基于溫克勒假設(shè)對(duì)高速公路軟土路基旋噴樁處理的應(yīng)用研究

　　摘要：旋噴樁作為加固軟基的一種方法，在軟土地區(qū)廣泛應(yīng)用，但其加固機(jī)理的認(rèn)識(shí)并不深入。從溫克勒地基假設(shè)出發(fā)，對(duì)旋噴樁的加固機(jī)理進(jìn)行了探討，并提出了一個(gè)簡單直觀的理論分析模型。最后結(jié)合旋噴樁的工程實(shí)例，對(duì)理論模型的結(jié)論可信性做進(jìn)一步的驗(yàn)證。

　　關(guān)鍵詞:旋噴樁；復(fù)合地基；溫克勒地基模型

　　一、前言

　　軟土地區(qū)的高等級(jí)公路建設(shè)必須首先解決軟土地基的承載力不足、壓縮沉降過大、沉降穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間長等問題。實(shí)踐證明，旋噴樁因?yàn)槟芘c樁間土共同分擔(dān)上部荷載并協(xié)調(diào)變形，形成復(fù)合地基，所以在增加地基強(qiáng)度、提高地基承載力、減少土體壓縮變形等方面效果顯著。但是，直到目前，有關(guān)旋噴樁復(fù)合地基承載機(jī)理的研究還處于研究階段，許多設(shè)計(jì)和施工技術(shù)人員對(duì)旋噴樁的加固機(jī)理并沒有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，甚至有著錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)。筆者從溫克勒地基假設(shè)出發(fā)，對(duì)旋噴樁的加固機(jī)理做一探討，提供簡單直觀的加固機(jī)理解釋。

　　二、基于溫克勒地基假設(shè)的旋噴樁復(fù)合地基加固機(jī)理

　　溫克勒地基假設(shè)：地基每單位面積上所受的壓力與地基沉降成正比，而地基某一點(diǎn)的沉降僅取決于作用于該點(diǎn)的壓力，與鄰近的地基不發(fā)生任何關(guān)系；地基的受壓作用正如許多彼此不相聯(lián)系的彈簧受壓的情況一樣。如果用系數(shù)K表示溫克勒地基的剛度，稱之為“地基反應(yīng)模量”，與撓度無關(guān)，在所考慮的面積內(nèi)所有各點(diǎn)都是一樣的。則溫克勒地基可用以下公式表示：

　　(2-1)

　　式中：—地基頂面某一點(diǎn)的反力（Mpa）；

　　K—地基反應(yīng)模量（Mpa/cm）；

　　Z—豎向撓度（cm）。

　　實(shí)際上，地基在橫向是相互牽連和相互約束的，其中一部分受力，相鄰部位也會(huì)受到影響，也將產(chǎn)生沉降變形。但是應(yīng)當(dāng)看到雖然溫克勒地基低估了地基的側(cè)向聯(lián)系，卻使計(jì)算結(jié)果偏于安全。

　�。ㄒ唬�無堅(jiān)硬下承層情況下的旋噴樁復(fù)合地基分析

　　圖1是旋噴樁加固后的溫克勒地基示意圖，K1和K2分別為旋噴樁和地基土的“彈性常數(shù)”。可以看出剛性基礎(chǔ)下除地基土“彈簧”外，還有樁與土相連的“串聯(lián)彈簧”。對(duì)于彈性常數(shù)分別為K1、K2的兩個(gè)彈簧串聯(lián)有：

　　(2-2)

　　式中：X1、X2——分別是兩彈簧的壓縮變形量；

　　K——串聯(lián)彈簧的復(fù)合彈性常數(shù)；

　　P——作用于彈簧上的壓力。

　　令旋噴樁復(fù)合地基的“彈性常數(shù)”（地基反應(yīng)模量）為，復(fù)合地基上剛性基礎(chǔ)作用有豎向力P，基礎(chǔ)的沉降為s，取剛性基礎(chǔ)為隔離體，則分析其受力條件：

　　（2-3）

　　整理式（2-2）及式（2-3）得：　　　

　　當(dāng)旋噴樁復(fù)合地基中旋噴樁沒有支承于堅(jiān)硬土層（不可壓縮）時(shí)，式（2-4）即為復(fù)合地基反應(yīng)模量的表達(dá)式。作為表征地基剛度的明顯大于天然地基的反應(yīng)模量。與天然地基相比，旋噴樁復(fù)合地基在相同的荷載作用下沉降減少；相同的沉降條件下能承擔(dān)更大的載荷。此外，從式（2-4）和圖1還可以看出，剛性基礎(chǔ)下的復(fù)合地基沉降很大一部分發(fā)生在下臥地層。

　�。ǘ�）有堅(jiān)硬下承層情況下的旋噴樁復(fù)合地基分析

　　對(duì)于旋噴樁已經(jīng)支承于堅(jiān)硬土層的情況，我們可以用溫克勒地基模型來說明。同樣，取剛性基礎(chǔ)為隔離體分析受力有：

　　(2-5)

　　其中的含義同2.1節(jié)。

　　整理得：

　　(2-6)

　　從式（2-6）可以看出，由于旋噴樁的遠(yuǎn)大于軟土的，支承型旋噴樁復(fù)合地基的承載力顯著提高，沉降量比存在軟弱下臥層的復(fù)合地基明顯減少�？梢娦龂姌都庸誊浫醯鼗�，提高承載力、減少沉降是可行的。

　　從上面的分析可以看出，旋噴樁的存在確實(shí)減少了軟土地基的沉降，提高了地基的承載力，但這種加固作用受樁長和實(shí)際地層條件的影響很大。對(duì)于有軟弱下臥層的情況旋噴樁復(fù)合地基的加固效果并不明顯；而旋噴樁支承于堅(jiān)硬下承層上時(shí)，則加固效果十分顯著。

　　三、旋噴樁復(fù)合地基的工程實(shí)例

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　　某段高速公路中有11公里的范圍內(nèi)分布有厚度不同的軟基。該路段位于潮白河沖積平原區(qū)，現(xiàn)為耕地，第四系沉積層較厚，地勢自西向東微傾斜。經(jīng)鉆探查明，場地勘探深度內(nèi)所見均屬第四系全新統(tǒng)（Q4）河流沖積夾湖積地層。以粘性土為主，間夾薄層土，偶見粉細(xì)砂。按其埋藏條件、成因，巖土特征及物理力學(xué)性質(zhì)將地基土自上而下分為：粉土、粘土、粉質(zhì)粘土、粉土。通過對(duì)路段各層的土層厚度、含水量、壓縮系數(shù)、壓縮模量等物理力學(xué)指標(biāo)和承載力值進(jìn)行的檢測結(jié)果分析，該段路基天然地基不能滿足高速公路直接路堤填筑的需要，必須進(jìn)行處理。

　�。ǘ�）旋噴樁加固地基設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)采用旋噴樁的有效長度為10m，樁徑為0.8m。樁排距3.46m，樁間距4m，呈梅花型布置。典型路堤段軟基加固布樁方案見圖2。                      

　�。ㄈ�）沉降觀測及加固效果評(píng)價(jià)

　　軟基加固處理工作于1999年2月開始，隨后4月份路基施工開始填土，試驗(yàn)監(jiān)測也同時(shí)進(jìn)行，監(jiān)測內(nèi)容主要是地表沉降和路基旁側(cè)位移。地表沉降共設(shè)41個(gè)測點(diǎn)，布設(shè)原則是在軟土較厚的地方布點(diǎn)密一些，點(diǎn)距30～50m，軟基相對(duì)較薄的地方點(diǎn)距大一些，約200m。

　　經(jīng)對(duì)對(duì)該項(xiàng)目處理結(jié)果進(jìn)行了近十年的跟蹤檢測，在路基施工階段及公路通車運(yùn)營1年內(nèi)監(jiān)測時(shí)間間隔相對(duì)較密；通車運(yùn)營1年后，監(jiān)測時(shí)間間隔逐漸增大。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果詳見圖3（旋噴樁作用效果對(duì)照圖）、圖4（A至C合同段的測點(diǎn)沉降沿里程變化曲線）。

　　從以上這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)圖表中可以得出以下結(jié)論：（1）未經(jīng)旋噴加固的樁號(hào)K9+500與旋噴處理的樁號(hào)K9+420兩點(diǎn)相距僅80m，地層結(jié)構(gòu)相同、填土高度基本相同，但沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)表明K9+420處沉降量遠(yuǎn)小于K9+500處，顯然旋噴樁起到了減少軟基沉降、提高地基承載力的作用；（2）旋噴樁加固軟基與普通軟基的加載沉降規(guī)律基本一致，隨填土的增加，沉降增加，隨時(shí)間推移，沉降趨緩。只是總沉降量小于天然軟基；（3）旋噴樁加固軟基的沉降大小除與軟弱土層厚度有關(guān)外，還與軟弱土層的下臥深度有關(guān)。其它工況條件相近的，軟弱土層越厚，沉降越大；旋噴樁未穿透軟弱層的復(fù)合地基沉降大，樁底支承于堅(jiān)硬土層的沉降小。

　　四、結(jié)論

　　理論分析和工程實(shí)例都表明旋噴樁復(fù)合地基對(duì)于減少軟弱地基的沉降，提高地基承載力有積極的作用，特別是旋噴樁直接支承于堅(jiān)硬土層上時(shí)，效果十分明顯。而對(duì)于存在厚的未穿透下臥軟弱層的情況，是否采用旋噴樁復(fù)合地基就需做更全面的考慮了。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]鄧學(xué)均，剛性路面設(shè)計(jì)，北京，人民交通出版社，1990年3月，第一版

　　[2]龔曉南，復(fù)合地基引論（四），地基處理，1992，3（3）

　　[3]馬海龍，旋噴樁地基試驗(yàn)研究及設(shè)計(jì)方法，巖土力學(xué)，1995，16（3）