基于實際案例探究最佳橋頭軟基處理方案

董平洋，郝東旭

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津市 300074）

0 引 言

多年來，我國對于濱海地區(qū)軟土（淤泥質(zhì)土、淤泥）等不良地質(zhì)土的處理積累了一定的經(jīng)驗，也有了相當(dāng)數(shù)量的工程實踐。但是對于橋梁臺后不均勻沉降差、臺后填土的加固處理缺乏經(jīng)驗，尚處于探索階段。目前，濱海軟土地區(qū)由于地基不均勻沉降所導(dǎo)致的橋頭跳車、臺后填土滑移現(xiàn)象愈演愈烈（如圖1所示），而該病害的補救措施往往需要較大的人力、物力及財力。橋梁臺前、臺后軟基處理已成為軟土地區(qū)市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一項不可繞避的技術(shù)難題。尋求合理的橋頭軟基處理方案，最大限度地減少路堤與橋梁的沉降差，盡可能規(guī)避“橋頭跳車”現(xiàn)象是工程設(shè)計的最終目的。

圖1 橋頭不均勻沉降導(dǎo)致的危害

1 傳統(tǒng)橋頭軟基處理方法總結(jié)及案例探討

“橋頭跳車”是濱海地區(qū)常見的現(xiàn)象，為了避免橋頭跳車，需對橋頭路段進(jìn)行軟基處理加固[1]。結(jié)合國內(nèi)設(shè)計施工經(jīng)驗，常用的橋頭路段軟基處理方式有：預(yù)應(yīng)力管樁、堆載預(yù)壓+ 塑料排水板、高壓旋噴樁等。這些常見的橋頭軟基處理方式都會有不同程度的缺點[2]，下面所述為近些年采用的橋頭軟基處理方案的實際案例以及實施之后發(fā)生的各種問題。

1.1 預(yù)應(yīng)力管樁

預(yù)應(yīng)力管樁通過剛性樁穿越軟土層，將上部荷載直接傳遞到深層較好的持力層，從而達(dá)到減少路基下壓縮性大的土層承擔(dān)的附加應(yīng)力，使地基沉降減少，地基承載力得到相應(yīng)提高。

該處理方式施工技術(shù)要求不高，技術(shù)保障性高，處理效果好。該方法技術(shù)成熟、承載力高、進(jìn)度快。

然而，其缺點在于樁基現(xiàn)場實施對周邊影響較大，一般不宜在城鎮(zhèn)中使用；樁基成本費用較高，工程造價較高。另外，管樁的擠土效應(yīng)產(chǎn)生較大的側(cè)向土壓力致使橋梁承臺向河道內(nèi)側(cè)偏移，造成橋梁背墻破損。

下面對“預(yù)應(yīng)力管樁”問題案例進(jìn)行探討。

（1）案例基本情況

某工程位于浙東沿海地區(qū)，屬海積平原區(qū)。根據(jù)項目地勘報告，按地基土的土性特征、埋藏分布條件及其物理力學(xué)性質(zhì)，需要進(jìn)行軟基處理的土層自上而下分別為：素填土、淤泥質(zhì)黏土、淤泥等，軟土層較深厚。

（2）采用“預(yù)應(yīng)力管樁”橋頭處理方案

橋梁臺后軟基處理采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，樁長25 m，樁間距2.5 m；樁頂蓋板與地坪齊平，樁頂蓋板達(dá)到強度后鋪50 cm 碎石褥墊層，中間鋪土工格柵，從樁頂至路面結(jié)構(gòu)底均勻填筑宕渣。

（3）問題的發(fā)現(xiàn)與提出

由于各方面原因，施工方在組織實施現(xiàn)場施工時先進(jìn)行了橋梁（鉆孔灌注樁、橋梁墩臺及梁板）的施工，然后實施預(yù)應(yīng)力管樁。現(xiàn)場管樁的施工順序為平行橋梁背墻，施工時的現(xiàn)場情況如圖2 所示。

圖2 管樁施工現(xiàn)場情況

管樁施工采用靜壓工藝，由于施工區(qū)域為沿海淤泥沖積區(qū)，上層宕渣回填區(qū)已清除掉，管樁施工非常順利，打設(shè)速度較快。第一排管樁打設(shè)完畢，在打設(shè)第二排管樁時，發(fā)現(xiàn)橋梁背墻與臺帽交界處產(chǎn)生裂縫，隨即停止管樁打設(shè)，但裂縫仍有增大趨勢，如圖3 所示。

圖3 現(xiàn)場橋臺裂縫情況

（4）問題原因分析

a. 臺后軟基處理與橋梁樁基施工順序錯誤：臺后軟基處理樁基施工應(yīng)先于橋梁灌注樁的施工，避免軟基處理樁基施工所產(chǎn)生的擠土壓力對橋梁灌注樁產(chǎn)生影響。

b. 管樁施工順序錯誤：管樁平行橋梁背墻施工且施工速度較快，造成擠土應(yīng)力比較集中，導(dǎo)致橋梁背墻破損。

c. 橋梁伸縮縫施工不當(dāng)：橋梁伸縮縫施工時遺留較多渣石，導(dǎo)致伸縮縫的作用大大減小。

1.2 堆載預(yù)壓+ 塑料排水板

堆載預(yù)壓與塑料排水板進(jìn)行組合，是對原地面進(jìn)行施加上部荷載預(yù)壓，同時利用塑料排水板讓土中的水順利排出，從而達(dá)到減小土粒間孔隙，減少地基工后沉降、提高地基承載力的目的。

該處理方式施工工藝簡單、造價低。

其缺點為在設(shè)計、施工環(huán)節(jié)合理，堆載預(yù)壓時間段較充足的情況下，可以得到相對滿意的效果，但如果用于橋頭處理，則工期長、反復(fù)開挖回填,從而造成資源浪費。

下面對“堆載預(yù)壓+ 塑料排水板”問題案例進(jìn)行探討。

（1）案例基本情況

某片區(qū)半島南路為新建工程，位于浙江東南沿海濱海區(qū)域，于2012 年7 月完成施工圖設(shè)計。道路呈東西走向，道路全長1 570.999 m。半島南路所在位置原為蝦蟹養(yǎng)殖塘，現(xiàn)狀部分路段被建筑棄土回填，道路現(xiàn)狀地勢較平坦，屬海積平原（灘涂）地貌。

擬建場地屬濱海淤積平原地貌，沿線地形較平坦，實測地面標(biāo)高一般為4.4 m，地質(zhì)條件從上至下分別為素填土、黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、含粉砂淤泥、淤泥等。

（2）采用“堆載預(yù)壓+塑料排水板”橋頭處理方案

本項目橋梁臺后軟基處理采用“堆載預(yù)壓+ 塑料排水板”方案，塑料排水板長15 m，板間距1.2 m，成正三角形布置，樁間距2.5 m，場平后分別填筑0.4 m級配碎石和1.7 m 的宕渣堆載高度。

（3）問題的發(fā)現(xiàn)與提出

本項目在滿足連續(xù)兩個月觀測的沉降量每月不超過5 mm 時進(jìn)行卸載，隨后開展管線和路面施工，并于2014 年竣工通車，距目前已通車7 年。從施工過程和后續(xù)實際效果來看，采用“堆載預(yù)壓+ 塑料排水板”工藝主要存在以下缺陷：

a. 工期長

設(shè)計預(yù)壓期為6 個月，實際滿足卸載標(biāo)準(zhǔn)的工期達(dá)10～12 個月；卸載后反開挖施工橋梁樁基及墩臺，導(dǎo)致整個工期滯后[3]。

b. 反復(fù)開挖回填,資源浪費

橋梁樁基及墩臺需卸載后反開挖施工，然后再回填臺背填料，反復(fù)開挖回填造成資源浪費。

c. 受排水板板長及排水通道的限制，下臥層沉降無法解決

理論計算工后沉降滿足設(shè)計要求，但實際工后沉降遠(yuǎn)大于規(guī)范要求，“橋頭跳車”十分明顯，給出行帶來了較大的安全隱患，目前橋頭現(xiàn)狀如圖4 所示。

圖4 半島南路橋頭竣工通車后現(xiàn)狀（“橋頭跳車”現(xiàn)象明顯）

1.3 高壓旋噴樁

高壓旋噴樁是使用帶有噴嘴的鉆機(jī)，用高壓設(shè)備將漿液從噴嘴中噴射出來，而噴射周邊的土體遭到破壞，鉆桿逐漸提升，將漿液與土顆粒強制攬拌混合，經(jīng)過凝結(jié)固化后，在土中形成一個固結(jié)體[4]。

該處理方式的優(yōu)點是高壓旋噴樁的施工機(jī)械擁有相對較小的體積和重量，實施完成的樁有較高劑量含量的水泥，因此強度相對較高。

其缺點是高壓的漿液在沖擊土體時產(chǎn)生擠土效應(yīng)，相鄰近的橋臺容易產(chǎn)生裂縫錯臺。

下面對“高壓旋噴樁”問題案例進(jìn)行探討。

（1）案例基本情況

某道路位于某濱海區(qū)域，區(qū)域內(nèi)主要是圍海造地的吹填地基，以淤泥土為主，淤泥深度20～30 m，屬于典型的軟土地基，具有高含水量、高靈敏度、高壓縮性，較低抗剪強度、較易變形的特點。

（2）采用“高壓旋噴樁”橋頭處理方案

本項目高壓旋噴樁打設(shè)范圍為橋臺與相鄰橋墩之間，旋噴樁樁徑0.6 m，樁距1.2 m，梅花型布置，共4 排，旋噴壓力20 MPa，單管法施工。橋梁鉆孔灌注樁樁徑1 m，樁長66 m，橋臺處2 排，橋墩處1 排，樁間距4.4 m。

由于各方面原因，施工方在組織實施現(xiàn)場施工時先進(jìn)行橋梁鉆孔灌注樁及橋梁墩臺的施工，然后實施高壓旋噴樁及河道駁坎，最后實施橋梁上部蓋板。施工時的現(xiàn)場情況如圖5 所示。

圖5 高壓旋噴樁施工現(xiàn)場情況

（3）問題的發(fā)現(xiàn)與提出

現(xiàn)場高壓旋噴樁的施工順序為垂直于橋梁墩臺軸線，豎向呈“之”字型從右向左依次施打?，F(xiàn)場在1# 墩上部蓋梁設(shè)置了8 個位移監(jiān)測點，如圖6 所示，監(jiān)測頻率為每日兩次。

圖6 監(jiān)測點布置圖（單位：m）

旋噴樁在橋梁右幅范圍內(nèi)自右向左施工完成約3/4 時，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)1# 橋墩右幅與左幅分縫處出現(xiàn)明顯錯位，右幅蓋梁發(fā)生最大21 mm 側(cè)向位移，監(jiān)測點位移變化曲線如圖7 所示。

圖7 監(jiān)測點位移變化曲線（單位：mm）

從以上工程中旋噴樁施工時對橋梁墩臺的位移監(jiān)測結(jié)果看出，軟土地基上旋噴樁的施工對周圍已建建筑物會產(chǎn)生影響，具有明顯的擠土效應(yīng)。

（4）問題分析

高壓旋噴樁的施工，樁周土體的徑向應(yīng)力和孔隙水壓力顯著增大，使高壓旋噴樁產(chǎn)生了擠土效應(yīng)，造成橋梁錯位。

2 本次推薦橋頭軟基處理方案——“水泥攪拌樁+輕質(zhì)填料”組合運用

結(jié)合上述目前常用的軟基處理方式工程實例來看，“堆載預(yù)壓+ 塑料排水板”應(yīng)用于橋頭時存在工期長、反復(fù)開挖回填、下臥層沉降等無法解決的問題；而“預(yù)應(yīng)力管樁”、“高壓旋噴樁”即使在條件適合的情況下應(yīng)用時也需要注意擠土效應(yīng)，避免橋臺處產(chǎn)生裂縫。

本文根據(jù)近年來所做的項目案例、各種常用方法的實際應(yīng)用情況以及后續(xù)效果，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)理論研究，分析其實際應(yīng)用中的適用性、安全性及經(jīng)濟(jì)性，剖析其優(yōu)缺點，提出組合式橋頭軟基處理工藝——“水泥攪拌樁+ 輕質(zhì)填料”的方案并進(jìn)行實際應(yīng)用。

2.1 項目概況

本次設(shè)計的三江大道位于溫州三江商務(wù)區(qū)的核心區(qū)域，整體呈南北走向，道路兩側(cè)地塊主要以商業(yè)、商務(wù)及居住用地為主，道路總長1 697.373 m，紅線寬度32 m，三江大道工程位置如圖8 所示。從道路功能來看，本項目的建設(shè)對構(gòu)建及完善三江商務(wù)區(qū)范圍內(nèi)的道路系統(tǒng)，促進(jìn)沿線地塊開發(fā)，便捷周邊區(qū)塊的交通出行，增強區(qū)域南北向交通聯(lián)系都有著重要的意義。本項目在跨越三江中心河處設(shè)置3 跨10 m空心板橋，橋頭軟基處理經(jīng)綜合比選后應(yīng)用“水泥攪拌樁+輕質(zhì)填料”的處理方案。

圖8 三江大道工程位置示意圖

三江區(qū)塊地勢較低平、開闊，場地原多為農(nóng)田，部分為居民用地、沿江灘涂，現(xiàn)狀標(biāo)高在2.0～4.3 m左右。根據(jù)地勘資料顯示，區(qū)塊范圍內(nèi)揭露的地基土自上而下有黏土、淤泥夾細(xì)砂、淤泥質(zhì)黏土等，軟土較為深厚。

2.2 “水泥攪拌樁+ 輕質(zhì)填料”組合運用方案

橋梁兩側(cè)30 m 范圍內(nèi)路基采用雙向水泥攪拌樁進(jìn)行處理。水泥攪拌樁成梅花形分布，樁徑0.6 m。靠近橋臺10 m 范圍內(nèi)采用樁長12 m，間距1.2 m；后20 m 范圍內(nèi)采用樁長10 m，間距1.5 m，樁頂標(biāo)高為原地坪下50 cm。

樁頂設(shè)置40 cm 碎石褥墊層，中間夾鋪鋼塑格柵一層（雙向抗拉強度不小于80 kN/m，縱橫向延伸率不大于3%，網(wǎng)眼尺寸20±1 mm）。

碎石墊層上換填2.0 m 泡沫混凝土，之上再填礦渣，均勻分層夯實，回填至路面結(jié)構(gòu)層下。具體做法如圖9、圖10 所示。

圖9 橋梁臺后軟基處理橫斷面圖

圖10 橋梁臺后軟基處理樁位平面圖

2.3 后續(xù)效果

本項目于2016 年接到設(shè)計任務(wù)，2017 年展開全面設(shè)計并于2018 年通車。在應(yīng)用“水泥攪拌樁+輕質(zhì)填料”后，通車至今，橋臺與道路之間的沉降差相對較小，“橋頭跳車”并不明顯，且運行多年未發(fā)生橋臺裂縫錯臺等不良影響，因此本方案的實際應(yīng)用完全合理可行。

3 結(jié) 語

水泥攪拌樁是在機(jī)械深層攪拌的作用下，通常利用的固化材料為常規(guī)的水泥漿液，使水泥漿液與軟土相拌和，如此一來，原有土體性質(zhì)得到了加強，整體地基土的強度穩(wěn)定性均得以較大程度地提升，實現(xiàn)了軟土地基的有效治理。同時，這種方法工藝較成熟、制備成本相對低廉且擁有較短工期。

泡沫混凝土是近幾年逐漸投入使用的新型混凝土，當(dāng)適用于橋頭時，它的基本原理是對比常規(guī)回填土利用輕質(zhì)填料，較輕的自身重量減少自重荷載，從而達(dá)到減小工后沉降的目的。

采用“水泥攪拌樁+ 輕質(zhì)填料”的組合形式進(jìn)行橋頭軟基處理，可以綜合利用兩種方式的優(yōu)勢，提高地基穩(wěn)定性，增加地基承載力，減輕橋頭高填方路段的回填料自重，減小地基所受荷載，不產(chǎn)生擠土效應(yīng)，極大地減小工后路基沉降量。因此，從理論和實踐綜合來看，“水泥攪拌樁+輕質(zhì)填料”方案效果很好，可以作為橋頭軟基處理的成熟組合方案進(jìn)行重點考慮。