工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (6): 1681-1689   (3900 KB)    
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  • 收稿日期:2017-11-27
  • 收到修改稿日期:2018-04-25
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    杜广印
    吴春伟
    张国柱
    覃达
    潘皇宋

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    杜广印, 吴春伟, 张国柱, 等. 2018. 深厚海相软土临河公路扩建地基处理方法探讨[J]. 工程地质学报, 26(6): 1681-1689. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-553.
    DU Guangyin, WU Chunwei, ZHANG Guozhu, et al. 2018. Discussion on deep marine clay foundation treatment method of riverbank highway extension[J]. Journal of Engineering Geology, 26(6): 1681-1689. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-553.

    深厚海相软土临河公路扩建地基处理方法探讨
    杜广印, 吴春伟, 张国柱, 覃达, 潘皇宋    
    东南大学岩土工程研究所 南京 210096
    摘要:针对临河段扩建公路,其主要特点是道路拓宽占用了原河道,公路拓宽部分的地基为深厚海相软土以及淤泥层与基岩风化层倾斜相交,需要加固处理。同时,软土地基处理后,对侧河岸需要改移外扩开挖,这会对地基处理效果产生不良影响,因此需要慎重选择地基处理方法。本文借助ABAQUS有限元软件和现场实测数据,对双向粉喷桩和预制方桩的经济性和处理效果进行比较,结果表明:(1)双向粉喷桩联合塑料排水板处理深厚海相软土层优于常规粉喷桩;(2)双向粉喷桩处理淤泥层与基岩风化层倾斜相交时,桩体某深度处将产生明显的滑移剪切面,而预制方桩处理不会出现该情况,因此,当淤泥层与基岩风化层倾斜相交时,应选择预制方桩处理。
    关键词扩建公路    深厚海相软土    双向粉喷桩    预制方桩    ABAQUS有限元    
    DISCUSSION ON DEEP MARINE CLAY FOUNDATION TREATMENT METHOD OF RIVERBANK HIGHWAY EXTENSION
    DU Guangyin, WU Chunwei, ZHANG Guozhu, QIN Da, PAN Huangsong    
    Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096
    Abstract: The key features for highway extension along river are occupation of the widening road on the original river, deep marine clay, and oblique intersection of deep marine clay with weathered rock layer. Therefore, the foundation is necessary to be reinforced. In addition, the opposite riverbank requires to be expanded and excavated which would have bad influence on the effect of ground improvement. Thus, modification method must be determined carefully. Based on numerical analysis with ABAQUS software and field measurements, the economy and reinforcement effect of the Bidirectional Dry Jet Mixing Method(BDJMM) and Concrete Prefabricated Square Pile are compared. Research results indicate that(1)the reinforcement effect of combination of BDJM and plastic drainage plate is better than that of traditional DJM method. (2)For the oblique intersection of soft clay layer with weathered rock layer, a significant sliding shearing interface at certain depth of the pile body can be formed. Concrete Prefabricated Square Pile would not meet with such kind of problem. So the Concrete Prefabricated Square Pile is the best choice in the ground improvement with the condition of oblique intersection of soft soil layer and rock layer.
    Key words: Highway extension    Deep marine clay    Bidirectional dry jet mixing pile    Concrete prefabricated square pile    ABAQUS finite element    

    0 引言

    我国软土分布广阔,如长江中下游、珠江下游、淮河平原以及广州、福建、温州沿海地区等都存在海相或湖滨相沉积的软土,通过对相关文献资料(温耀霖等,1995邓永锋等,2005b夏银飞等,2008易坤津,2012刘勇健等,2013)整理综合得出:我国海岸沉积软土具有天然孔隙比大、压缩性高、扰动性大、抗剪强度低、透水性差的含有机质和矿物质的细粒土。

    本文主要研究某工程临河段滨海相软土的处理方法。该工程三标段临河段的公路扩建将拓宽至原河道以及河漫滩范围,在拓宽范围即扩建路基以下的地基土质为深厚海相软土,厚度最大可达到23 m,软土性质较差,并且,扩建道路的另一侧紧挨云台山,使得临河侧的土层情况发生了变化。本文将临河段(全长约1.36 km)分为两个范围,针对不同的地质情况分别研究讨论不同的地基处理方法。

    文献(Forshman et al., 1999Van Meurs et al., 1999Chai et al., 2001Duskov et al., 2002高翔等,2004Collin et al., 2005周永磊等,2014陈冬亮,2016)中基本都是关于软土地基处理方法和新路基填料的介绍。国内外关于城市道路软土地基特别是沿海地区的深厚软土处理联合运用多种地基处理方法,最大限度地减小新填筑路基沉降和侧向位移。对于某些要求比较严格的工程,所允许的工后沉降量很小,需要重视新旧路基结合处以及软土地基处理的效果。资料中主要介绍了以下软土地基处理方法:设置塑料排水板或袋装沙井加速地基固结沉降、置换浅层不良地基、分期进行路堤碾压施工、使用新型的ESP轻质路堤、挡土墙加筋处治、对基础打桩加固、多种地基处理方法综合运用等,但是涉及临河侧道路拓宽和对侧河岸开挖外扩对深厚海相软土地基处理效果影响的研究较少。

    文献(蒯行成等,2006程志等,2009姚志勇等,2011王艳争,2013袁枚等,2015卢业旭,2016徐媛媛,2016)中基本都是利用有限元软件建立符合实际情况的二维或三维模型模拟分析厚软土层经各种手段处理后的路基沉降和复合地基承载力,然后寻求符合路基变形特征的规律,进而指导类似实际工程。查阅相关文献资料显示:主要是对道路拓宽部位和厚软土层经过各种地基方法处理后路基的沉降和水平位移建模分析,并没有涉及到对侧河岸开挖对临河路基沉降和边坡的影响,也没有涉及到临河临空侧和河水水位线对路基变形的影响。

    1 工程特点

    该临河公路扩建工程最大的特点为公路地基为深厚海相软土以及淤泥层与基岩风化层倾斜相交,土质性质较差,并且道路左侧紧挨云台山,右侧为临河临空侧,处理软土地基的同时对侧河岸还需要改移外扩开挖。本文将临河侧深厚海相软土地基分为两个范围(A区和B区)分别进行讨论。具体划分范围如图 1所示。

    图 1 A区与B区划分范围示意图 Fig. 1 A zone and B zone diagram of the scope of the division

    A区为海相软土,具有厚度大、含水量高、渗透性极差、易受扰动等特点,在软土地基处理的同时对侧河岸要改移外扩开挖,单独使用一种地基处理方法时,地基土层的承载力和稳定性不一定能满足工程要求,因此,该范围需要慎重选择地基处理方法。

    B区为海相淤泥层与基岩风化层倾斜相交,若地基处理方法选择不合理,在桩体某深度处很容易形成滑移剪切面,且地基处理范围一侧为临河临空侧,在地基处理的同时对侧河岸要改移外扩开挖,很容易造成地基边坡向临空侧滑移。

    A区与B区典型地质剖面图分别如图 2图 3所示。A区典型地质剖面图显示的各土层从上至下依次为:素填土、黏土、淤泥、粉质黏土、全风化片麻岩、强风化片麻岩;B区典型地质剖面图显示的各土层从上至下依次为:素填土、淤泥、中风化片麻岩。

    图 2 A区典型地质剖面图(单位:m) Fig. 2 Typical geological profile of A zone(unit:m)

    图 3 B区典型地质剖面图(单位:m) Fig. 3 Typical geological profile of B zone(unit:m)

    2 A区地基处理方法研究

    软土地基处理方法的选择尤为重要,正确的地基处理方法,既可以满足工程建设需求,还可以节省大量的人力物力财力。根据A区的特殊地质条件,选择适合的几种地基处理方法,然后进行择优选取。本文主要从加固效果和工程经济性对比分析双向粉喷桩和常规粉喷桩。

    双向搅拌技术比单向搅拌技术具有其独特优势:(1)通过钻杆上的叶片正、反向旋转可以很好地阻断冒浆,保证水泥土搅拌均匀,确保成桩质量;(2)双向搅拌桩能够使水泥和土强力混合搅拌,充分发生物化反应,因而搅拌全面均匀,桩身强度提高;(3)双向搅拌桩工艺受力对称稳定,地下孔隙水受力基本相抵,有效降低了超静孔隙水压力积聚,减小了浆(粉)喷孔口围压,保证了浆(粉)喷特别是深部的顺畅性,因而保证了深部加固效果。

    双向粉喷桩和常规(单向)粉喷桩主要从成桩时间和节约水泥方面对比分析。双向粉喷桩施工工艺为一喷两搅,而常规粉喷桩为两喷四搅,但是双向粉喷桩的下钻和提升速度较常规粉喷桩慢,经分析,在成桩时间方面,双向粉喷桩比常规粉喷桩减少约40%。同时由于双向粉喷桩机钻杆为正反向旋转搅拌,使得水泥与土拌和的更为充分,成桩质量要更优于常规粉喷桩。因此在满足工程需求和成桩质量的前提下,双向粉喷桩可以适当减少水泥用量和增大桩间距,节约工程成本。

    深厚海相软土工程性质较差,由于土层靠近河侧,因此含水量较高,采用粉喷桩处理时,可能由于成桩搅拌过程,深部桩周土体会产生超孔隙水压力(杜广印等,2006),对桩体强度增长造成一定影响。若深部土体中产生了连续的超孔隙水压力,可能会形成一种破坏桩体强度的滑移力,导致桩身质量变差。为了尽快消除施工过后产生的超孔隙水压力带来的影响,可以使用塑料排水板,它既可以加快消散超孔隙水压力,还能够加速地基固结。

    综上所述,双向粉喷桩和塑料排水板联合处理该区深厚海相软土,可以满足工程需求。平面布置情况如图 4所示。

    图 4 A区地基处理平面布置图 Fig. 4 Plane layout of foundation treatment in A zone

    3 数值模拟研究
    3.1 模型简化

    B区海相淤泥层与基岩风化层相交,存在一个夹角,大约14°,选用双向粉喷桩处理时可能会产生一个比较明显的滑动剪切面。剖面图如图 5所示。现在拟采用双向粉喷桩和预制方桩两种处理方法,并使用ABAQUS有限元软件分别模拟两种方法的处理效果,最后选择处理效果较好的方法。

    图 5 海相淤泥与基岩风化层倾斜相交 Fig. 5 Oblique intersection of marine clay with weathered rock layer

    ABAQUS有限元软件模拟桩土之间的相互作用较符合实际情况,但是模拟三维群桩处理效果比较复杂,且计算代价大,收敛速度慢。在纵向方向,路基假定无限延长,故将三维模型简化成二维平面应变模型。本文所研究的模型具有一定特点,即土层交界面非等平面,而是一个斜交面;存在临河临空侧面;对侧河岸需改移外扩开挖。现今,对于临河侧软土地基处理效果的数值模拟几乎很少。本文研究结果对以后类似工程具有一定工程应用价值。

    三维群桩向二维平面简化,采用参数折减法(邓永锋等,2005a),需要进行桩身模量和桩身渗透系数折减。

    (1) 桩身弹性模量折减:按照桩间距进行桩身模量折减,按以下公式计算:

    $ E_p^{{\rm{cal}}} = {\rm{ }}\frac{{{E_p}}}{{2d}}{\rm{ }} + \frac{{\left({2d - 1} \right){E_s}}}{{2d}} $

    式中,d为桩间距;Ep为桩身模量;Es为桩间土模量。

    (2) 桩身渗透系数折减:按照桩身所在纵向剖面土体渗透系数折减,由于桩身原本渗透系数较小,忽略不计(一般为土层渗透系数的千分之一到万分之一之间)。按以下公式计算:

    $ K_p^{{\rm{cal}}} = \frac{{{K_p}}}{{2d}} + \frac{{\left({2d - 1} \right){K_s}}}{{2d}} \approx {\rm{ }}\frac{{\left({2d - 1} \right){K_s}}}{{2d}} $

    式中,d为桩间距;Kp为桩身渗透系数;Ks为桩间土渗透系数折减后的桩身参数如表 1

    表 1 桩身参数 Table 1 Parameters of pile

    3.2 模型介绍及参数

    本次模型选取了一个典型剖面,模型图说明:模型长224 m,宽30 m,路基宽49 m,为消除边界尺寸对模型结果的影响,路基左边缘往左取50 m,河道往右取50 m,土层分为2层,分别是淤泥层和基岩风化层,基岩风化层与淤泥层夹角为14°,淤泥层厚度变化范围为8~20.7 m,基岩风化层厚度值取20~30 m,底边界面为平面,模型图如图 6。B区范围,临河侧软土地基处理范围较小,本模型取为10 m,双向粉喷桩桩间距为1.0 m,共8根;预制方桩桩间距3.0 m,共4根。桩体底部打入破碎的基岩风化层。桩体采用弹性模型,土层和砂垫层采用莫尔-库仑模型。不考虑塑料排水板的作用,因为塑料排水板主要是加快地基固结以及尽快消除施工过后产生的超孔隙水压力,以保证粉喷桩成桩质量,而本文所使用的粉喷桩物理力学参数的前提就是保证了粉喷桩成桩质量,同时为了与预制方桩(使用预制方桩处理时,未使用塑料排水板排水固结)对比,因此,本文不考虑塑料排水板。桩与土之间的接触定义为接触对,即桩为主控面,土为从属面。模拟粉喷桩处理地基时,桩土接触面采用绑定约束;模拟预制方桩处理该地基时,桩土接触面采用罚摩擦。模型使用单元生死功能先将对侧河岸需要开挖部分移除,然后再激活砂垫层(本文将施工机械的重量以及表层覆盖的砂土统一换算成砂垫层)。施工时河道无水,故不考虑河水影响。本文为了划分单元网格方便,也便于有限元软件模拟结果收敛,故模型左右与上下边界都取平面,且模型左右边界施加水平方向约束,模型底边界施加水平和竖向两个方向约束。

    图 6 几何模型图 Fig. 6 Geometry model diagram

    根据地质勘查报告,B区各土层的物理力学性质如表 2

    表 2 各土层物理力学性质 Table 2 Physical and mechanical properties of each soil layer

    4 处理效果对比分析
    4.1 粉喷桩数值模拟结果

    施工时河道无水,故不考虑河水影响。图 7图 8模型模拟的结果显示,对侧河岸改移外扩开挖将会对地基处理效果造成一定影响,双向粉喷桩桩体在某一深度处将会产生一个弱滑移剪切面。在地基处理范围内,越靠近临河一侧,桩土水平位移越大。当在地基表面加一层砂垫层时,即相当于加荷载,滑移剪切面迅速扩展,并且水平位移值也逐渐增大。由于粉喷桩抗滑移剪切能力较差,该范围地基将产生整体失稳现象,向临河临空侧滑移。

    图 7 对侧河岸改移外扩开挖后地基整体的最大位移图(粉喷桩) Fig. 7 The largest displacement map of the entire foundation after the extension and excavation of the opposite riverbank(Bidirectional dry jet mixing pile)

    图 8 加一层砂垫层后地基整体的最大位移图(粉喷桩) Fig. 8 The largest displacement map of the entire foundation after adding a layer of sand cushion(Bidirectional dry jet mixing pile)

    4.2 预制方桩数值模拟结果

    图 9图 10模拟结果显示,对侧河岸改移外扩开挖和加一层砂垫层后,预制方桩处理范围内并没有出现滑移剪切面,说明预制方桩处理效果要优于双向粉喷桩,地基处理范围内也不会出现整体失稳现象。但是在河岸边坡处,地基水平位移值较大,且在地基表面达到最大值,需要采取一定防护措施,可联合使用黏土护坡和河岸边坡反压护坡措施,保证边坡稳定和减小地基侧向位移。

    图 9 对侧河岸改移外扩开挖后地基整体的最大位移图(预制方桩) Fig. 9 The largest displacement map of the entire foundation after the extension and excavation of the opposite riverbank(Concrete prefabricated square pile)

    图 10 加一层砂垫层后地基整体的最大位移图(预制方桩) Fig. 10 The largest displacement map of the entire foundation after adding a layer of sand cushion(Concrete prefabricated square pile)

    4.3 分析与讨论

    为了更加清晰地比较双向粉喷桩和预制方桩处理效果,将地基处理后的效果图进行局部放大比较和分别提取出路基右边缘的水平位移值随深度变化的情况如图 11图 12图 13

    图 11 双向粉喷桩处理后局部效果 Fig. 11 The partial effects after using Bidirectional dry jet mixing pile

    图 12 预制方桩处理后局部效果 Fig. 12 The partial effects after using concrete prefabricated square pile

    图 13 路基右边缘深度-水平位移值对比图 Fig. 13 Depth-horizontal displacement comparison chart of the right edge of roadbed

    图 11图 12对比显示,双向粉喷桩处理后,将在桩体不同深度处产生不同位移值的滑移面,而预制方桩处理后,桩体任何位置都未产生位移。本文提取了图 11中4个滑移面与最右侧桩体相交点的位移值,如表 3,图中滑移面1的位移值最大,为201.7 mm,且滑移面1~4的位移值逐渐减小。

    表 3 滑移面对应的位移值 Table 3 Displacement value of sliding face

    图 13显示,预制方桩处理效果优于双向粉喷桩。对侧河岸改移外扩开挖后,双向粉喷桩处理后产生的最大水平位移值是预制方桩的4倍左右,这也说明对侧河岸改移外扩开挖会对地基处理效果产生不良影响,也需要采取一定防护措施,保护路基及河岸边坡。

    当加一层砂垫层后,预制方桩处理后的地基水平位移值最大增加60%左右,而双向粉喷桩处理后的地基水平位移值最大增加120%,且双向粉喷桩处理后的最大水平位移值是预制方桩的5倍左右。

    预制方桩处理后,通过现场深层水平位移监测,所得结果如上图实测预制方桩曲线可知:对侧河岸改移后以及加一层砂垫层,数值模拟所得预制方桩处理后的水平位移值与实测数据相比较为吻合。在地表以下0~2 m范围内,数值模拟结果比实测数据大,但相差不是很大,是在一定合理范围内的(表 4),其中相对误差δ=(模拟值-实测值)/实测值×100%;在2~18 m范围内,数值模拟结果比实测数据小,但相差很小。因此,ABAQUS有限元模拟预制方桩处理海相淤泥层与基岩风化层斜交的效果比较符合实际情况。

    表 4 数值模拟值与实测值相对误差 Table 4 Relative error of numerical simulation value and measured value

    因此,双向粉喷桩处理该复杂土层情况,地基可能出现整体失稳现象,向临河临空侧滑移,造成工程事故。因此选用预制方桩处理,可以满足工程需求。

    5 结论

    (1) 通过加固效果和工程经济性对比分析,A区采用双向粉喷桩处理深厚海相软土。该范围土层含水量较高,采用粉喷桩处理时,可能由于成桩搅拌过程,深部桩周土体会产生超孔隙水压力,对桩体强度增长造成一定影响。若深部土体中产生了连续的超孔隙水压力,可能会形成一种破坏桩体强度的滑移力,导致桩身质量变差。为了尽快消除施工过后产生的超孔隙水压力带来的影响,可以使用塑料排水板,它既可以加快消散超孔隙水压力,还能够加速地基固结。故将双向粉喷桩和塑料排水板联合使用处理A区深厚海相软土。

    (2) B区海相淤泥层和基岩风化层存在一个倾斜交界面,采用双向粉喷桩处理时,很可能在桩体某深度处会产生滑移剪切面,破坏桩体强度,导致地基整体失稳,向临河临空侧滑移。故利用ABAQUS有限元软件,分别模拟双向粉喷桩和预制方桩处理效果,然后选择合适的地基处理方法,并与实测数据对比。数值模拟结果表明,预制方桩处理效果明显优于双向粉喷桩。采用双向粉喷桩处理时,在桩体某深度处将会产生明显的滑移剪切面,而预制方桩处理后却没有出现滑移剪切面。对侧河岸改移后以及加一层砂垫层,数值模拟得到预制方桩处理后的水平位移值与实测数据相比较为吻合。故B区可采用预制方桩处理该复杂土层情况,能够满足工程需求。

    (3) 路基右边缘存在临河临空侧以及对侧河岸需要改移外扩开挖,这都将对地基处理效果产生不良影响,路基边坡和河岸边坡很容易失稳,在处理深厚海相软土地基时,可联合使用黏土护坡和河岸边坡反压护坡措施,以保证边坡稳定和减小地基侧向位移。

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