本文摘要：摘 要：依托某高速公路软地基土处理工程，对工程现场路基软土性能指标进行检测，提出了水泥石灰钢渣碎石夯扩桩加固方案，并与传统水泥搅拌桩加固方案的机理进行对比分析。在对比两种软基土加固施工工艺的基础上，明确水泥石灰钢渣碎石夯扩桩设计方案的重点参数和关键工
摘 要：依托某高速公路软地基土处理工程，对工程现场路基软土性能指标进行检测，提出了水泥石灰钢渣碎石夯扩桩加固方案，并与传统水泥搅拌桩加固方案的机理进行对比分析。在对比两种软基土加固施工工艺的基础上，明确水泥石灰钢渣碎石夯扩桩设计方案的重点参数和关键工艺;对水泥石灰钢渣碎石夯扩桩试验段进行承载力检验和沉降变化监测，明确其软基土加固的有效性;最后，对比水泥搅拌桩和水泥石灰钢渣碎石夯扩桩的工程造价和施工效率，佐证了水泥石灰钢渣碎石夯扩桩设计方案的经济性和总体优势。
关键词：路基;软土地基;沉降;复合地基承载力;水泥搅拌桩;水泥石灰钢渣碎石夯扩桩
0引言
软土的典型特征表现为渗透性差，强度低，孔隙比、压缩性以及含水率高，在公路路基建设过程中的工程特性相对较差，在软土广泛分布地区须采取一定的加固措施对其进行针对性的处治，否则会出现路基边坡承载力不足的问题，甚至在较大沉降下引起边坡失稳[1]。
软土处理是高速公路修建施工过程中的重点内容，决定了路基稳定性及后续高速公路运营过程中的路用性能和安全性能表现，因此须展开重点研究。有关公路软基土加固方案方面已有一定的研究基础：孙勇[2]针对地基软土在拓宽工程建设中稳定性不足的问题，搭建了MIDAS等有限元模型，模拟土工格栅加固方案的加固效果，分析了加筋层数对应力、位移和稳定性的影响规律，并得出了3层为土工格栅最佳加筋层数的结论。
刘海鹏等[3]为了解决地基软土承载力不足的问题，在掺加石灰加固的基础上，提出掺加酶固化剂的改良方案，设计了酶和石灰的复合改良对比组，并以CBR值表征加固结果，认为石灰和酶固化剂的复合改良方案能够提升地基软土承载能力，降低路基结构层设计厚度，降低经济成本。
杨慧等[4]在地基软土加固过程中引入了布袋灌注桩加固方案，在介绍布袋灌注桩承载力构成机理的基础上，通过ANSYS有限元分析软件，搭建了数据模型，研究灌注压力、桩长以及桩径等指标对模型中的地基软土加固后承载力影响规律，同时明确了布袋灌注桩表现为刚体特征，可发生无法恢复的下沉，进而引发周边土体下沉;刘胜群等[5]依托高速公路地基软土加固施工项目。
在分析工程现场土体性能的基础上，通过FLAC数值分析软件，搭建了地基软土承载力分析模型，研究碎石桩对地基软土的加固效果，对填筑过程中桩体塑性区特征、位移及应力变化规律进行分析，并对沉降变化数值进行统计，模拟结果表明：碎石桩能有效加固地基软土，提升其承载能力;王会永等[6]为研究沿海地区地基软土加固方案，提出了CFG桩加固设想，并运用FLAC数值分析软件进行模拟分析，以挤密度指标表征地基软土加固效果，对比并分析了单桩和群桩等方案，认为群桩法可更好地通过叠加效应提升地基软土挤密度，但其优势随桩距和桩径的提升而逐渐变小。
温宇轩等[7]依托地基软土处理加固项目实例，研究了水泥搅拌桩加固方案的应用，在分析水泥搅拌桩作用机理的基础上，从加固处理思路、设计、施工工艺、成桩质量分析等角度展开了论述，明确了水泥搅拌桩在地基软土处治加固中的关键控制因素;陈良志等[8]依托海堤地基软土加固工程，运用PLAXIS有限元软件，对比了实桩和复合指标建模的差异性，在模型数值分析对比的基础上得出了实桩建模方案能更为有效地表征土拱效应等现象，体现桩间土的约束情况。
综上所述，针对地基软土加固处理方案方面已有一定的研究基础，包括土工格栅加固方案、石灰酶固化剂复合改良方案、布袋灌注桩加固方案、碎石桩加固方案、CFG桩加固方案及水泥搅拌桩加固方案等，但涉及到水泥石灰钢渣碎石夯扩桩加固地基软土的研究较为薄弱，且现有研究较多倾向于模拟分析，从设计角度并在试验路段进行验证方面仍存在一定空白。
本文依托某高速公路软基土处理工程，对工程现场地基软土性能指标进行了检测，提出水泥石灰钢渣碎石夯扩桩加固方案，与传统水泥搅拌桩加固方案的机理进行对比分析;在对比两种软基土加固施工工艺的基础上，明确水泥石灰钢渣碎石夯扩桩设计方案的重点参数和关键工艺;对水泥石灰钢渣碎石夯扩桩试验段进行承载力检验和沉降变化监测，明确其软基土加固的有效性;最后，对比传统水泥搅拌桩和水泥石灰钢渣碎石夯扩桩的工程造价和施工效率，佐证水泥石灰钢渣碎石夯扩桩设计方案的经济性和总体优势。研究成果可为公路软基土加固工程研究及应用提供一定数据参考。
1工程概况
1.1地基软土特性
本文依托的某高速公路软基土处理工程的路基设计全宽为36.0m，施工范围内广泛分布有软弱性土体，其中大多为粉质黏土，呈软塑状态。该粉质黏土产生于静水环境，由沉积演变得到，厚度大多处于1.5～7.7m，部分区域软土厚度较浅，处于0.7～6.5m深度范围内。对工程现场地基软土样本性能指标进行检测，检测结果。
1.2原设计加固方案
原设计方案采取传统的水泥搅拌桩加固方案。设计桩径为ϕ50cm，考虑到沉降控制和稳定性提升的要求，确定了3种桩间距选择，分别为1.2，1.4，1.6m。其中，常规地基软土处理段采用1.6m设计桩间距，桥头过渡段地基软土处理段采用1.4m设计桩间距，涵洞下部及桥头地基软土处理段则采用1.2m设计桩间距。
桩体平面布置形式为等边三角形分布，水泥搅拌桩伸入稳定持力层的深度在60cm以上，加固范围延伸至坡脚向外60cm处。原设计水泥搅拌桩胶凝材料选择普通P·O42.5硅酸盐水泥，设计水灰比处于0.48～0.52范围，水泥掺配比例为软土质量的15%，设计要求通过水泥搅拌桩方案加固后地基软土承载力特征值在130kPa以上。
1.3水泥石灰钢渣碎石夯扩桩加固设计方案
依托上述高速公路地基软土加固项目，依据变更后新的设计方案进行试验段施工并展开分析，总结水泥石灰钢渣碎石夯扩桩设计方案的地基软土处治加固效果，并优化其设计参数、完善施工关键节点控制。变更后的水泥石灰钢渣碎石夯扩桩加固设计方案具体如下：水泥石灰钢渣碎石夯扩桩仅在常规地基软土处治段进行实施，该段路基填高4.37～5.25m，边坡坡率1∶1.5，试验阶段暂不包含桥头过渡地基软土处理段、涵洞下部及桥头地基软土处理段。
水泥石灰钢渣碎石夯扩桩的设计原材料主要包含四类，分别为山皮石、地基软土、石灰钢渣混合料和水泥，其掺配比例为60∶37∶2∶5，其中山皮石的最大粒径应控制在25cm以下，桩体平面布置形式为正方形分布，成孔直径设计为45cm，同时成桩后的桩径应在45cm以上，桩间距设计为1.80m，加固范围延伸至坡脚向外60cm处。
水泥石灰钢渣碎石夯扩桩设计桩长与原水泥搅拌桩方案保持一致，均为7.00m，伸入稳定持力层的深度也同样在60cm以上。水泥石灰钢渣碎石夯扩桩的设计桩身28天无侧限抗压强度R28=1.5MPa，设计要求单桩承载力达到160kPa以上，通过水泥石灰钢渣碎石夯扩桩方案加固后复合地基承载力特征值在135kPa以上，路基工后沉降≤30cm。
2加固机理对比分析
2.1承载机理分析
采用水泥石灰钢渣碎石搅拌而成的散体混合料分层夯实的桩，可以形成增强体，与挤密的桩间土一起组成复合地基，加固机理主要有以下三点：在成孔和成桩过程中，将地基软土中的孔隙进行压缩、降低地基软土含水率，对桩周的地基软土挤压产生挤密作用，并增强地基软土有效应力;成桩后地基土中的水渗透到桩体中，混合料中的水泥、石灰吸水，产生水化反应，形成胶凝物质，黏结固化桩体混合料中的碎石、钢渣等材料，提高桩体的整体性和强度。
石灰经吸水消解体积发生膨胀，进一 步对桩周土体挤压的同时增加桩-土间的摩阻力，提高复合地基的承载能力，同时与桩周黏土颗粒发生一系列离子交换、凝硬反应和碳酸化反应，增大了桩土界面桩周土的强度。经水泥石灰钢渣碎石夯扩桩处理后，使松软的原状地基变成土的密实度显著增加、承载力大幅提高、沉降量得到有效控制、沉降期大为缩短的复合地基。
2.2承载能力提升分析
原水泥搅拌桩设计方案在成桩钻进时将地基软土和水泥充分混合，水泥中的活性成分与地基软土中的水分充分结合并发生水化化学反应，从而形成水泥石桩体骨架，在硬化完全后构成承载力充足的水泥土结构。因此，该方案可有效增强桩体强度和承载能力，但对桩周土体的影响则相对有限。
与之不同的是水泥石灰钢渣碎石夯扩桩在处治地基软土和增强承载力过程中依靠的是多种的自应力增强作用，在粉化、膨胀、挤密等一系列作用下，除了桩身自身的增强作用外，桩周土和桩底土的承载能力同样也会在该作用下得到加强。
理论上可根据桩土材料弹塑性质将其划分为三种类型，并对比分析其应力-应变对应规律。相较于水泥搅拌桩应力-应变对应规律曲线，应力桩能促进桩周土和桩底土承载能力的加强，在应力-应变对应规律上表现为曲线上移，可认为水泥石灰钢渣碎石夯扩桩的适应性更佳，对地基软土及其他各类土体均有更好的处治加固效果。
3施工工艺、施工注意事项及质量检验要求
3.1施工工艺分析
在全面实施水泥石灰钢渣碎石夯扩桩施工前，应首先在试验段进行试桩，试桩的水泥石灰钢渣碎石夯扩桩数目为20根，在试桩过程中总结出基本工艺流程。
原设计方案的水泥搅拌桩施工过程相对较为复杂且隐蔽性较高，质量把控具备一定的难度，而设计变更后的水泥石灰钢渣碎石夯扩桩则工序较为简单且可见性好，在成桩过程中便于查看与检测，从而有效实现质量把控。
3.2施工注意事项
试验段水泥石灰钢渣碎石夯扩桩选用SK-1步履式长螺旋钻机，钻头直径为45.0cm，螺旋钻杆长为15.0m，桩底虚土厚在50.0cm以内，控制成孔倾斜度在1.0%以下，孔径偏差在0.5cm以内，孔位偏差在5.0cm以内。拌和过程中应以拌合料色泽均一、目视无色差为宜，并于当日使用完毕。夯实过程中，在投入山皮石前应先空夯3～4次，选用的夯锤重600kg，直径为43.0cm。单次入料体积不应超过0.20m3，夯击落锤高度在2.5m以上，且夯击次数在6次以上。成桩后铺设50.0cm砂垫层，并在其中间位置布设聚丙烯土工格栅。
3.3质量检验要求
结合现行规范要求，对水泥石灰钢渣碎石夯扩桩进行质量检验。在成桩28天后进行钻探取芯，进行无侧限抗压强度试验，抽检频率应为总桩数的1%～2%。强度值应达到大于1.5MPa。在成桩28天或90天后进行单桩承载力和复合地基承载力荷载试验，检验频率为总桩数的0.2%～0.5%，且不应少于3处。要求测定的单桩承载力大于160kPa，复合地基承载力大于135kPa。桩径大于45cm、桩长允许偏差±10cm、桩距允许偏差±15cm。
4试验检测结果
试验段长314.5m，水泥石灰钢渣碎石夯扩桩按照正方形分布桩体平面布置形式，共计水泥石灰钢渣碎石夯扩桩4651根。
4.1钻芯结果
选取了60根水泥石灰钢渣碎石夯扩桩，进行成桩28天钻芯检测，将每根桩体等分为两段，各截取3个芯样进行无侧限抗压强度试验，取芯过程中为降低芯样的扰动，采用双管单动取样器钻取芯样。无侧限抗压强度R28=1.61～2.44MPa，均达到了设计强度。
4.2承载力检验结果
采用平板载荷试验检测单桩和复合地基承载力，载荷检测最大加载量为270kPa进行堆载检测。经检测，试验段的20根水泥石灰钢渣碎石夯扩桩单桩承载力175～190kPa，加固后的复合地基承载力145～165kPa，均满足设计目标要求。
4.3沉降监测分析
该路段在路堤中心和两侧路肩埋置沉降观测板进行观测，路基填筑期3个月，等载预压期6个月，卸载期1个月，路面摊铺期2个月，沉降监测期共12个月。施工期：每填筑一层观测一次，预压期：第一个月每三天观测一次，第二、第三个月每七天观测一次，自第四个月起每半个月观测一次，直至预压期结束。
通过把复合地基加固区的桩间土和桩体考虑成一个整体，然后利用分层总和法计算工后沉降。经过地基处理、路基填筑和6个月的预压期后，沉降速率4.7mm/月(小于设计容许沉降速率5.0mm/月)，地基沉降49.1～51.9cm，设计总沉降65.0cm，工后沉降15.9~13.1cm(小于设计容许工后沉降30.0cm)。通过其中一典型试验路堤断面沉降监测情况进行分析。可以发现，1~3个月的沉降速率最快，前6个月即趋于80%以上的沉降量，后续沉降速率减缓。在行车荷载和自重沉降等复合条件的影响下，12个月时已经达到了稳定状态。
5工程造价和施工效率分析
原设计方案采用水泥搅拌桩加固，按照等边三角形分布桩体，平面布置共计水泥搅拌桩6724根;后经设计变更为水泥石灰钢渣碎石夯扩桩加固方案，按照正方形分布桩体平面布置形式，共计水泥石灰钢渣碎石夯扩桩4651根，二者的工程量及造价对比情况，可以发现水泥石灰钢渣碎石夯扩桩加固方案的总造价为146.51万元，比水泥搅拌桩加固方案总造价低22.18%。
在施工效率方面，水泥搅拌桩加固方案成桩速率约5.2min/m，全部完成约244753.6分钟，即4079小时;水泥石灰钢渣碎石夯扩桩加固方案成桩速率约1.4min/m，全部完成约45579.8分钟，即760小时，即施工速度可提升5.37倍。因此，可认为变更后水泥石灰钢渣碎石夯扩桩加固方案总造价更低且施工效率提升明显。水泥石灰钢渣碎石夯扩桩和水泥搅拌桩方案的综合对比情况。
6结语
本文依托某高速公路软基土处理工程，对工程现场地基软土性能指标进行了检测，提出了水泥石灰钢渣碎石夯扩桩加固方案，并与传统水泥搅拌桩设计方案的加固机理进行了对比分析;在对比两种软基土加固施工工艺的基础上，明确水泥石灰钢渣碎石夯扩桩设计方案的重点参数和关键工艺;对水泥石灰钢渣碎石夯扩桩试验段进行承载力检验和沉降变化监测，明确其软基土加固的有效性;对比水泥搅拌桩设计方案和水泥石灰钢渣碎石夯扩桩设计方案的工程造价和施工效率，得出主要结论：
(1)水泥石灰钢渣碎石夯扩桩山皮石、地基软土、粉体外加剂和水泥掺配比例为60∶37∶2∶5。(2)水泥石灰钢渣碎石夯扩桩在水化反应、膨胀、挤密等一系列作用下，除了桩身自身的增强作用外，桩周土和桩底土的承载能力同样也会在该作用下得到加强(3)水泥石灰钢渣碎石夯扩桩能促进桩周土和桩底土承载能力的加强，在应力-应变对应规律示意图上表现为曲线上移。(4)水泥石灰钢渣碎石夯扩桩加固方案的总造价为146.51万元，比水泥搅拌桩加固方案总造价低22.18%，同时施工速度可提升5.37倍。
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作者：杨兴华，王晓帆
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