高速公路岩溶路基树根桩加固试验研究

高速公路岩溶路基树根桩加固试验研究

黄 斌

(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙 410015)

[摘 要] 为探求树根桩加固高速公路岩溶地基的适宜性，选取典型岩溶地区路基进行现场载荷试验，获得树根桩单桩承载力特征值、桩间土地基承载力特征值及抗剪强度参数，并对加固后的岩溶地区路基进行施工填筑数值模拟分析。结果表明：现场载荷试验所得单桩承载力和复合地基承载力均满足工程设计要求；树根桩施工时的注浆液明提高桩间土的抗剪强度，粘聚力c提高1.75倍，内摩擦角φ提高1.45倍；数值模拟结果表明树根桩能有效加固软弱的岩溶路基，减小了岩溶地区路基的工后沉降变形。研究成果可为树根桩在高速公路岩溶路基地基处理中的应用提供参考和指导。

[关键词] 岩溶路基； 树根桩； 承载力现场载荷试验； 数值模拟； 抗剪强度

0 前言

岩溶是可溶性岩石在溶蚀水的作用下，产生的各种地质作用、形态和现象的总称。在中国南方岩溶地质分布广泛、发育强烈，其主要类型包括石牙、石林、溶沟、洼地和溶洞等。各种类型的岩溶对高速公路建设产生严重的危害[1-3]，例如：隐伏岩溶易造成路基塌陷失稳；岩溶积水排泄不畅形成地面积水、冒水，易软化路基等；岩溶路基因积水软化引起高速公路路面沉降过大。因此，加强对岩溶地区高速公路地基处理方法的研究，对提高路基稳定性、降低工程造价和保证高速公路正常运营具有重要意义。

随着高速公路建设的蓬勃发展，在工程建设过程中积累了大量的岩溶地质灾害处理经验。国内主要采取的方法有：跨越法，主要采用以桥梁或者涵洞的方式跨越溶洞，虽然该方法能较好的解决溶洞路基问题，但为了实现对桥梁、涵洞的有效支撑，其基础部分需要远离溶洞区域，因此该方法将会增加治理费用；加固法，主要采用洞内支撑或桩基等加固岩溶，但这种加固方式需要较稳定的持力层，而岩溶地区裂隙发育，缺少稳定的持力层；堵塞法，主要是采用黏土或块石充填，该方法不可避免的改变地下水系，当溶洞被堵塞后，里面的地下水不能被排出容易使路基软化。因此，寻求一种新的、可靠的处理岩溶路基的处置技术已迫在眉睫。

树根桩[4]也称微型桩，近年来被广泛的应用于基坑工程、隧道工程[5]、边坡工程[6-8]和软弱地基加固[9，10]，通过查阅相关资料发现，树根桩在加固高速公路岩溶路基方面的研究，目前的研究程度不够深入，相关的研究成果鲜见报道。为研究树根桩加固岩溶路基的可行性，本文以湖南省永蓝高速公路岩溶路基为工程地质背景，基于前人的研究成果，展开树根桩加固该地区高速公路岩溶路基的适宜性方面的试验研究，以期为该地区岩溶路基选用安全适用、技术可靠、经济合理的地基处理方法提供评价。

1 工程简介

湖南永蓝高速公路全长145 km，概算总投资108亿元，该路主线采用四车道高速公路标准，设计速度为80 km/h，路基宽度24.5 m。经勘查，整条公路很多路段都将修建在典型的喀斯特地区，尤其是土建01合同K53+491-K62+138路段更是属于不良工程地质区域，该地段存在大量的岩溶现象如图1所示，且沿线分布有广泛的软土，使得该工程地基处理难度加大。经设计研究决定，拟采用树根桩处理该地区高速公路岩溶地基，其可行性拟通过现场试验和相应的数值模拟加以验证

图1 永蓝高速公路所在区域内裸露出的溶洞
Figure 1 The karst cave of yonglan high way

2 树根桩加固基本理论

树根桩是通过一定方法在岩溶地基中先成孔，再在孔中置入设计所要求的钢筋笼和注浆用的注浆管，清孔后在孔中投入一定规格的石料或细石砼，再用水泥浆液进行压力注浆所形成同径或异径的桩。经树根桩加固处理后的地基称为复合地基，它是由改良后的桩间土与树根桩桩体共同承担荷载。单桩承载力为：

(1)

式中：m为桩土面积置换率；Ap为树根桩桩身截面面积；k1、k2分别为树根桩单桩承载力提高系数和桩间土强度提高系数；fsp、Rk、fs分别为复合地基承载力特征值、单桩承载力特征值和桩间土承载力特征值；其中Rk、fs作为桩、土分别由桩基静载试验和浅层载荷试验确定。

3 复合地基承载力现场载荷试验

3.1 试验概况

本文中该高速公路沿线岩溶发育数目极多，且岩溶规模大小不一。为深入研究树根桩加固技术对高速公路岩溶路基承载力的提高效果，现场载荷试验选取该高速公路具有典型代表的K56+737处岩溶路基进行研究，该处地质剖面及设计填方如图2所示，其中第一地层为粉质粘土，厚度为1.0～6.7 m，平均厚度为5.3 m；第二地层为强风化泥质灰岩，泥质胶结，岩质较软，瘤状结构，块状构造；第三地层为中风化白云岩，内有一溶洞，宽度约为12 m，高度约为1.5～2.8 m，整个路堤填筑高度为17.5 m。

本次试验树根桩直径为200 mm，注浆压力为0.3～0.5 MPa，注浆材料采用水灰比0.6的水泥浆。

图2 K26+700工程地质剖面图
Figure 2 The engineering geological profile of K26+700

3.2 树根桩静载试验

桩基静载试验是一项方法可行，理论上无可争议的桩基检测技术。在确定单桩极限承载力方面，它是目前最为准确、可靠的检验方法。本次静载试验是在试桩顶上分级施加静荷载直到2.0倍设计荷载时为止，从而测得桩的加载荷载Q和单桩的下沉量S的关系，依据最新《建筑地基基础设计规范》：“单桩承载力宜通过现场静载试验确定，在同一条件下试桩数量不宜少于总桩数的1%，并不少于3根”，因此本次试验选取3根树根桩作为试桩进行桩基极限承载力静载试验，采用慢速维持荷载法，即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，直到桩体破坏。

试桩1～试桩3静载试验结果如图3所示，以Q-S曲线上直线段末端的拐点确定单桩极限承载力标准值Ru，图3中单桩极限承载力标准值Ru=653.5～747.3 kN。根据最新《建筑桩基技术规范》的规定，单桩承载力特征值Ra为：

(2)

故最小单桩承载力特征值Ra=326.75 kN，而初步设计中单桩设计承载力Rd=300 kN，最小单桩承载力特征值Ra>Rd=300 kN，满足设计要求。

图3 树根桩静载试验Q-S曲线
Figure 3 The Q-S curve of root pile static load test

3.3 桩间土浅层载荷试验

浅层载荷试验的刚性承压板采用大小D=30 cm，t=2 cm的圆形钢板，选取地基处理后桩间土试验点1～试验点3进行浅层载荷试验。试验加载方式采用分级维持荷载沉降相对稳定法(慢速法)，每级荷载增量取测试地基土层预估极限承载力的1/10，每级加载后，按间隔10、10、10、15、15 min以后为每隔半小时测读一次沉降量，各级荷载下沉降相对稳定标准采用连续2 h的每小时沉降量不超过0.1 mm，可施加下一级荷载，当出现以下任一情况时可终止加载：

① 某级荷载作用下，沉降量急剧增大，承压板周围土体出现明显隆起；

② 在某一级荷载下，24 h内沉降速率不能达到稳定；

③ 某级荷载作用下，承压板的累计沉降量已大于其直径的6%；

④ 当达不到极限荷载，而最大加载压力已大于设计要求值的2倍。

根据初步设计，经树根桩加固岩溶路基后，试验所在路段设计地基承载力特征值为200 kPa，因此浅层载荷试验最大加载值取为28.0 kN。分级施加静荷载从而测得复合地基桩间土承载力和下沉量的关系，如表1所示。

表1 桩间土试验点1、试验点2和试验点3的Q-S试验结果Table1 TheQ-Stestresultspilesoilsites1，sites2andsites3序号荷载/kN历时/min沉降量/mm试验点1试验点2试验点3本级累计本级累计本级累计本级累计000000 0 0 0 0 0 12812012000400400600600600625612024001201601702301402 3841203600200360210440220424112120480028064030074026068514012060003209603611 034102616812072003513104015 037139719612084004117204719704118 82241209600532250542510582389252120108006729207933 094332102801201200089381091421127459

由表1可知：荷载Q介于0～28.0 kN之间时，荷载(Q)与沉降量(S)之间的关系有非常明显的直线段，Q=22.0～23.0 kN为该直线段的比例界限，故该试土层的承载力特征值为311.4～325.5 kPa，大于该路段设计地基承载力特征值200 kPa，满足设计要求。

3.4 桩间土现场直剪试验

数值模拟参数的选取需要现场直剪试验取得。根据分析，树根桩之所以能够加固岩土体，提高岩土体的承载力，其原因有2点： ①原来松散的岩土体通过注浆之后，浆液在压力作用下灌入岩土体的空隙、节理、裂隙等脆弱部位，浆液就地发生化学反应凝固后起到固结、粘合、防渗和提高抗剪强度和抗变形的能力。 ②树根桩对松散的岩土体具有锚固作用，采用注浆工艺成桩后，树根桩上连着许多化学浆脉，这样就形成了在大树根桩的底端连着有许多小树根桩。大、小树根桩作为岩土体的有力骨架增强了锚固作用，为提高地基承载力提供有力保障。

现场直剪试验选取编号为1-1、1-2、1-3、1-4、1-5加固后的桩间土进行直剪试验(见图4)，选取相同区域编号为2-1、2-2、2-3、2-4、2-5未加固的土体进行对比直剪试验。取样尺寸50 cm×50 cm×35 cm，人工开槽后将开凿部分试样用塑料袋包裹起来，以免试样的含水量在开凿时逐渐损失，开凿完成后立即在顶面浇筑低标号砂浆保护，四周用钢模板保护。

图4 现场原位直剪试验
Figure 4 In-situ direct shear test on site

现场直剪试验表明：第一层黏土通过静压灌浆后，树根桩桩间土体抗剪强度参数得到大幅度提高，见表2，其中粘聚力c由灌浆前的24 kPa提高到灌浆后42 kPa，内摩擦角φ由注浆前的17.81°提高到灌浆后的25.86°。由此可见，通过树根桩注浆施工后原路基土体强度得到大幅度地提高。

表2 树根桩加固前后黏土现场直剪试验结果Table2 Thedirectsheartestresultsofrootpilereinforcedclaybe?foreandafter组别试验点编号法向应力s/MPa剪切力峰值τ/MPa摩擦角φ/(°)粘聚力c/kPa树根桩加固后桩间土1-18728351-211639961-3166912331-4176412651-518371314258642树根桩加固前原状土2-13883542-27734442-38995612-413756692-51534732178124

4 树根桩处理岩溶路基的数值模拟结果

4.1 模型概况

根据初步设计，该高速公路K26+700处是一填方路堤，填方高度17.5 m，路基填筑土体从下往上共分8层填筑。采用大型通用有限元软件ANSYS，按照实际地层和填筑路堤建立有限元模型并划分网格，再导入FLAC3D中，加入pile单元模拟初步设计中的树根桩(见图5)，其中6根白色pile单元中下部穿过一个平均高度为2.8 m，宽度为12 m的溶洞，其余树根桩呈三角形展开分布。各地层数值模拟参数，见表3。

图5 计算模型
Figure 5 Calculation model

表3 各地层数值模拟参数Table3 Acrossthelayernumericalsimulationparameters地层弹性模量E/MPa泊松比μ1粉质粘土(加固前)200432泥质灰岩(加固前)2000273白云岩(加固前) 15000231粉质粘土(加固后)600352泥质灰岩(加固后)2000273白云岩(加固后) 1500023ρ/(kg·m-3)c/MPaφ/(°)180000241781200067225220010032190000422586200067225220010032

4.2 数值模拟结果分析

① 树根桩施工前模拟结果。

路基设计标高高于原始路基标高，按照设计要求需要填筑17.5 m，本次分析研究未加入树根桩的天然路基在17.5 m填筑土体荷载作用下路基及溶洞的沉降。经分析验算：位于强风化泥灰岩(第二层岩土体)下面的溶洞在上覆岩土体自重作用下能够保持平衡。

随着路堤分层填筑的进行，该溶洞顶部的竖向位移非线性的逐渐增大，当路堤填筑完成后，竖向位移最大达到-2 756 mm(见图6)，溶洞已在路堤填筑土体作用下完全垮塌。同时，路堤右侧坡脚与原地面局部区域产生应力集中，导致路堤右侧坡脚底沉降过大，易导致路堤右侧边坡在使用过程中失稳。

图6 未加固时路堤填筑后竖向位移
Figure 6 The vertical displacement of unreinforced embankment

② 树根桩施工后模拟结果。

本次分析对比前面未用树根桩进行路基加固的情况，研究了按照设计要求经树根桩加固处理后的复合地基在17.5 m填筑土体荷载作用下路基变形情况(见图7)

图7 树根桩加固后路堤填筑后竖向位移
Figure 7 The vertical displacement of root pile reinforcement embankment

由图7可知：路堤填土及其下溶洞经树根桩加固后，路堤填土强度和刚度得到大幅度提高，最大竖向位移为-34 mm，满足高速公路工后沉降要求。同时右侧坡面与原始地面由于树根桩的抗剪能力的提高，无应力集中现象。右侧坡体稳定性得到加强。

原路基中点竖向位移在树根桩加固岩溶路基前后与填筑层数的关系图见图8。随着填筑层数的增加，未经树根桩加固时，路堤下面溶洞垮塌越来越严重，导致原路基中点跟随大幅沉降，最大达到-1 090 mm；而加固后最大沉降仅-20.7 mm，满足高速公路施工沉降要求。

图8 加固前后原路基中点竖向位移与路堤填筑层数关系
Figure 8 The relationship of original roadbed midpoint vertical displacement and embankment filling layer

5 结论

树根桩作为处置湖南省西部地区高速公路岩溶路基的地基处理方法，经现场试验和相应的数值模拟分析，得出如下结论：

① 树根桩加固岩溶路基时，注浆液对桩间土的抗剪强度有了明显的提高，粘聚力c提高1.75倍，内摩擦角φ提高1.45倍，复合地基的抗剪强度指标远远高于天然原状土的抗剪强度指标，同时单桩承载力特征值达326.75 kN，以上因素对提高岩溶路基土的承载力和抗变形能力提供了保障。

② 数值模拟分析显示，原路基未用树根桩进行地基处理时，由于下伏小型溶洞坍塌等造成路基大面积大位移沉降，最大沉降达到-2 756 mm，严重高速公路的施工和正常使用。经过树根桩加固，溶洞得到填充，路基强度得到提高后，原路基中点最大沉降为-20.7 mm，溶洞最大竖向位移为34 mm。加固效果异常明显。

③ 树根桩作为处理岩溶路基的地基处理方法，具有施工对环境影响极小，具有施工容易操作等优点，在加固高速公路岩溶路基有良好的加固效果，因此在处理岩溶路基方面具有广阔的推广前景。

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The Research on Strengthening Expressway Karst Roadbed by Root Pile

HUANG Bin

(Hunan Communications Research Institute， Changsha， Hunan 410015， China)

[Abstract] In order to seek for the suitability of strengthening expressway karst roadbed by root pile，the field loading test in typical karst roadbed area was selected.According to this test，the bearing capacity eigenvalue of single pile of root pile，the bearing capacity eigenvalue of foundation of soil between piles and the shear strength parameters was obtained.Meanwhile，the karst roadbed construction after being reinforced was analyzed by numerical simulation.The result shows that both the bearing capacity of single pile and the bearing capacity of composite foundation can meet the demand of engineering design.In the construction of root pile，the grouting fluid well increases the shear strength of soil between piles.The cohesion C and the internal friction angle φ increases by 1.75 times and 1.45 times.The result of numerical simulation shows that root pile can effectively reinforce the weak Karst roadbed and decrease the settlement deformation of Karst roadbed area.The research result can provide reference and guidance for the foundation treatment of expressway karst roadbed by root pile.

[Key words] karst roadbed； root pile； field loading test of bearing capacity； numerical simulation； shear strength

[收稿日期] 2016 — 08 — 22

[作者简介] 黄 斌(1979 — )，男，湖南怀化人，工程师，从事公路路基材料研究与试验工作。

[中图分类号] U 213.1+52

[文献标识码]A

[文章编号]1674 — 0610(2016)06 — 0204 — 05