，而工程建設中經(jīng)常遇到成層軟弱地基，故本技術具有廣闊的推廣應用前景，推廣應用后將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟效益和社會效益。本技術首先在濟（寧）徐（州）高速公路（江蘇段）進行了現(xiàn)場試驗段研究，隨后福建省晉江機場擴建工程成功推廣應用了本技術，為該軍民兩用機場的建設節(jié)省了25%的工程造價（200余萬），2/3的施工時間（約4個月）。6經(jīng)濟效益2009年，濟徐高速公路試驗段C、D區(qū)比對比段A、B區(qū)節(jié)約了近28萬元工程造價。其中，常規(guī)攪拌樁單樁價格為351元/根，單樁變截面雙向攪拌樁的造價為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)和單樁價格可以計算得到各試驗區(qū)的地基處理總造價。2010年，福建省晉江機場擴建工程，停機坪地基處理面積為48096m2。原計劃采用真空高壓擊密法，單價為200元/m2，后改為變截面攪拌樁，單價為153元/m2，節(jié)省工程造價226萬。7.社會效益（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的施工工藝、質(zhì)量檢測及其控制方法，提高了我國的攪拌樁技術水平。（2）建立了變截面攪拌樁單樁承載力