高壓旋噴樁處治高速公路路基沉陷技術(shù)及應(yīng)用

吳曉紅

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

1 工程概述

路基沉陷是運(yùn)營(yíng)高速公路病害中最為常見的病害類型之一，其嚴(yán)重影響行車的舒適性同時(shí)對(duì)行車安全造成隱患，為了確保行車安全、提高行車舒適性，需對(duì)路基沉陷進(jìn)行處治。目前，工程實(shí)踐中對(duì)路基沉陷的處治往往采用加鋪路面的方法，但是對(duì)于壓縮性較高的軟土地基，地基的工后沉降延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，加鋪方案不能根本上解決路基沉陷。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，采用復(fù)合地基方法對(duì)路基沉陷越來越成熟，高壓旋噴樁處治路基沉陷也成為一種常用的路基沉陷處治手段[1-3]。

2 工程背景

2.1 工程地質(zhì)情況及沉陷原因分析

某運(yùn)營(yíng)高速公路通車運(yùn)營(yíng)至今已將近8年，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，部分路基的橋涵臺(tái)背、填挖交界等部位出現(xiàn)了不同程度的沉陷病害，其中某段路基沉陷見表1。運(yùn)營(yíng)單位為保證行車安全性，采用了加鋪方案進(jìn)行應(yīng)急處治，但未能徹底解決沉陷病害，每年的沉降量可達(dá)7 cm左右，現(xiàn)已累計(jì)加鋪30 cm左右。

表1 路基沉陷現(xiàn)狀表

圖1 路基沉陷現(xiàn)狀圖

填方路基沉陷主要由兩部分組成：一是地基土在自重壓力或附加壓力作用下的沉陷；二是路堤填土自身的沉陷。根據(jù)鉆孔資料，該段路基地質(zhì)資料具體如下：

a）第①層 素填土，厚約5 m，為填方段路基填土，土質(zhì)為粉土，局部混有粉細(xì)砂，填筑年限大于5年，基本上已完成自身固結(jié)。

b）第②層 粉土，厚約8 m，為原地基上部，土質(zhì)以粉土、粉質(zhì)黏土為主，局部混有砂粒，黃褐色，很濕- 飽和狀，具有中- 高壓縮性。

c）第③層 粗砂，厚約10 m。為原地基下部，土質(zhì)以粗砂為主，黃褐色，中密結(jié)構(gòu)，呈濕- 飽和狀，顆粒級(jí)配良好，分選性差，混有粉土。

根據(jù)以上地勘資料，路基沉陷主要是由于高壓縮性粉土含水量增大引起的地基沉降。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該填方路段坡腳處存在地表水匯聚、排泄不暢的現(xiàn)象，導(dǎo)致了路基范圍內(nèi)地基土含水量局部增大，強(qiáng)度降低，在重載車輛的反復(fù)碾壓下，地基土體壓密變形，最終導(dǎo)致路基發(fā)生沉陷。

2.2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析結(jié)果，需對(duì)路基段進(jìn)行加固處治以提高路基整體強(qiáng)度，考慮到沉陷段地基填料以粉土為主，且含水量大、密實(shí)程度一般、處治深度大等因素，設(shè)計(jì)采用單管高壓旋噴樁進(jìn)行加固處治，旋噴樁處治深度根據(jù)地勘資料確定需穿嵌入粗砂層不小于1 m。同時(shí)需對(duì)坡腳排水系統(tǒng)進(jìn)行完善，修復(fù)破損、滲漏排水溝，填平壓實(shí)坡腳處積水洼地，確保坡腳排水順暢。

2.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

2.2.1.1 地基承載力計(jì)算

旋噴樁噴射直徑（樁徑）為500 mm，由于樁體基本均位于土體中，故固結(jié)土強(qiáng)度要求為5 MPa。樁體平面布置采用分離樁，樁間距按樁徑的2～3 倍控制，為確保樁和土體共同作用達(dá)到最佳效果，采用梅花型布置，孔間距1.5 m。面積置換率為：

式中：d為樁平均直徑，m；de為一根樁分擔(dān)處理地基面積的等效圓直徑，m。

經(jīng)過計(jì)算面積置換率為0.101。根據(jù)復(fù)合地基承載力式（2）～式（4）[4-5]估算加固后地基承載力值。

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；up為樁的周長(zhǎng)，m；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa；lpi為樁長(zhǎng)范圍第i層土的厚度，m；qp為樁端端阻力特征值，kPa；Ap為樁的截面積值，m2。

式中：fcu為樁體試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 的立方體抗壓強(qiáng)度平均值，kPa；fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；β 為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，原地基承載力為80.0 kPa，土層計(jì)算參數(shù)詳見表2。經(jīng)計(jì)算加固后地基承載力為242.8 kPa，較原地基承載力提高了3.04 倍。

表2 土層計(jì)算參數(shù)表

2.2.1.2 地基變形計(jì)算

粉土層的高壓縮性是沉陷的主要原因，采用旋噴樁可以提高壓縮層的剛度，減小下沉量，從根本上解決沉陷。壓縮模量提高系數(shù)ζ=3.04。

式中：s為地基最終變形量，mm；n為地基變形計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；p0為相應(yīng)于作用的準(zhǔn)永久組合時(shí)基礎(chǔ)底面處的附加壓力，kPa；Esi為基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量，MPa；zi、zi-1為基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1 層土底面的距離，m；ai、ai-1為基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)至第i層土、第i-1 層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)；沉降計(jì)算采用分層總和法如式（5）[4-5]，經(jīng)計(jì)算旋噴樁加固后地基總變形量為62.13 mm。

采用加鋪方案時(shí)，除了路堤填土重量產(chǎn)生的附加應(yīng)力，加鋪瀝青層也作為附加荷載施加在地基上，若考慮30 cm 瀝青加鋪層，瀝青混合料重度γ=23.7 kN/m3，計(jì)算得地基總變形量為202.99 mm。

分析計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)比加鋪方案，旋噴樁方案能顯著地提高地基承載力，有效地減少地基沉降變形。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

沉陷發(fā)生在上行特重交通方向，處治寬度為11.5 m，處治長(zhǎng)度為95 m，加鋪平均厚度為10 cm，瀝青混合料單價(jià)約為1 300 元/m3，每次加鋪費(fèi)用：11.5 m×95 m×0.1 m×1 300 元/m3=14.21 萬元。

采用旋噴樁處治時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)孔徑與間距，沉陷路段需要打設(shè)560 根旋噴樁，每根樁長(zhǎng)14 m，費(fèi)用為：560 根×14 m/根×180 元/m=141.12 萬元。

從短期看，旋噴樁處治費(fèi)用較高，但旋噴樁處治的優(yōu)勢(shì)在于一次處治，不留后患，可徹底解決路基沉陷；加鋪方案最大的問題在于頻繁地封閉施工影響高速公路的通行效率，同時(shí)沉陷還會(huì)對(duì)過往車輛帶來較大安全隱患，引發(fā)交通事故，產(chǎn)生不良的社會(huì)影響，故隨著加鋪瀝青處治次數(shù)的增加，旋噴樁處治經(jīng)濟(jì)效益開始凸顯。綜合經(jīng)濟(jì)社會(huì)環(huán)境影響效應(yīng)，對(duì)原地基濕軟地層較厚的路基采用旋噴樁加固是科學(xué)合理的。

3 高壓旋噴樁加固施工方案

3.1 旋噴樁設(shè)計(jì)施工材料參數(shù)

3.1.1 施工工藝參數(shù)漿液壓力25 MPa，漿液流量80 L/min，噴嘴孔徑2～3 mm；提升速度0.25 m/min，旋轉(zhuǎn)速度20 r/min。

3.1.2 注漿材料及用量

選用速凝漿液，水泥選用42.5 級(jí)硅酸鹽水泥，為防止噴射過程中路基產(chǎn)生附加變形，造成路基脫空，另加入3%早強(qiáng)劑（水玻璃）。水泥漿液配合比為0.8∶1。根據(jù)以上工藝參數(shù)，每米計(jì)算噴漿量為0.264 m3，每米水泥用量為195 kg，水玻璃用量為5.85 kg。

3.2 旋噴樁施工程序

a）正式進(jìn)場(chǎng)施工前，進(jìn)行管線調(diào)查確保施工過程不破壞公路下面敷設(shè)的管線及涵洞等構(gòu)造物，做好施工組織計(jì)劃，確保施工場(chǎng)地整齊有序。

b）高壓旋噴樁的施工流程為：樁位放樣→修建排污和灰漿拌制系統(tǒng)→鉆機(jī)就位→鉆機(jī)鉆進(jìn)→噴射管安裝→噴漿材料及制漿→噴射提升→回灌→記錄。

4 結(jié)論

a）根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，由于地基土壓縮性較高，路側(cè)排水不暢導(dǎo)致了路基范圍內(nèi)土體含水量局部增大，強(qiáng)度降低，這是引起路基發(fā)生沉降變形的主要原因。

b）對(duì)比加鋪方案，采用高壓旋噴樁方案可以大大提高地基承載能力，增加地基剛度，減少地基變形，有效減少路基下沉量，長(zhǎng)期來看，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)明顯。