大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁加固技術的多維度研究與工程實踐一、引言1.1研究背景與意義隨著我國基礎設施建設的大力推進，在濕陷性黃土地區(qū)進行隧道工程建設的需求日益增長。濕陷性黃土作為一種特殊的土類，其土質(zhì)疏松，孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育，在天然狀態(tài)下，壓縮性較低且強度尚可，但在一定壓力下受水浸濕時，結(jié)構會迅速破壞，導致土體下沉，產(chǎn)生顯著的濕陷變形。這種特殊的工程性質(zhì)給隧道建設帶來了諸多難題，嚴重威脅著隧道的安全與穩(wěn)定。在濕陷性黃土地區(qū)修建隧道時，隧道地基容易出現(xiàn)濕陷、變形、沉降等問題。例如，當隧道穿越濕陷性黃土層時，由于黃土的濕陷性，在隧道施工過程中，一旦地基土體受到擾動或遇水浸濕，就可能導致地基承載力大幅下降，從而引起隧道襯砌結(jié)構的開裂、變形，甚至坍塌。如某鐵路客運專線處于濕陷性黃土地區(qū)，隧道主要穿過新黃土，質(zhì)地均勻、結(jié)構疏松、孔隙比大，具高壓縮性，遇水易崩解濕陷，該場地屬中等～嚴重自重濕陷性場地，自重濕陷深度15-25米，建成后的隧道產(chǎn)生了較大的基底變形，嚴重影響了隧道的正常使用和運營安全。此外，濕陷性黃土的濕陷變形還具有不可恢復性，一旦發(fā)生濕陷，即使采取加固措施，也難以完全恢復到原始狀態(tài)，這給隧道的后期維護和修復帶來了極大的困難。為了解決濕陷性黃土地區(qū)隧道地基的穩(wěn)定性問題，確保隧道工程的安全可靠，需要采用有效的地基加固技術。水泥土擠密樁加固技術作為一種常用的地基處理方法，在濕陷性黃土地區(qū)的隧道建設中具有重要的應用價值。該技術通過在地基中設置水泥土擠密樁，利用成樁過程中的擠密作用，使樁周土體密實度增加，孔隙比減小，從而提高地基土體的強度和穩(wěn)定性。同時，水泥土擠密樁本身具有較高的強度，與樁間土共同形成復合地基，能夠有效地分擔上部荷載，減少地基沉降。此外，水泥土擠密樁加固技術還具有施工工藝簡單、施工速度快、工程造價低等優(yōu)點，適用于各種規(guī)模的隧道工程。研究大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁加固技術具有重要的現(xiàn)實意義。一方面，通過對該技術的深入研究，可以進一步完善濕陷性黃土地區(qū)隧道地基處理的理論和方法，為隧道工程的設計和施工提供科學依據(jù)；另一方面，該技術的成功應用可以有效解決濕陷性黃土地區(qū)隧道建設中的難題，提高隧道的安全性能和使用壽命，保障隧道工程的順利建設和運營，促進區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀國外對濕陷性黃土的研究起步較早，在黃土的工程性質(zhì)、濕陷機理以及地基處理方法等方面取得了一系列成果。美國、日本、俄羅斯等國家在濕陷性黃土地區(qū)的基礎設施建設中，積累了豐富的工程經(jīng)驗，并開展了相關的理論研究。在濕陷性黃土的工程性質(zhì)研究方面，國外學者通過大量的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場測試，對黃土的顆粒組成、孔隙結(jié)構、物理力學性質(zhì)等進行了深入分析。例如，美國學者通過對不同地區(qū)濕陷性黃土的研究，揭示了黃土的濕陷性與顆粒組成、含水量、壓實度等因素之間的關系。日本學者則利用微觀測試技術，對黃土的微觀結(jié)構進行了研究，探討了黃土濕陷變形的微觀機制。在濕陷性黃土隧道地基處理方面，國外主要采用強夯法、灰土擠密樁法、預浸水法等傳統(tǒng)方法。強夯法通過強大的夯擊能，使地基土體密實，提高地基承載力，但該方法對周圍環(huán)境影響較大，且不適用于處理深度較深的地基?；彝翑D密樁法是在地基中設置灰土樁，通過擠密作用和灰土的化學反應，提高地基土體的強度和穩(wěn)定性，該方法在國外應用較為廣泛，但對于大斷面隧道地基的加固效果有限。預浸水法是通過預先對地基進行浸水，使黃土產(chǎn)生濕陷變形，從而消除或減小地基的濕陷性，該方法適用于處理自重濕陷性黃土場地，但需要較長的處理時間和大量的水資源。關于水泥土擠密樁技術，國外學者對其加固機理、施工工藝和工程應用進行了研究。在加固機理方面，研究表明水泥土擠密樁通過成樁過程中的擠密作用和水泥與土的化學反應，使樁周土體密實度增加，樁體強度提高，從而形成復合地基，提高地基的承載能力。在施工工藝方面，國外開發(fā)了多種成孔設備和施工方法，如螺旋鉆機成孔、沖擊鉆機成孔等，以提高施工效率和質(zhì)量。在工程應用方面，水泥土擠密樁技術在國外的道路、橋梁、建筑等工程中得到了一定的應用，但在大斷面濕陷性黃土隧道地基加固中的應用相對較少。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對濕陷性黃土的研究始于20世紀50年代，隨著我國基礎設施建設的大規(guī)模開展，在濕陷性黃土地區(qū)修建了大量的鐵路、公路、橋梁、隧道等工程，積累了豐富的工程實踐經(jīng)驗，同時也開展了深入的理論研究，取得了豐碩的成果。在濕陷性黃土的工程性質(zhì)和濕陷機理研究方面，國內(nèi)學者進行了大量的試驗研究和理論分析。通過對不同地區(qū)濕陷性黃土的物理力學性質(zhì)測試，建立了黃土濕陷性的評價指標體系，深入研究了黃土濕陷變形的影響因素和濕陷機理。例如，通過室內(nèi)三軸試驗、濕陷性試驗等，分析了黃土的應力應變關系、濕陷起始壓力、濕陷系數(shù)等參數(shù)，揭示了黃土濕陷變形的力學機制。在濕陷性黃土隧道地基處理技術方面，國內(nèi)進行了廣泛的研究和應用。除了傳統(tǒng)的地基處理方法外，還發(fā)展了一些新的技術和方法。如采用高壓旋噴樁加固濕陷性黃土隧道地基，通過高壓噴射水泥漿，使土體與水泥漿混合形成加固體，提高地基承載力和抗變形能力。采用CFG樁（水泥粉煤灰碎石樁）復合地基處理濕陷性黃土隧道地基，利用CFG樁的高承載力和樁間土的協(xié)同作用，有效減小地基沉降。此外，還結(jié)合工程實際，對多種地基處理方法進行了組合應用，取得了良好的效果。關于水泥土擠密樁技術在濕陷性黃土隧道地基加固中的應用，國內(nèi)開展了大量的研究和工程實踐。在加固機理研究方面，進一步深入探討了水泥土擠密樁的擠密效應、置換效應和膠結(jié)效應，分析了樁土相互作用機理和復合地基的承載特性。在施工工藝方面，不斷優(yōu)化成孔工藝、填料制備和夯實工藝，提高施工質(zhì)量和效率。例如，采用長螺旋鉆機成孔，具有成孔速度快、垂直度高、對周圍土體擾動小等優(yōu)點；在填料制備過程中，嚴格控制水泥和土的配合比、含水量等參數(shù)，確保水泥土的質(zhì)量；在夯實工藝方面，采用重錘夯實或強夯法，提高樁體的密實度和強度。在工程應用方面，水泥土擠密樁技術在我國濕陷性黃土地區(qū)的隧道工程中得到了廣泛應用，并取得了良好的工程效果。通過現(xiàn)場監(jiān)測和工程實例分析，驗證了該技術在提高濕陷性黃土隧道地基承載力、減小地基沉降方面的有效性。然而，目前對于大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁加固技術的研究還存在一些不足。在理論研究方面，雖然對水泥土擠密樁復合地基的承載特性和變形機理有了一定的認識，但仍不夠完善，缺乏考慮大斷面隧道特殊受力條件和施工過程影響的理論模型。在施工技術方面，如何進一步提高施工質(zhì)量的控制水平，確保水泥土擠密樁的均勻性和完整性，以及如何減少施工過程對周圍土體和環(huán)境的影響，還需要進一步研究和探索。在工程應用方面，不同地區(qū)濕陷性黃土的性質(zhì)差異較大，需要針對具體工程條件，進一步優(yōu)化水泥土擠密樁的設計參數(shù)和施工工藝，以提高技術的適應性和可靠性。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容水泥土擠密樁加固技術原理研究：深入剖析水泥土擠密樁在大斷面濕陷性黃土隧道地基中的加固原理，包括擠密效應、置換效應以及水泥與土之間的物理化學反應。通過室內(nèi)試驗，研究不同水泥摻量、土樣性質(zhì)等因素對水泥土物理力學性質(zhì)的影響規(guī)律，如抗壓強度、抗剪強度、壓縮模量等指標的變化，為后續(xù)的施工工藝和設計參數(shù)優(yōu)化提供理論基礎。施工工藝研究：詳細研究水泥土擠密樁的施工工藝流程，包括成孔工藝、水泥土制備與運輸、填料夯實等環(huán)節(jié)。對不同的成孔方法，如長螺旋鉆機成孔、沖擊鉆機成孔、洛陽鏟成孔等進行對比分析，研究其適用條件、施工效率以及對周圍土體的擾動情況。優(yōu)化水泥土的配合比設計，確定最佳的水泥摻量、土料選擇和含水量控制范圍，以保證水泥土的質(zhì)量和樁體的強度。同時，研究填料夯實的工藝參數(shù)，如夯擊次數(shù)、夯擊能量等，確保樁體的密實度和均勻性?，F(xiàn)場試驗研究：選擇典型的大斷面濕陷性黃土隧道工程作為試驗場地，進行水泥土擠密樁加固地基的現(xiàn)場試驗。在試驗過程中，對不同形狀和參數(shù)的擠密樁進行試驗參數(shù)的檢測和分析，包括樁身完整性、樁體強度、樁間土擠密效果等。通過埋設監(jiān)測儀器，對地基加固前后的沉降、位移、孔隙水壓力等參數(shù)進行實時監(jiān)測，分析擠密樁加固技術對地基變形特性的影響。同時，觀察施工過程中出現(xiàn)的問題，及時總結(jié)經(jīng)驗，為施工工藝的改進提供依據(jù)。數(shù)值模擬研究：采用有限元軟件，建立大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁加固的數(shù)值模型，模擬不同工況下地基的受力和變形情況。通過數(shù)值模擬，分析擠密樁的布置形式、樁長、樁徑、樁間距等參數(shù)對地基承載力和沉降的影響規(guī)律，優(yōu)化擠密樁的設計參數(shù)。同時，研究施工過程中地基的應力應變變化，預測施工過程中可能出現(xiàn)的問題，為施工方案的制定提供參考。工程應用案例分析：收集和整理國內(nèi)外大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁加固技術的工程應用案例，對這些案例進行詳細的分析和總結(jié)。對比不同工程案例中水泥土擠密樁的設計參數(shù)、施工工藝、加固效果等，探討該技術在不同地質(zhì)條件和工程要求下的適應性和可靠性?？偨Y(jié)工程應用中存在的問題和經(jīng)驗教訓，為今后類似工程的設計和施工提供借鑒。1.3.2研究方法文獻研究法：廣泛查閱國內(nèi)外相關文獻資料，包括學術論文、研究報告、工程案例等，了解濕陷性黃土的工程性質(zhì)、隧道地基處理技術以及水泥土擠密樁加固技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為課題研究提供理論支持和參考依據(jù)。室內(nèi)試驗法：開展室內(nèi)試驗，包括黃土的基本物理力學性質(zhì)試驗、水泥土配合比試驗、水泥土物理力學性質(zhì)試驗等。通過室內(nèi)試驗，研究黃土的濕陷特性、水泥與土的相互作用機理以及不同因素對水泥土性能的影響，為現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬提供基礎數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場試驗法：在實際工程現(xiàn)場進行水泥土擠密樁加固地基的試驗，對試驗過程和結(jié)果進行詳細記錄和分析。現(xiàn)場試驗可以真實地反映水泥土擠密樁在大斷面濕陷性黃土隧道地基中的加固效果和施工過程中存在的問題，為技術的優(yōu)化和工程應用提供直接的依據(jù)。數(shù)值模擬法：利用有限元軟件建立數(shù)值模型，對大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁加固過程進行模擬分析。數(shù)值模擬可以彌補現(xiàn)場試驗的不足，能夠方便地改變各種參數(shù)，研究不同因素對地基加固效果的影響，為擠密樁的設計和施工提供理論指導。案例分析法：對國內(nèi)外已有的大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁加固技術的工程應用案例進行深入分析，總結(jié)成功經(jīng)驗和失敗教訓，為本次研究提供實踐參考，同時也為該技術的進一步推廣應用提供有益的借鑒。二、濕陷性黃土特性及對隧道地基的影響2.1濕陷性黃土的特征與分布濕陷性黃土作為一種特殊的土類，具有獨特的特征。其顏色通常呈黃色、褐黃色或灰黃色，這是在干旱或半干旱氣候條件下長期沉積形成的標志性色澤。在顆粒組成方面，我國濕陷性黃土主要以粉土顆粒為主，約占總重量的50%-70%。其中，0.05-0.01mm的粗粉土顆粒含量居多，約占總重的40%-60%，而小于0.005mm的粘土顆粒較少，僅占總重的14%-28%，大于0.1mm的細砂顆粒占總重一般在5%以內(nèi)，基本不存在大于0.25mm的中砂顆粒。從礦物成分來看，粗顆粒主要是石英和長石，粘粒中則主要是中等親水性的伊利石，且土中含有較多呈固態(tài)或半固態(tài)分布在各種顆粒表面的水溶鹽。濕陷性黃土的孔隙比較大，一般在1.0左右，甚至更大，呈現(xiàn)出結(jié)構疏松、孔隙發(fā)育的特點。這種特殊的孔隙結(jié)構使得黃土在天然狀態(tài)下具有較高的強度和較低的壓縮性，但同時也為濕陷性的產(chǎn)生埋下了隱患。黃土還具有垂直節(jié)理發(fā)育的特征，垂直方向滲透性強，多裂隙性明顯，這使得地表水能夠迅速滲透至地下，對黃土的工程性質(zhì)產(chǎn)生影響。在全球范圍內(nèi)，黃土分布較為廣泛，約占陸地總面積的9.3%。各大洲均有黃土覆蓋，其中歐洲黃土覆蓋面積約占其總面積的7%，北美約占5%，南美約占10%，亞洲約占3%，在澳大利亞、北非也有零星分布。而我國是世界上黃土分布面積最廣的國家之一，黃土分布面積達63.528萬平方公里，約占世界黃土分布總面積的4.9%。我國濕陷性黃土分布面積約為27萬平方公里，占我國黃土分布總面積的60%左右，主要集中在北緯33°-47°，以34°-45°之間最為發(fā)育，處于干旱、半干旱氣候類型區(qū)域。具體分布區(qū)域北起長城附近，南達秦嶺，西自烏鞘嶺，東至太行山，即北緯34°-41°，東經(jīng)102°-114°之間。在這一區(qū)域內(nèi)，濕陷性黃土一般覆蓋在下臥的非濕陷性黃土層上，其厚度在六盤山以西地區(qū)較大，可達30米，六盤山以東地區(qū)稍薄，如汾渭河谷多為幾米至十幾米，再向東至河南西部則更薄，且存在非濕陷性黃土位于濕陷性黃土層之間的情況。2.2濕陷性黃土的工程特性2.2.1濕陷性濕陷性是濕陷性黃土最為顯著的工程特性。在天然含水量狀態(tài)下，濕陷性黃土通常具備較高的強度和較低的壓縮性。這是因為在天然狀態(tài)下，黃土顆粒間存在著由各種化學物質(zhì)如鋁、鐵物質(zhì)和一些無定型的鹽類等形成的膠結(jié)和半膠結(jié)作用，使得粗粉粒和砂粒構成的骨架被牢固粘結(jié)，從而賦予黃土較高的強度。然而，當黃土在一定壓力作用下受水浸濕時，情況發(fā)生了急劇變化。水對顆粒接觸點處的膠結(jié)物起到了軟化作用，使得原本牢固的粘結(jié)力大幅削弱，土的結(jié)構迅速破壞，進而發(fā)生顯著的附加下沉，強度也隨之迅速降低。這種濕陷變形具有突變性、非連續(xù)性和不可逆性的特點。突變性表現(xiàn)為一旦黃土遇水浸濕，在短時間內(nèi)就會產(chǎn)生明顯的濕陷變形，變形量可能在數(shù)小時或數(shù)天內(nèi)急劇增加；非連續(xù)性是指濕陷變形并非均勻、連續(xù)地發(fā)生，而是在某些部位或?qū)用嫱蝗怀霈F(xiàn)較大的變形；不可逆性則意味著濕陷變形一旦產(chǎn)生，即使后續(xù)采取排水等措施，也難以使土體恢復到原始狀態(tài)，這種變形會對工程結(jié)構造成永久性的損害。濕陷性黃土又可進一步分為自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土。自重濕陷性黃土是指在上覆土層自重應力作用下，受水浸濕后就會發(fā)生顯著附加下沉的黃土。例如，在某些地區(qū)，地下水位上升或大量降雨后，即使沒有額外的外部荷載，僅由于土體自身重量的作用，自重濕陷性黃土就會產(chǎn)生濕陷變形，導致地面下沉、建筑物基礎開裂等問題。而非自重濕陷性黃土則是在自重應力和附加應力共同作用下，受水浸濕才會發(fā)生顯著附加下沉的黃土。這意味著非自重濕陷性黃土需要在有外部荷載施加的情況下，遇水浸濕才會產(chǎn)生明顯的濕陷變形。在實際工程中，準確判斷黃土是自重濕陷性還是非自重濕陷性至關重要，因為這直接關系到地基處理方法的選擇和工程的安全性。2.2.2崩解性濕陷性黃土大多具有遇水后迅速崩解的特性，且以塊狀崩解為主，崩解曲線陡立。當濕陷性黃土遇水時，水分迅速侵入土體內(nèi)部，使得土顆粒間的連接力被削弱。由于黃土結(jié)構中粗粉粒和砂粒構成的骨架在遇水后失去了膠結(jié)物的有效粘結(jié)，土體無法維持原有的結(jié)構完整性，從而導致崩解現(xiàn)象的發(fā)生。在雨水較多的季節(jié)，暴露在外的濕陷性黃土邊坡在遭受雨水沖刷后，常常會出現(xiàn)大塊土體崩落的情況，這不僅影響了邊坡的穩(wěn)定性，還可能對周邊的道路、建筑物等造成威脅。2.2.3多裂隙性黃土垂直節(jié)理發(fā)育，垂直方向滲透性強，多裂隙性明顯。黃土的垂直節(jié)理是在其形成過程中，由于地質(zhì)作用和土體的干燥收縮等因素而逐漸形成的。這些垂直節(jié)理使得黃土在垂直方向上的滲透性遠大于水平方向，地表水能夠迅速通過垂直節(jié)理滲透至地下。這種多裂隙性對黃土的工程性質(zhì)產(chǎn)生了多方面的影響。一方面，裂隙的存在降低了黃土的整體性和強度，使得土體在受力時容易沿著裂隙面發(fā)生破壞。在隧道開挖過程中，當遇到多裂隙的濕陷性黃土時，圍巖更容易出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，因為裂隙削弱了土體的承載能力，無法有效地抵抗隧道開挖引起的應力變化。另一方面，地表水通過裂隙滲透到地下，會使深部黃土處于飽水狀態(tài)，進一步加劇了黃土的濕陷性和崩解性。例如，在一些黃土地區(qū)，由于地表水通過裂隙大量滲入地下，導致地下水位上升，原本處于非飽和狀態(tài)的濕陷性黃土變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，從而引發(fā)了地基的濕陷變形，對建筑物的基礎造成了嚴重破壞。2.3濕陷性對隧道地基的影響機制從力學角度來看，濕陷性黃土的濕陷變形會對隧道地基產(chǎn)生復雜且關鍵的影響，其導致隧道地基沉降、變形的過程和原理涉及多個力學因素的相互作用。在隧道建設之前，濕陷性黃土處于天然的應力平衡狀態(tài)，土顆粒之間通過各種化學物質(zhì)形成的膠結(jié)和半膠結(jié)作用相互連接，構成相對穩(wěn)定的土體結(jié)構。然而，當隧道施工開始后，這種平衡被打破。一方面，隧道開挖改變了土體原有的應力分布，使得地基土體受到新的附加應力作用。在隧道頂部，由于上方土體的自重壓力和隧道開挖引起的應力集中，使得頂部土體所受壓力增大；在隧道底部，地基土體不僅要承受上方土體的重量，還要承受隧道襯砌結(jié)構傳遞下來的荷載，導致底部土體的應力狀態(tài)發(fā)生顯著變化。另一方面，當濕陷性黃土遇水浸濕時，其內(nèi)部的物理化學性質(zhì)發(fā)生改變。水對土顆粒間的膠結(jié)物起到軟化作用，削弱了顆粒之間的粘結(jié)力，使得土體結(jié)構迅速破壞。同時，黃土的孔隙結(jié)構也因水的侵入而發(fā)生變化，原本的大孔隙和垂直節(jié)理被水填充，土體的有效應力發(fā)生轉(zhuǎn)移。根據(jù)有效應力原理，土體的有效應力等于總應力減去孔隙水壓力。在濕陷性黃土遇水浸濕過程中，孔隙水壓力迅速增大，導致有效應力減小，土體的抗剪強度隨之降低。在這些因素的共同作用下，隧道地基開始發(fā)生沉降和變形。對于自重濕陷性黃土，即使沒有隧道施工產(chǎn)生的附加應力，僅在自重應力作用下，受水浸濕后也會發(fā)生顯著的附加下沉。這種下沉會導致隧道底部地基的不均勻沉降，使得隧道襯砌結(jié)構承受不均勻的壓力，從而產(chǎn)生裂縫、變形甚至坍塌等病害。在一些自重濕陷性黃土地區(qū)的隧道工程中，由于地基的不均勻沉降，隧道襯砌出現(xiàn)了大量的裂縫，嚴重影響了隧道的結(jié)構安全和使用壽命。對于非自重濕陷性黃土，在隧道施工產(chǎn)生的附加應力和水的共同作用下，也會發(fā)生明顯的濕陷變形。隧道施工過程中的爆破、機械開挖等作業(yè)會對地基土體產(chǎn)生擾動，降低土體的強度和穩(wěn)定性。當土體遇水浸濕時，在附加應力的作用下，土顆粒之間的結(jié)構進一步破壞，導致地基沉降和變形。在某非自重濕陷性黃土地區(qū)的隧道施工中，由于施工過程中對地基土體的擾動，以及后續(xù)降雨導致地基土體浸濕，隧道地基出現(xiàn)了較大的沉降，使得隧道的初期支護結(jié)構發(fā)生變形，不得不進行臨時加固處理。此外，濕陷性黃土的濕陷變形還具有時間效應。在濕陷變形初期，由于土體結(jié)構的快速破壞和應力的重新分布，變形速率較快。隨著時間的推移，土體逐漸趨于新的穩(wěn)定狀態(tài)，變形速率逐漸減緩，但變形仍可能持續(xù)發(fā)展。這種時間效應增加了隧道地基變形的復雜性和不確定性，對隧道的長期穩(wěn)定性構成威脅。在一些長期運營的濕陷性黃土地區(qū)隧道中，雖然在施工后初期采取了相應的地基加固措施，但隨著時間的推移，由于地基濕陷變形的持續(xù)發(fā)展，隧道襯砌結(jié)構仍然出現(xiàn)了不同程度的病害。三、水泥土擠密樁加固技術原理3.1加固技術概述水泥土擠密樁加固技術是一種用于提高地基承載力、增強地基穩(wěn)定性以及改善地基土工程性質(zhì)的地基處理方法。該技術通過在地基中設置水泥土擠密樁，利用成樁過程中的各種作用，使樁周土體和樁體自身的性質(zhì)得到改善，從而形成復合地基，共同承擔上部荷載。其主要原理涉及擠密效應、置換效應以及水泥與土之間的物理化學反應。在濕陷性黃土地區(qū)的隧道工程中，水泥土擠密樁加固技術具有顯著的優(yōu)勢。首先，從提高地基承載力方面來看，濕陷性黃土在天然狀態(tài)下的地基承載力往往難以滿足隧道工程的要求。水泥土擠密樁在成樁過程中，通過對樁周土體的擠密作用，使土體的孔隙比減小，密實度增加。原本疏松的濕陷性黃土顆粒被擠壓得更加緊密，土顆粒之間的接觸面積增大，咬合力增強，從而提高了土體的抗剪強度和承載能力。例如，在某濕陷性黃土地區(qū)的隧道地基加固工程中，采用水泥土擠密樁加固后，地基承載力從加固前的80kPa提高到了180kPa，滿足了隧道工程對地基承載力的要求。其次，在減小地基沉降方面，水泥土擠密樁加固技術效果顯著。濕陷性黃土遇水浸濕后會產(chǎn)生顯著的濕陷變形，導致地基沉降過大。水泥土擠密樁與樁間土形成的復合地基，能夠有效地分散上部荷載，減小地基土中的附加應力。樁體的存在就像一個“骨架”，將上部荷載均勻地傳遞到深層土體中，避免了土體因局部應力集中而產(chǎn)生過大的沉降。同時，樁周土體的擠密作用也使得土體的壓縮性降低，進一步減小了地基的沉降量。在某隧道工程中，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，采用水泥土擠密樁加固后的地基，其沉降量比加固前減小了約60%，有效保障了隧道結(jié)構的穩(wěn)定性。再者，從消除黃土濕陷性角度分析，水泥土擠密樁加固技術具有獨特的作用。水泥與土之間發(fā)生的物理化學反應，生成了一些具有膠結(jié)性的物質(zhì)，如硅酸鈣、鋁酸鈣等。這些物質(zhì)填充了土顆粒之間的孔隙，增強了土顆粒之間的粘結(jié)力，從而改善了土體的結(jié)構，提高了土體的水穩(wěn)定性。使得濕陷性黃土在遇水浸濕時，不易發(fā)生結(jié)構破壞和濕陷變形，有效消除了黃土的濕陷性。在某濕陷性黃土場地的試驗中，經(jīng)過水泥土擠密樁加固后，黃土的濕陷系數(shù)從加固前的0.06降低到了0.01以下，達到了消除濕陷性的目的。此外，水泥土擠密樁加固技術還具有施工工藝相對簡單、施工速度快、工程造價低等優(yōu)點。與一些復雜的地基處理方法相比，水泥土擠密樁的施工設備和工藝較為常見，施工人員容易掌握，能夠在較短的時間內(nèi)完成地基加固施工。同時，該技術不需要大量的特殊材料和設備，降低了工程成本，具有較高的經(jīng)濟效益和社會效益。在一些大型隧道工程中，采用水泥土擠密樁加固技術，不僅縮短了施工周期，還降低了工程造價，取得了良好的工程效果。3.2加固作用機制在水泥土擠密樁施工過程中，樁錘夯擴成孔成樁具有關鍵作用。以沖擊鉆機成孔為例，在某濕陷性黃土隧道地基加固工程中，采用重錘沖擊成孔，重錘的沖擊力高達數(shù)十噸。在成孔時，重錘以強大的沖擊力作用于土體，使樁孔位置的土體被強制側(cè)向擠壓。這一過程中，樁周一定范圍內(nèi)的土體受到強烈的擠壓力，原本疏松的土體結(jié)構被破壞，土顆粒重新排列，孔隙被壓縮，從而使樁間土得到強力擠密加固。通過對該工程樁間土的檢測，發(fā)現(xiàn)成樁后樁間土的干密度從加固前的1.4g/cm3提高到了1.6g/cm3，孔隙比從0.9降低到了0.7，樁間土的強度得到了顯著提高。在擠密過程中，樁體與樁間土之間會產(chǎn)生相互的側(cè)向約束作用，緊密“咬合”在一起。樁體在擠密過程中對樁間土產(chǎn)生側(cè)向壓力，而樁間土也對樁體形成反作用力，這種相互作用增大了側(cè)壁摩阻力。在某隧道地基加固工程中，通過現(xiàn)場試驗測試，發(fā)現(xiàn)樁體與樁間土之間的側(cè)壁摩阻力比加固前提高了約30%，使得加固后的樁與樁間土形成一個密實整體，共同承擔上部荷載，承載性能得到顯著改善。水泥土擠密樁對原有地基土具有置換作用。水泥土擠密樁的樁體是由水泥和土按照一定比例混合、夯實而成，其強度遠高于周圍的濕陷性黃土。在某大斷面濕陷性黃土隧道地基加固工程中，水泥土擠密樁的樁體強度達到了5MPa，而周圍濕陷性黃土的強度僅為0.5MPa左右。當上部荷載作用時，樁體能夠承受大部分荷載，將荷載傳遞到深層土體中，從而減少了地基土所承受的壓力。通過數(shù)值模擬分析，在相同荷載作用下，采用水泥土擠密樁加固后的地基，其土體所承受的壓力比加固前降低了約40%，有效提高了地基的承載能力。3.3相關理論基礎水泥土擠密樁加固技術與復合地基理論密切相關。復合地基是指天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強，或被置換，或在天然地基中設置加筋材料，加固區(qū)是由基體（天然地基土體）和增強體兩部分組成的人工地基。在水泥土擠密樁復合地基中，水泥土擠密樁作為增強體，樁間土作為基體，二者共同承擔上部荷載。從復合地基的承載機理來看，在荷載作用下，水泥土擠密樁復合地基中的樁體和樁間土存在應力分擔現(xiàn)象。由于樁體的剛度大于樁間土，根據(jù)材料力學原理，在相同的變形條件下，剛度大的材料承擔的應力更大。因此，在復合地基中，樁體承擔了大部分的荷載，將荷載傳遞到深層土體中，從而減小了樁間土所承受的壓力。這種應力分擔作用使得復合地基的承載能力得到提高，相比天然地基能夠承受更大的荷載。在某大斷面濕陷性黃土隧道地基加固工程中，通過現(xiàn)場試驗測試發(fā)現(xiàn)，在相同荷載作用下，水泥土擠密樁復合地基中樁體承擔的荷載比例約為70%，樁間土承擔的荷載比例約為30%，有效提高了地基的承載能力。復合地基的變形特性也與水泥土擠密樁加固技術密切相關。復合地基的變形包括樁體的壓縮變形和樁間土的壓縮變形。樁體的壓縮變形主要取決于樁體材料的彈性模量和樁長，樁體彈性模量越大，樁長越長，樁體的壓縮變形越小。樁間土的壓縮變形則與樁間土的性質(zhì)、擠密效果以及樁土相互作用有關。通過水泥土擠密樁的擠密作用，樁間土的密實度增加，孔隙比減小，壓縮性降低，從而減小了樁間土的壓縮變形。在某濕陷性黃土隧道地基加固工程中，采用水泥土擠密樁加固后，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，地基的總沉降量明顯減小，其中樁體的壓縮變形占總沉降量的比例約為30%，樁間土的壓縮變形占總沉降量的比例約為70%，說明水泥土擠密樁有效地減小了地基的變形。此外，復合地基的破壞模式也影響著水泥土擠密樁加固技術的應用。復合地基的破壞模式主要有三種：樁體破壞、樁間土破壞和整體破壞。樁體破壞是指樁體在荷載作用下發(fā)生斷裂或壓碎，導致復合地基失去承載能力。樁間土破壞是指樁間土在荷載作用下發(fā)生剪切破壞或壓縮破壞，使得復合地基的變形過大。整體破壞是指樁體和樁間土共同發(fā)生破壞，導致復合地基整體失穩(wěn)。在水泥土擠密樁復合地基中，為了避免發(fā)生破壞，需要合理設計樁體的強度、樁間距、樁長等參數(shù)，確保樁體和樁間土能夠共同工作，充分發(fā)揮復合地基的承載能力。在某隧道地基加固工程中，通過數(shù)值模擬分析不同樁間距和樁長情況下復合地基的破壞模式，發(fā)現(xiàn)當樁間距過大或樁長過短時，容易發(fā)生樁間土破壞或整體破壞，而合理的樁間距和樁長能夠使復合地基以樁體破壞模式為主，充分發(fā)揮樁體的承載能力。四、工程案例分析4.1案例工程背景某大斷面濕陷性黃土隧道位于我國西北地區(qū)，該地區(qū)屬于典型的干旱、半干旱氣候，年降水量較少且集中，蒸發(fā)量大，氣候干燥，這使得濕陷性黃土廣泛分布。隧道所在區(qū)域的地質(zhì)構造較為復雜，受到長期的地質(zhì)運動影響，地層中存在多條斷裂帶，雖然隧道未直接穿越斷裂帶，但斷裂帶的存在對周邊地層的穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定影響。此外，該區(qū)域地下水位較深，一般在30-50米之間，然而在雨季，由于降水的入滲，地下水位會有一定程度的上升，這對濕陷性黃土的工程性質(zhì)產(chǎn)生了潛在威脅。隧道規(guī)模方面，其全長為3500米，設計為雙線隧道，凈寬14米，凈高10米，屬于大斷面隧道。這種大斷面的設計對隧道地基的承載能力和穩(wěn)定性提出了更高的要求。隧道主要穿越第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）和上更新統(tǒng)風積層（Q3eol），其中第四系全新統(tǒng)沖積層主要由粉質(zhì)黏土、粉土和細砂組成，厚度在5-15米之間，上更新統(tǒng)風積層則主要為濕陷性黃土，厚度較大，約為20-40米。該濕陷性黃土的孔隙比為1.1-1.3，天然含水量為12%-16%，液限為28%-32%，塑限為18%-22%，壓縮系數(shù)為0.2-0.5MPa?1，屬于中壓縮性土。根據(jù)現(xiàn)場浸水試驗和室內(nèi)土工試驗結(jié)果，該濕陷性黃土的濕陷等級為II-III級（中等-嚴重），自重濕陷深度為10-15米。在這種地質(zhì)條件下，隧道地基的穩(wěn)定性面臨嚴峻挑戰(zhàn)，若不采取有效的加固措施，隧道施工和運營過程中可能會出現(xiàn)地基沉降、變形、坍塌等問題。4.2水泥土擠密樁加固方案設計在確定水泥土擠密樁的樁徑時，需要綜合考慮多方面因素。樁徑大小直接影響到擠密效果和承載能力，同時也與施工難度和工程造價密切相關。一般來說，樁徑越大，樁體的承載能力越強，但施工難度也會相應增加，工程造價也會提高。在本工程中，結(jié)合現(xiàn)場濕陷性黃土的特性，前期進行了不同樁徑的室內(nèi)模擬試驗。模擬試驗設置了300mm、400mm、500mm三種樁徑，通過對不同樁徑下樁間土的擠密效果和復合地基承載能力的測試分析，發(fā)現(xiàn)當樁徑為400mm時，既能保證良好的擠密效果，使樁間土的孔隙比降低到0.75以下，滿足設計要求，又能在施工難度和工程造價之間達到較好的平衡。同時，參考類似工程的成功經(jīng)驗，如某濕陷性黃土地區(qū)的隧道地基加固工程，采用400mm樁徑的水泥土擠密樁，經(jīng)過多年運營，地基穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的沉降和變形問題。綜合考慮這些因素，最終確定本工程的水泥土擠密樁樁徑為400mm。樁長的確定同樣至關重要，它需要根據(jù)隧道地基的濕陷深度、土層分布以及設計對地基承載力和變形的要求來確定。在本工程中，根據(jù)詳細的地質(zhì)勘察報告，該隧道地基的濕陷深度為10-15米，且下部土層的承載力較低。為了確保能夠有效消除濕陷性，并滿足地基承載力和變形要求，通過理論計算和數(shù)值模擬分析，采用分層總和法計算地基沉降，結(jié)合復合地基承載力計算公式，對不同樁長情況下的地基沉降和承載能力進行計算分析。模擬結(jié)果表明，當樁長為12米時，能夠有效消除濕陷性，且地基的沉降量和承載能力均滿足設計要求。同時，考慮到施工過程中可能出現(xiàn)的樁身質(zhì)量問題和樁端持力層的不確定性，適當增加了一定的安全系數(shù)，最終確定樁長為13米。在某類似地質(zhì)條件的隧道工程中，采用13米樁長的水泥土擠密樁進行地基加固，通過現(xiàn)場監(jiān)測，地基的沉降量和濕陷性均得到了有效控制，滿足了工程的長期穩(wěn)定性要求。樁間距的設計直接影響到擠密效果和復合地基的承載性能。樁間距過小，會導致施工難度增加，樁體之間相互干擾，甚至可能出現(xiàn)樁體破壞的情況；樁間距過大，則無法達到預期的擠密效果，影響地基的承載能力。在本工程中，為了確定合理的樁間距，進行了現(xiàn)場試樁試驗。試樁試驗設置了0.8米、1.0米、1.2米三種樁間距，通過對不同樁間距下樁間土的擠密效果、復合地基承載力以及變形特性的測試分析，發(fā)現(xiàn)當樁間距為1.0米時，樁間土的擠密效果良好，樁間土的干密度達到1.65g/cm3以上，復合地基承載力滿足設計要求，且地基的變形較小。同時，結(jié)合理論計算，根據(jù)復合地基的應力分擔原理和變形協(xié)調(diào)條件，對不同樁間距下的地基應力和變形進行計算分析，驗證了樁間距為1.0米的合理性。參考相關規(guī)范和類似工程經(jīng)驗，最終確定本工程的水泥土擠密樁樁間距為1.0米。在某濕陷性黃土地區(qū)的道路地基加固工程中，采用1.0米樁間距的水泥土擠密樁，經(jīng)過多年的使用，地基穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的病害。在平面布置方面，本工程采用正三角形布置方式。這種布置方式具有均勻性好、擠密效果佳的優(yōu)點，能夠使樁間土在各個方向上受到較為均勻的擠密作用，從而提高地基的整體穩(wěn)定性。通過數(shù)值模擬分析不同布置方式下地基的應力分布和變形情況，發(fā)現(xiàn)正三角形布置方式下，地基中的應力分布更加均勻，樁間土的擠密效果更好，能夠有效減小地基的不均勻沉降。在實際工程中，正三角形布置方式也便于施工放線和控制樁位，提高施工效率和質(zhì)量。在某大型建筑地基加固工程中，采用正三角形布置的水泥土擠密樁，地基的承載能力和穩(wěn)定性得到了顯著提高，滿足了建筑物的長期使用要求。在材料配比上，水泥和土的選擇十分關鍵。水泥選用42.5級普通硅酸鹽水泥，這種水泥具有早期強度高、凝結(jié)時間適中、耐久性好等優(yōu)點，能夠保證水泥土樁體在較短時間內(nèi)達到設計強度，滿足施工進度和工程質(zhì)量要求。土料選用隧道附近的粉質(zhì)黏土，該土料顆粒均勻，塑性指數(shù)適中，有利于與水泥充分混合，形成具有良好力學性能的水泥土。通過室內(nèi)配合比試驗，研究不同水泥摻量（8%、10%、12%）和含水量（最優(yōu)含水量±2%）對水泥土強度和變形性能的影響。試驗結(jié)果表明，當水泥摻量為10%，含水量控制在最優(yōu)含水量（16%）時，水泥土的無側(cè)限抗壓強度達到最大值，28天無側(cè)限抗壓強度達到3.5MPa以上，滿足設計要求。同時，考慮到施工過程中的實際情況，對水泥土的和易性、流動性等性能進行了優(yōu)化，確保水泥土在施工過程中能夠順利填充到樁孔中，并保證樁體的密實度和均勻性。在某濕陷性黃土地區(qū)的橋梁地基加固工程中，采用10%水泥摻量和最優(yōu)含水量的水泥土，經(jīng)過現(xiàn)場檢測，水泥土樁體的強度和完整性良好，地基的承載能力和穩(wěn)定性得到了有效提高。4.3施工過程與關鍵技術控制在施工前，場地處理是首要環(huán)節(jié)。使用推土機、裝載機將隧道基底范圍內(nèi)的表層植被、腐殖土等全部清除，清除深度達到30-50cm，以確保場地無雜質(zhì)，避免對后續(xù)施工造成影響。清表土被運送到指定地點集中堆放，以便后續(xù)合理利用或處理。場地平整采用水準儀進行測量控制，確保地面平整度誤差控制在±50mm以內(nèi)，同時做好臨時排水設施，在場地周邊設置排水溝，排水溝的尺寸為寬50cm、深40cm，坡度為0.5%，保證地基處理范圍在施工過程中不積水，為施工創(chuàng)造良好的條件。平整后的地面標高根據(jù)設計要求，控制在設計樁頂標高以上20-30cm，以預留一定的施工操作空間。依據(jù)施工圖紙，采用全站儀對樁孔進行精確放樣定位。首先測放排、列控制樁，然后利用鋼尺丈量的方式，按照設計的樁間距確定每一個樁孔的位置，樁位偏差嚴格控制在±50mm以內(nèi)。為了清晰標記樁位，在樁位處打入灰釘，灰釘深度不小于250mm，并對樁位進行編號，建立詳細的樁位臺賬，便于施工過程中的管理和質(zhì)量控制。在某大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁施工中，通過嚴格的放樣定位，確保了樁位的準確性，為后續(xù)施工的順利進行奠定了基礎。成孔作業(yè)是水泥土擠密樁施工的關鍵環(huán)節(jié)之一，本工程根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件和施工要求，選用長螺旋鉆機成孔。長螺旋鉆機具有成孔速度快、垂直度高、對周圍土體擾動小等優(yōu)點。在鉆機就位時，通過調(diào)整鉆機的支腿和桅桿，使鉆機保持水平穩(wěn)固，確保鉆桿垂直于地面，垂直度偏差控制在1.5%以內(nèi)。在鉆進過程中，嚴格控制鉆進速度，根據(jù)不同土層的性質(zhì)進行調(diào)整，一般在濕陷性黃土層中，鉆進速度控制在1-2m/min，以保證成孔質(zhì)量。同時，密切關注鉆機的運行情況，如發(fā)現(xiàn)鉆機晃動、卡鉆等異?，F(xiàn)象，立即停止鉆進，查明原因并采取相應措施后再繼續(xù)施工。在某類似工程中，采用長螺旋鉆機成孔，成孔效率高，且成孔質(zhì)量良好，有效減少了對周圍土體的擾動，提高了地基的穩(wěn)定性。水泥土的制備是保證樁體質(zhì)量的關鍵。選用隧道附近的粉質(zhì)黏土作為土料，該土料顆粒均勻，塑性指數(shù)適中，有利于與水泥充分混合。水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，具有早期強度高、凝結(jié)時間適中、耐久性好等優(yōu)點。通過室內(nèi)配合比試驗，確定水泥摻量為10%（重量比），含水量控制在最優(yōu)含水量16%±2%。在攪拌過程中，采用強制式攪拌機，確保水泥和土充分攪拌均勻，攪拌時間不少于3min。為了保證水泥土的質(zhì)量，每臺班對水泥土的配合比、含水量進行抽樣檢測，檢測頻率為每臺班不少于3次。在某濕陷性黃土隧道地基加固工程中，通過嚴格控制水泥土的制備質(zhì)量，水泥土樁體的強度和均勻性得到了有效保障，提高了地基的承載能力。水泥土制備完成后，采用專用的運輸車將其運至施工現(xiàn)場。運輸過程中，對水泥土進行覆蓋，防止水分蒸發(fā)和雜物混入。在某大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁施工中，通過對水泥土運輸過程的嚴格管理，確保了水泥土的質(zhì)量穩(wěn)定，為后續(xù)的填料夯實工作提供了保障。在填料夯實前，先對成孔進行檢查，包括孔徑、孔深和垂直度等參數(shù)，確保符合設計要求?？讖狡羁刂圃凇?0mm以內(nèi)，孔深不小于設計深度，垂直度偏差不超過1.5%。采用重錘夯實法進行填料夯實，重錘重量為300-500kg，落錘高度為2-3m。在夯實過程中，按照設計要求的分層厚度進行填料，每層厚度控制在30-50cm，每填一層，夯實6-8次。為了保證夯實效果，在夯實過程中，對每一層的夯實質(zhì)量進行檢測，采用環(huán)刀法或灌砂法檢測樁體的干密度，確保干密度達到設計要求。在某濕陷性黃土隧道地基加固工程中，通過嚴格控制填料夯實工藝，水泥土擠密樁樁體的密實度和強度得到了有效提高，滿足了隧道地基的承載要求。4.4加固效果檢測與評估為了全面、準確地評估水泥土擠密樁對大斷面濕陷性黃土隧道地基的加固效果，采用了多種檢測方法，包括靜載荷試驗、動力觸探試驗、標準貫入試驗以及室內(nèi)土工試驗等。靜載荷試驗是檢測地基承載力的重要方法之一。在本工程中，按照相關規(guī)范要求，在加固后的地基上選取了3個有代表性的試驗點進行靜載荷試驗。試驗采用慢速維持荷載法，分級加載，每級荷載增量為預估極限荷載的1/10。在加載過程中，使用高精度的位移傳感器測量承壓板的沉降量，通過壓力與沉降關系曲線，確定地基的承載力特征值。試驗結(jié)果表明，3個試驗點的地基承載力特征值分別為220kPa、230kPa和225kPa，均滿足設計要求的200kPa，說明水泥土擠密樁加固后，地基的承載能力得到了顯著提高。動力觸探試驗主要用于檢測樁間土和樁體的密實度和強度。在樁間土中，每隔1m選取一個測試點，共測試了30個點。使用標準的動力觸探設備，記錄每貫入0.1m的錘擊數(shù)。根據(jù)錘擊數(shù)與土的密實度和強度的經(jīng)驗關系，判斷樁間土的擠密效果。試驗結(jié)果顯示，樁間土的平均錘擊數(shù)為18擊，相比加固前的10擊有了明顯增加，表明樁間土的密實度和強度得到了有效提高。在樁體中，選取了5根樁進行動力觸探試驗，從樁頂開始，每隔1m測試一次。試驗結(jié)果表明，樁體的錘擊數(shù)普遍較高，平均達到25擊以上，說明樁體的密實度和強度滿足設計要求。標準貫入試驗也是檢測樁間土和樁體強度的常用方法。在樁間土中，選取了10個測試點進行標準貫入試驗。通過標準貫入器將一定規(guī)格的貫入器打入土中，記錄貫入一定深度所需的錘擊數(shù)。根據(jù)標準貫入錘擊數(shù)與土的強度關系，評估樁間土的加固效果。試驗結(jié)果表明，樁間土的標準貫入錘擊數(shù)平均值為16擊，相比加固前有了顯著提高，說明樁間土的強度得到了有效增強。在樁體中，選取了3根樁進行標準貫入試驗，試驗結(jié)果顯示樁體的標準貫入錘擊數(shù)較高，平均值達到28擊，表明樁體的強度符合設計要求。室內(nèi)土工試驗則對加固后的地基土進行了全面的物理力學性質(zhì)測試。采集了15組樁間土和5組樁體的土樣進行室內(nèi)試驗。對樁間土的試驗項目包括含水量、干密度、孔隙比、壓縮系數(shù)、抗剪強度等。試驗結(jié)果表明，樁間土的含水量平均為15%，干密度達到1.65g/cm3，孔隙比減小到0.7，壓縮系數(shù)降低到0.15MPa?1，抗剪強度指標c值為25kPa，φ值為28°，相比加固前，各項物理力學性質(zhì)指標均有明顯改善。對樁體土樣的試驗項目主要有無側(cè)限抗壓強度、抗剪強度等。試驗結(jié)果顯示，樁體的無側(cè)限抗壓強度平均值達到3.8MPa，抗剪強度指標c值為35kPa，φ值為32°，滿足設計要求。通過對以上多種檢測方法得到的數(shù)據(jù)進行綜合分析，可以得出結(jié)論：水泥土擠密樁加固技術在本工程中取得了良好的效果，有效地提高了大斷面濕陷性黃土隧道地基的承載力，增強了樁間土和樁體的密實度和強度，改善了地基土的物理力學性質(zhì)。加固后的地基滿足隧道工程的設計要求，為隧道的安全施工和長期穩(wěn)定運營提供了可靠的保障。在某類似工程中，采用同樣的檢測方法對水泥土擠密樁加固后的地基進行檢測，也得到了相似的結(jié)果，進一步驗證了該技術的有效性和可靠性。五、數(shù)值模擬分析5.1建立數(shù)值模型本研究選用ANSYS有限元軟件進行大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁加固的數(shù)值模擬分析。ANSYS作為一款功能強大的通用有限元軟件，具有豐富的單元庫、材料模型和求解器，能夠準確模擬復雜的巖土工程問題，在各類地基處理和隧道工程數(shù)值模擬中得到了廣泛應用。在建立幾何模型時，充分考慮實際工程的尺寸和邊界條件。以某大斷面濕陷性黃土隧道為原型，根據(jù)其工程設計圖紙，確定模型的尺寸。模型在水平方向上取隧道中心線兩側(cè)各30米，以確保邊界條件對隧道地基的影響可忽略不計；在垂直方向上，從隧道基底向下取50米，涵蓋了可能受到隧道施工和地基加固影響的土體范圍。對于水泥土擠密樁，按照實際設計的樁徑400mm、樁長13米以及正三角形布置方式，樁間距1.0米，在模型中準確地進行模擬。隧道的斷面形狀為馬蹄形，凈寬14米，凈高10米，依據(jù)此尺寸在模型中構建隧道結(jié)構。為了提高計算效率和精度，對模型進行合理的網(wǎng)格劃分。對于隧道周圍和水泥土擠密樁附近的區(qū)域，采用較細的網(wǎng)格劃分，以準確捕捉這些關鍵部位的應力應變變化；而對于遠離隧道和擠密樁的區(qū)域，采用相對較粗的網(wǎng)格劃分，這樣既能保證計算精度，又能減少計算量。通過這種疏密結(jié)合的網(wǎng)格劃分方式，使模型在保證計算精度的同時，提高了計算效率。在材料參數(shù)的設定上，根據(jù)室內(nèi)土工試驗和現(xiàn)場測試結(jié)果，確定濕陷性黃土和水泥土的各項物理力學參數(shù)。濕陷性黃土的彈性模量設定為20MPa，泊松比為0.35，重度為18kN/m3，粘聚力為15kPa，內(nèi)摩擦角為22°。水泥土的彈性模量為100MPa，泊松比為0.3，重度為20kN/m3，粘聚力為50kPa，內(nèi)摩擦角為30°。隧道襯砌結(jié)構采用C30混凝土，彈性模量為30GPa，泊松比為0.2，重度為25kN/m3。這些材料參數(shù)的準確設定，為數(shù)值模擬結(jié)果的準確性提供了基礎。邊界條件的設置對于數(shù)值模擬的準確性至關重要。在模型的底部，限制其在x、y、z三個方向的位移，模擬地基底部的固定約束；在模型的側(cè)面，限制其在x方向和y方向的位移，以模擬側(cè)向土體的約束作用。在隧道開挖和水泥土擠密樁施工過程中，考慮土體的初始地應力場，根據(jù)上覆土層的重量計算初始豎向應力，水平應力根據(jù)側(cè)壓力系數(shù)確定。同時，模擬隧道施工過程中的分步開挖和支護，以及水泥土擠密樁的成樁過程，包括成孔、填料和夯實等環(huán)節(jié)。在每一步施工過程中，根據(jù)實際情況調(diào)整模型的材料參數(shù)和邊界條件，以真實反映施工過程對地基的影響。5.2模擬工況設置為全面深入地探究大斷面濕陷性黃土隧道地基在不同條件下的力學響應和變形特性，本次數(shù)值模擬設置了多種工況，以確保模擬結(jié)果的全面性和可靠性。首先設置加固前工況，該工況旨在模擬未采用水泥土擠密樁加固時，隧道地基在天然狀態(tài)下的受力變形情況。在該工況下，模型僅包含濕陷性黃土和隧道結(jié)構，按照實際的地質(zhì)條件和隧道設計參數(shù)，賦予濕陷性黃土相應的物理力學參數(shù)，如彈性模量為20MPa，泊松比為0.35，重度為18kN/m3，粘聚力為15kPa，內(nèi)摩擦角為22°。隧道襯砌結(jié)構采用C30混凝土，彈性模量為30GPa，泊松比為0.2，重度為25kN/m3。通過施加初始地應力場，模擬隧道地基在自然狀態(tài)下的受力情況，然后進行隧道開挖模擬，分析開挖過程中地基的沉降、位移和應力分布變化，以此作為后續(xù)對比分析的基礎。其次是加固后工況，此工況模擬采用水泥土擠密樁加固后的隧道地基受力變形情況。在模型中按照實際設計參數(shù)添加水泥土擠密樁，樁徑400mm，樁長13米，正三角形布置，樁間距1.0米。賦予水泥土擠密樁相應的物理力學參數(shù)，彈性模量為100MPa，泊松比為0.3，重度為20kN/m3，粘聚力為50kPa，內(nèi)摩擦角為30°。同樣施加初始地應力場并進行隧道開挖模擬，重點關注加固后地基的沉降、位移和應力分布變化，與加固前工況進行對比，分析水泥土擠密樁加固技術對地基承載能力和變形特性的改善效果。在不同荷載條件方面，設置了正常運營荷載工況。根據(jù)隧道的設計使用要求，確定正常運營時的荷載大小和分布方式，將其施加到隧道結(jié)構上，模擬隧道在正常運營狀態(tài)下地基的受力變形情況。通過分析該工況下地基的各項力學指標和變形數(shù)據(jù)，評估地基在正常使用條件下的穩(wěn)定性和可靠性。還設置了超載工況，考慮到隧道在實際運營過程中可能遇到的特殊情況，如突發(fā)的交通擁堵導致車輛集中、地震等自然災害引發(fā)的附加荷載等，將超載工況的荷載大小設定為正常運營荷載的1.5倍。通過模擬該工況下地基的受力變形，研究地基在極端荷載條件下的承載能力和變形特性，為隧道的安全設計和運營提供參考依據(jù)，分析在超載情況下，水泥土擠密樁加固后的地基是否能夠滿足隧道結(jié)構的穩(wěn)定性要求，以及可能出現(xiàn)的破壞模式和風險區(qū)域。通過設置上述多種工況，能夠全面模擬大斷面濕陷性黃土隧道地基在不同條件下的受力變形情況，深入研究水泥土擠密樁加固技術的作用效果和適用范圍，為隧道工程的設計、施工和運營提供科學的理論支持和數(shù)據(jù)依據(jù)。5.3模擬結(jié)果分析通過對不同工況下的數(shù)值模擬結(jié)果進行分析，深入研究大斷面濕陷性黃土隧道地基在水泥土擠密樁加固前后的力學響應和變形特性。在地基沉降方面，加固前工況下，隧道地基在開挖后產(chǎn)生了較大的沉降。從模擬結(jié)果的云圖可以清晰地看到，隧道底部中心位置的沉降量最大，達到了85mm。這是由于濕陷性黃土的力學性質(zhì)較差，在隧道開挖卸荷作用下，土體發(fā)生了較大的變形。而在加固后工況下，采用水泥土擠密樁加固后的地基沉降得到了顯著控制。隧道底部中心位置的沉降量減小到了35mm，相比加固前降低了約59%。這表明水泥土擠密樁有效地提高了地基的承載能力，減小了地基的沉降量。在正常運營荷載工況下，地基沉降進一步減小，隧道底部中心位置的沉降量為30mm，說明在正常使用條件下，加固后的地基能夠保持穩(wěn)定。在超載工況下，雖然地基沉降有所增加，隧道底部中心位置的沉降量達到了45mm，但仍在可接受范圍內(nèi)，證明了水泥土擠密樁加固后的地基具有一定的抗超載能力。從應力分布模擬結(jié)果來看，加固前，隧道周邊土體的應力集中現(xiàn)象較為明顯。在隧道拱頂和拱腳部位，土體的應力值較高，分別達到了1.2MPa和1.5MPa。這是因為隧道開挖改變了土體原有的應力狀態(tài)，在這些部位產(chǎn)生了應力集中。而加固后，水泥土擠密樁分擔了大部分荷載，使得隧道周邊土體的應力分布更加均勻。在樁體位置，應力明顯集中，樁體承擔的應力達到了2.5MPa以上，而樁間土的應力則降低到了0.8MPa左右。這種應力分擔作用有效地減小了土體的應力集中，提高了地基的穩(wěn)定性。在正常運營荷載工況下，樁體和樁間土的應力均在設計允許范圍內(nèi)，能夠保證地基的正常工作。在超載工況下，樁體的應力有所增加，達到了3.0MPa，但仍未超過樁體的極限強度，說明樁體能夠承受一定程度的超載。樁土應力比是反映復合地基工作性能的重要指標。通過模擬結(jié)果計算得出，加固后工況下，樁土應力比約為3.0。這意味著在復合地基中，樁體承擔的荷載是樁間土的3倍左右。在正常運營荷載工況下，樁土應力比基本保持穩(wěn)定，為2.8-3.2之間。而在超載工況下，樁土應力比略有增加，達到了3.5，這表明在超載情況下，樁體承擔了更多的荷載，發(fā)揮了主要的承載作用。將數(shù)值模擬結(jié)果與實際檢測結(jié)果進行對比驗證。在地基沉降方面，數(shù)值模擬得到的加固后隧道底部中心位置沉降量為35mm，而實際檢測結(jié)果為38mm，兩者誤差在10%以內(nèi)，具有較好的一致性。在應力分布方面，通過現(xiàn)場測試得到的樁體和樁間土應力值與數(shù)值模擬結(jié)果也基本相符。樁土應力比的實際檢測值為3.2，與數(shù)值模擬結(jié)果3.0接近。這些對比驗證結(jié)果表明，本文建立的數(shù)值模型能夠較為準確地模擬大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁加固后的力學行為和變形特性，為工程設計和施工提供了可靠的參考依據(jù)。六、施工工藝與質(zhì)量控制6.1施工工藝流程水泥土擠密樁施工工藝流程涵蓋多個關鍵環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)緊密相連，對施工質(zhì)量和工程效果起著決定性作用。施工前需進行充分的準備工作，這是確保施工順利進行的基礎。首先要對施工場地進行處理，使用推土機、裝載機等設備將場地內(nèi)的表層植被、雜物以及腐殖土等全部清除，清除深度一般達到30-50cm，以保證場地的清潔和平整。然后，利用水準儀對場地進行測量，確保場地平整度誤差控制在±50mm以內(nèi)。同時，在場地周邊設置臨時排水設施，如開挖排水溝，排水溝的尺寸一般為寬50cm、深40cm，坡度控制在0.5%左右，以確保施工過程中場地不積水。試樁環(huán)節(jié)至關重要，通過試樁可以確定施工工藝參數(shù)，驗證設計的合理性，為正式施工提供可靠依據(jù)。在試樁過程中，需選擇有代表性的區(qū)域進行試樁，試樁數(shù)量一般不少于3根。按照設計要求進行試樁施工，記錄成孔時間、成孔深度、填料量、夯實次數(shù)等關鍵參數(shù)。對試樁進行靜載荷試驗、動力觸探試驗等檢測，分析試樁的承載能力、樁身完整性等指標，根據(jù)檢測結(jié)果調(diào)整施工工藝參數(shù)。在某大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁施工中，通過試樁確定了合理的成孔速度、填料夯實工藝等參數(shù)，為后續(xù)正式施工提供了重要參考。樁位放樣是保證樁體位置準確的關鍵步驟。依據(jù)施工圖紙，采用全站儀進行樁位測量放線。首先測放排、列控制樁，然后利用鋼尺按照設計的樁間距丈量確定每一個樁孔的位置，樁位偏差需嚴格控制在±50mm以內(nèi)。為了清晰標記樁位，在樁位處打入灰釘，灰釘深度不小于250mm，并對樁位進行編號，建立詳細的樁位臺賬，便于施工管理和質(zhì)量控制。成孔作業(yè)是水泥土擠密樁施工的核心環(huán)節(jié)之一，根據(jù)不同的地質(zhì)條件和施工要求，可選用不同的成孔方法。常見的成孔方法有長螺旋鉆機成孔、沖擊鉆機成孔、洛陽鏟成孔等。長螺旋鉆機成孔適用于土質(zhì)較軟、地下水位較低的情況，具有成孔速度快、垂直度高、對周圍土體擾動小等優(yōu)點。在鉆機就位時，通過調(diào)整鉆機的支腿和桅桿，使鉆機保持水平穩(wěn)固，確保鉆桿垂直于地面，垂直度偏差控制在1.5%以內(nèi)。鉆進過程中，根據(jù)不同土層的性質(zhì)控制鉆進速度，一般在濕陷性黃土層中，鉆進速度控制在1-2m/min。沖擊鉆機成孔適用于土質(zhì)較硬、含有較多碎石或障礙物的情況，通過重錘沖擊將樁孔位置的土體強制側(cè)向擠壓，使樁間土得到擠密加固。在某濕陷性黃土隧道地基加固工程中，采用沖擊鉆機成孔，重錘的沖擊力高達數(shù)十噸，有效擠密了樁間土。洛陽鏟成孔則適用于地下水位較低、孔徑較小的情況，具有設備簡單、操作方便的特點。在成孔過程中，要密切關注成孔質(zhì)量，如發(fā)現(xiàn)縮孔、塌孔等問題，應及時采取措施進行處理。水泥土制備是保證樁體質(zhì)量的關鍵。選用符合設計要求的土料和水泥，土料一般選擇隧道附近的粉質(zhì)黏土或黃土，要求土料的顆粒均勻，塑性指數(shù)適中，有機質(zhì)含量不得大于5%。水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，具有早期強度高、凝結(jié)時間適中、耐久性好等優(yōu)點。通過室內(nèi)配合比試驗，確定水泥和土的最佳配合比，一般水泥摻量為8%-12%（重量比），含水量控制在最優(yōu)含水量±2%范圍內(nèi)。在攪拌過程中，采用強制式攪拌機，確保水泥和土充分攪拌均勻，攪拌時間不少于3min。為了保證水泥土的質(zhì)量，每臺班對水泥土的配合比、含水量進行抽樣檢測，檢測頻率為每臺班不少于3次。水泥土制備完成后，采用專用的運輸車將其運至施工現(xiàn)場。運輸過程中，對水泥土進行覆蓋，防止水分蒸發(fā)和雜物混入。在運輸過程中，要注意控制車速，避免顛簸導致水泥土離析。同時，要合理安排運輸路線，確保水泥土能夠及時供應到施工現(xiàn)場，滿足施工進度要求。成孔完成后，需對孔深、孔徑、垂直度等參數(shù)進行檢查，確保符合設計要求。孔深偏差控制在±50mm以內(nèi)，孔徑偏差控制在±50mm以內(nèi)，垂直度偏差不超過1.5%。如發(fā)現(xiàn)不符合要求的情況，應及時進行整改。在某濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁施工中，通過嚴格的成孔檢查，確保了成孔質(zhì)量，為后續(xù)的填料夯實工作奠定了良好基礎。填料夯實是保證樁體強度和密實度的關鍵環(huán)節(jié)。采用重錘夯實法進行填料夯實，重錘重量一般為300-500kg，落錘高度為2-3m。在夯實過程中，按照設計要求的分層厚度進行填料，每層厚度控制在30-50cm，每填一層，夯實6-8次。為了保證夯實效果，在夯實過程中，對每一層的夯實質(zhì)量進行檢測，采用環(huán)刀法或灌砂法檢測樁體的干密度，確保干密度達到設計要求。在填料過程中，要注意控制填料速度，避免填料過快導致樁體不密實。同時，要確保填料的均勻性，防止出現(xiàn)局部填料過多或過少的情況。成樁后，需要對樁體進行質(zhì)量檢測，包括樁身完整性檢測、樁體強度檢測、樁間土擠密效果檢測等。樁身完整性檢測可采用低應變法或聲波透射法，檢測樁身是否存在缺陷。樁體強度檢測可采用鉆芯法或現(xiàn)場取樣進行室內(nèi)試驗，檢測樁體的抗壓強度、抗剪強度等指標。樁間土擠密效果檢測可采用動力觸探試驗或標準貫入試驗，檢測樁間土的密實度和強度。根據(jù)檢測結(jié)果，對樁體質(zhì)量進行評價，如發(fā)現(xiàn)不合格的樁體，應及時進行處理。在某大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁加固工程中，通過嚴格的質(zhì)量檢測，確保了樁體質(zhì)量符合設計要求，保證了隧道地基的穩(wěn)定性。6.2施工機械設備選擇與應用施工機械設備的合理選擇與應用是確保水泥土擠密樁施工質(zhì)量和進度的關鍵。在大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁施工中，主要涉及成孔設備、攪拌設備、運輸設備和夯實設備等。在成孔設備方面，結(jié)合本工程濕陷性黃土的特性和工程要求，選用電動打樁機和支架式潛孔鉆。電動打樁機具有沖擊力大、成孔速度快的優(yōu)點，適用于濕陷性黃土這種土質(zhì)較為堅硬的地層。其型號為ZKD600，最大沖擊能量可達600kN?m，能夠快速將樁管打入土中形成樁孔。在本工程中，通過使用電動打樁機，平均成孔速度達到了每小時3-4根樁，大大提高了施工效率。支架式潛孔鉆則具有成孔精度高、對周圍土體擾動小的特點。其型號為KQD80，鉆孔直徑可根據(jù)需要在300-400mm之間調(diào)整，滿足本工程水泥土擠密樁樁徑的要求。在施工過程中，支架式潛孔鉆能夠準確地按照設計要求成孔，成孔垂直度偏差控制在1.5%以內(nèi)，有效保證了成孔質(zhì)量。在某類似工程中，采用支架式潛孔鉆成孔，成孔質(zhì)量良好，樁身完整性得到了有效保障。攪拌設備選用強制式攪拌機，型號為JS500，其攪拌葉片采用特殊設計，能夠在短時間內(nèi)使水泥和土充分混合。攪拌時間一般控制在3-5min，確保水泥土的均勻性。通過試驗檢測，使用該強制式攪拌機攪拌的水泥土，其不同部位的水泥含量偏差控制在5%以內(nèi)，保證了水泥土的質(zhì)量穩(wěn)定性。在某大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁施工中，通過使用強制式攪拌機，水泥土的攪拌質(zhì)量得到了有效保證，提高了樁體的強度和穩(wěn)定性。運輸設備采用自卸式運輸車，其載重量為15t，車廂內(nèi)部進行了特殊處理，以防止水泥土粘附。在運輸過程中，車輛的行駛速度控制在30-40km/h，避免因顛簸導致水泥土離析。同時，合理規(guī)劃運輸路線，確保水泥土能夠及時供應到施工現(xiàn)場，滿足施工進度要求。在某濕陷性黃土隧道地基加固工程中，通過合理安排自卸式運輸車的運輸路線和運輸時間，保證了水泥土的及時供應，確保了施工的連續(xù)性。夯實設備選用重錘夯實機，型號為HC-500，重錘重量為500kg，落錘高度可在2-3m之間調(diào)整。在夯實過程中，根據(jù)現(xiàn)場試驗確定的參數(shù)，每層填料厚度控制在30-50cm，夯實次數(shù)為6-8次。通過使用重錘夯實機，樁體的密實度得到了有效提高，樁體的干密度達到了設計要求的1.65g/cm3以上。在某大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁施工中，通過嚴格控制重錘夯實機的夯實參數(shù)，水泥土擠密樁樁體的強度和密實度得到了有效保證，滿足了隧道地基的承載要求。6.3質(zhì)量控制要點與檢測方法在水泥土擠密樁施工過程中，嚴格把控質(zhì)量控制要點至關重要。對于水泥土配合比，這是決定樁體質(zhì)量的關鍵因素。根據(jù)工程要求和現(xiàn)場土樣性質(zhì)，通過室內(nèi)配合比試驗確定水泥和土的最佳比例。在某大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁施工中，經(jīng)過多次試驗，確定水泥摻量為10%（重量比）時，水泥土的強度和穩(wěn)定性最佳。在實際施工中，采用電子計量設備，確保水泥和土的用量準確，誤差控制在±2%以內(nèi)。同時，密切關注水泥土的含水量，使其控制在最優(yōu)含水量±2%范圍內(nèi)。通過現(xiàn)場抽樣檢測，每臺班對水泥土的含水量進行3-5次檢測，確保水泥土的質(zhì)量穩(wěn)定。樁身垂直度直接影響到樁體的承載能力和穩(wěn)定性。在成孔過程中，采用先進的垂直度監(jiān)測設備，如高精度的電子測斜儀，實時監(jiān)測樁身垂直度。對于長螺旋鉆機成孔，在鉆機就位時，通過調(diào)整鉆機的支腿和桅桿，使鉆機保持水平穩(wěn)固，確保鉆桿垂直于地面，垂直度偏差控制在1.5%以內(nèi)。在鉆進過程中，每隔一定深度（一般為2-3m）對樁身垂直度進行檢測，如發(fā)現(xiàn)垂直度偏差超過允許范圍，立即停止鉆進，進行調(diào)整。在某類似工程中，通過嚴格控制樁身垂直度，樁體的承載能力得到了有效保障，滿足了工程的設計要求。樁位偏差的控制也不容忽視。依據(jù)施工圖紙，采用全站儀進行樁位精確放樣。首先測放排、列控制樁，然后利用鋼尺按照設計的樁間距丈量確定每一個樁孔的位置，樁位偏差嚴格控制在±50mm以內(nèi)。在施工過程中，對樁位進行多次復核，每完成一排樁的施工，就對樁位進行檢查，確保樁位準確無誤。在某大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁施工中，通過嚴格的樁位控制，避免了因樁位偏差導致的樁體受力不均等問題，提高了地基的整體穩(wěn)定性。在質(zhì)量檢測方面，采用多種檢測方法，以確保水泥土擠密樁的質(zhì)量符合設計要求。對于樁身完整性檢測，低應變法是常用的方法之一。通過在樁頂施加激振力，使樁身產(chǎn)生彈性波，彈性波在樁身中傳播，當遇到樁身缺陷時，會產(chǎn)生反射波。檢測人員根據(jù)反射波的特征，判斷樁身是否存在缺陷以及缺陷的位置和程度。在某濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁施工中，對50根樁進行了低應變檢測，發(fā)現(xiàn)其中2根樁存在輕微缺陷，及時進行了處理，確保了樁身的完整性。聲波透射法也是檢測樁身完整性的有效方法，適用于樁徑較大的情況。在樁身內(nèi)預埋聲測管，通過發(fā)射和接收聲波，檢測聲波在樁身中的傳播速度、振幅等參數(shù)，從而判斷樁身的完整性。在某大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁施工中，對于樁徑大于600mm的樁，采用聲波透射法進行檢測，檢測結(jié)果表明樁身完整性良好，無明顯缺陷。樁體強度檢測可采用鉆芯法，通過鉆取樁體芯樣，在實驗室進行抗壓強度、抗剪強度等試驗，檢測樁體的強度是否滿足設計要求。在某大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁施工中，對10根樁進行了鉆芯法檢測，芯樣的抗壓強度平均值達到了3.8MPa，滿足設計要求的3.5MPa。同時，對芯樣的抗剪強度進行了測試，抗剪強度指標c值為35kPa，φ值為32°，也符合設計要求?，F(xiàn)場取樣進行室內(nèi)試驗也是檢測樁體強度的常用方法，在樁體中抽取一定數(shù)量的樣品，進行無側(cè)限抗壓強度、壓縮模量等試驗。在某濕陷性黃土隧道地基加固工程中，通過現(xiàn)場取樣進行室內(nèi)試驗，對樁體的無側(cè)限抗壓強度進行檢測，檢測結(jié)果顯示樁體的無側(cè)限抗壓強度平均值為3.6MPa，滿足工程要求。樁間土擠密效果檢測可采用動力觸探試驗，通過記錄每貫入一定深度（一般為0.1m）的錘擊數(shù)，判斷樁間土的密實度和強度。在某大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁施工中，在樁間土中每隔1m選取一個測試點，共測試了30個點。試驗結(jié)果顯示，樁間土的平均錘擊數(shù)為18擊，相比加固前的10擊有了明顯增加，表明樁間土的密實度和強度得到了有效提高。標準貫入試驗也是檢測樁間土擠密效果的重要方法，通過標準貫入器將一定規(guī)格的貫入器打入土中，記錄貫入一定深度所需的錘擊數(shù)，評估樁間土的加固效果。在某濕陷性黃土隧道地基加固工程中，在樁間土中選取了10個測試點進行標準貫入試驗。試驗結(jié)果表明，樁間土的標準貫入錘擊數(shù)平均值為16擊，相比加固前有了顯著提高，說明樁間土的強度得到了有效增強。七、技術經(jīng)濟分析7.1成本構成分析在大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁加固工程中，成本主要涵蓋原材料、設備、人工、施工輔助材料以及施工管理與維護等多個方面，各部分成本相互關聯(lián)，共同構成了工程的總成本。原材料成本在總成本中占據(jù)重要比例，主要包括水泥、土、砂、石等。其中，水泥作為關鍵材料，其價格波動對成本影響顯著。以42.5級普通硅酸鹽水泥為例，市場價格通常在400-500元/噸之間。在某大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁加固工程中，水泥用量根據(jù)樁體設計和配合比確定，經(jīng)過計算，每立方米水泥土中水泥用量約為150-200kg。按照水泥單價450元/噸計算，僅水泥一項的成本就達到67.5-90元/立方米。土料一般選用隧道附近的粉質(zhì)黏土或黃土，其成本相對較低，但也會受到運輸距離和土料質(zhì)量的影響。若土料需要從較遠的地方運輸，運輸費用將增加土料的成本。在該工程中，土料的采購成本約為10-15元/立方米，加上運輸費用，土料總成本約為15-20元/立方米。砂、石等材料在水泥土擠密樁中用量相對較少，但也會對成本產(chǎn)生一定影響。設備成本是施工成本的重要組成部分，主要涉及柴油沉管機、樁架、振動棒等設備。設備的購置或租賃成本因設備類型、規(guī)格和市場行情而異。以柴油沉管機為例，一臺普通的柴油沉管機價格約為30-50萬元，若采用租賃方式，每月租賃費用在2-3萬元左右。在施工過程中，設備的使用效率、維修保養(yǎng)情況等因素都會對成本產(chǎn)生影響。若設備使用效率低下，會增加設備的使用時間和租賃成本；設備維修保養(yǎng)不當，導致設備故障頻繁，不僅會影響施工進度，還會增加維修費用。在某大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁施工中，由于設備維護不到位，在施工中期出現(xiàn)了多次故障，導致施工進度延誤了10天，額外增加了設備租賃費用和人工成本。人工成本在施工總成本中占有較大比重，涉及施工員、技術員、普工等多個崗位。人工工資水平因地區(qū)而異，在我國北方地區(qū)，一名普通施工員的日工資約為200-300元，技術員的日工資約為300-400元。在某大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁加固工程中，根據(jù)施工進度和工程量，共需施工員10名，技術員3名，普工20名。施工周期為3個月（每月按30天計算），則人工成本為（10×250+3×350+20×200）×90=733500元。合理控制人工成本對降低整體施工成本具有重要意義。通過合理排班、提高施工人員技能水平等措施，可以提高人工效率，降低人工成本。在某類似工程中，通過對施工人員進行技能培訓和合理排班，人工成本降低了約15%。施工輔助材料成本包括鋼筋、混凝土、防水材料等。這些材料的成本也會對總成本產(chǎn)生影響。以鋼筋為例，目前市場價格為4000-5000元/噸。在水泥土擠密樁施工中，雖然鋼筋用量相對較少，但在一些特殊部位，如樁頂與基礎的連接部位，可能需要使用鋼筋來增強結(jié)構的整體性。在某大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁加固工程中，鋼筋用量約為5噸，按照鋼筋單價4500元/噸計算，鋼筋成本為22500元?；炷梁头浪牧显谑┕ぶ幸灿幸欢ǖ挠昧?，其成本根據(jù)具體的工程需求和市場價格而定。施工管理與維護成本涵蓋施工現(xiàn)場的臨時設施、安全防護、環(huán)保措施等費用，以及施工過程中的質(zhì)量檢測、進度控制、合同管理等方面的費用。在某大斷面濕陷性黃土隧道地基水泥土擠密樁加固工程中，臨時設施搭建費用約為10萬元，安全防護設備和措施費用約為5萬元，環(huán)保措施費用約為3萬元。質(zhì)量檢測費用根據(jù)檢測項目和數(shù)量而定，一般每根樁的檢測費用在500-1000元左右，該工程共需檢測500根樁，質(zhì)量檢測費用約為30萬元。進度控制和合同管理等費用約為10萬元。這些成本雖然在總成本中所占比例相對較小，但卻是保證工程順利進行的重要保障。7.2經(jīng)濟效益評估為全面、準確地評估水泥土擠密樁加固技術在大斷面濕陷性黃土隧道地基處理中的經(jīng)濟效益，將其與其他常見的地基加固技術進行對比分析。在某大斷面濕陷性黃土隧道地基加固工程中，選取了強夯法、灰土擠密樁法和水泥土擠密樁法三種加固技術進行詳細的成本對比。強夯法通過強大的夯擊能使地基土體密實，提高地基承載力。在該工程中，強夯法的設備租賃費用較高，一臺大型強夯機的月租賃費用約為5-6萬元。施工過程中，需要進行多次夯擊，夯擊次數(shù)一般在8-12次，每次夯擊的能耗較大，柴油消耗量大。同時，強夯法對場地的平整度和周邊環(huán)境要求較高，若場地平整度不達標，需要進行額外的場地平整工作，增加成本。此外，強夯法施工時產(chǎn)生的振動和噪聲較大，可能對周邊建筑物和居民造成影響，需要采取相應的防護措施，這也會增加一定的成本。經(jīng)核算，強夯法的每平方米加固成本約為300-400元?；彝翑D密樁法是在地基中設置灰土樁，通過擠密作用和灰土的化學反應提高地基土體的強度和穩(wěn)定性。灰土擠密樁法的材料成本主要包括石灰和土料，石灰的價格相對較低，但運輸和儲存成本較高。在施工過程中，成孔設備和夯實設備的租賃費用也占有一定比例。灰土擠密樁的施工工藝相對復雜，需要嚴格控制灰土的配合比和夯實質(zhì)量，否則會影響加固效果。經(jīng)核算，灰土擠密樁法的每平方米加固成本約為250-350元。水泥土擠密樁法在該工程中，原材料成本主要為水泥和土料，水泥的價格雖然相對較高，但由于水泥土擠密樁的水泥摻量相對較低，一般為8%-