大縱湖互通立體式交叉C匝道橋復雜軟基處治技術研究

楊 立，汪 明，谷亞陸，梁 斌，李文杰

(1.中鐵十五局集團第五工程有限公司，天津 300133；2 河南科技大學 土木工程學院，河南 洛陽 471023)

我國地域遼闊，在高速公路的建設過程中常會遇到各種各樣對施工不利的地質情況，軟土就是其中一種。軟土即軟弱的淤泥和淤泥質土，其作為地基時有低抗剪強度、高含水量和高壓縮性[1-3]等特性。在公路建設時遇到軟土地基，較容易發(fā)生由于地基不均勻沉降引起的路基失穩(wěn)[4]。部分地區(qū)軟土分布廣泛，修建高速公路時確保路基穩(wěn)定、控制其沉降是兩個施工重點[5-6]。

軟基在承受荷載時由于產生較大壓縮，引起不均勻沉降，致使道路結構失穩(wěn)或產生裂痕[7-8]，對高速公路施工都是不利的，故需對軟基進行處治。不同的軟基處治方法效果也存在一定差異，采用水泥攪拌樁和預應力管樁處治軟基可以有效避免出現(xiàn)上述問題。朱俊樸等[9]以一級公路湛江大道建設時遇到的大范圍軟土地基為背景，利用Midas/GTS軟件建立了有限元模型，研究了在軟土地基情況下路基的沉降變形規(guī)律。陳鳳熔[10]依托某高速公路工程，探討了用水泥攪拌樁法處理軟基的施工工藝。張強等[11]結合某高速公路工程，借助有限元分析方法計算路基沉降，研究了在不同情況下利用預應力管樁處理軟土地基的效果。嚴克林等[12]以某高速公路軟土地基處理工程為實例，分析了預應力管樁地基的沉降變化規(guī)律。截至目前，雖然國內外學者就水泥攪拌樁和預應力管樁軟基處治技術研究進行了很多數(shù)值模擬研究，但是對于在高含水率、高壓縮性軟土情況下運用這兩種技術處治公路互通匝道軟基的研究卻不多。

本文以阜溧高速公路建湖至興化段JHX-YC6標段工程為依托，研究了運用水泥攪拌樁復合地基法和預應力管樁復合地基法對大縱湖互通CKO+668.148C匝道橋段軟基的處治效果，為類似工程軟基處理提供了借鑒。

1 工程概況

阜溧高速公路建湖至興化段JHX-YC6標段線路起點樁號K29+150.000，向南布線，上跨橫字河、老Sl25省道、新建S125省道，在與新建S125省道交叉處設置大縱湖互通一處，止于鹽都區(qū)與興化市界北側約0.007 km處(本標段設計終點)，終點樁號K35+104.936，線路全長5.955 km。工程建設包括主線、匝道的地基處理、路基橋梁建設、相關管道預留預埋、涵洞開挖等。

大縱湖互通CKO+668.148 C匝道橋第1聯(lián)設計為4×30 m現(xiàn)澆預應力混凝土連續(xù)箱梁，該現(xiàn)澆箱梁采用盤扣式支架施工?，F(xiàn)澆箱梁單箱四室，梁高1.8 m，底板寬度14.5 m，頂板寬度19.5 m。項目所在區(qū)域內湖蕩星羅棋布、圩田眾多、河道交錯縱橫，地面高程一般在0.5～5.0 m之間。沿線地表水系發(fā)育，主要湖泊為大縱湖，沿線局部地段分布較密集的魚蟹塘。由現(xiàn)場勘測報告可知，在項目區(qū)內主要分布著全新統(tǒng)松散土層以及上更新統(tǒng)粉質黏土、粉砂、粉土等軟土地層。

2 軟基處治方法設計

2.1 處治方法概述

軟土地基承載性能弱，變形較大，通常要做處理，以避免路基結構失穩(wěn)，確保公路施工過程中不出現(xiàn)問題，保證其耐久性符合預期。常用軟基處理方法有換填法、復合地基法、預壓排水法、動力加固法等，通過這些方法處理，能有效增強土體力學性能，將后期沉降量控制在合理范圍內。

(1)換填法。換填法適用于軟質地基埋置深度不大時的情況，是最常用、有效的一種方法。此方法是利用碎石、砂土及粉煤灰等強度較大、性能較好且符合質量要求的填料，換填軟基層，或直接通過填加水泥等材料，達到增大地基承載力的目的。修建工程時可依據(jù)實際工況進行填料比選，確定合適的材料及級配，以有效增強基底穩(wěn)定性、增大土層密實度；還可添加土工合成材料如格柵等，以提高抗?jié)B性能。施工時往往是人工和機械相結合，挖除軟土，換填新材料。

(2)復合地基法。復合地基是在天然地基承載力過低，無法滿足要求時，將部分土體加固或替換，由原土體和加固后的土體共同組成的一種人工地基。根據(jù)地基加固體的方向，可以分為水平加固體復合地基和豎向加固體復合地基。水平向加固復合地基主要指加筋土地基，即使用土工織物、土工膜等材料加固的地基；豎向加固體復合地基又名樁體復合地基，分為黏結材料樁和散體材料樁。常用的加固體有粉噴樁、預應力管樁、水泥攪拌樁等。

(3)預壓排水法。該法也稱作排水固結法，即在地基上堆載預壓或真空預壓，或兩者結合，有時還需布置砂井、排水帶等排水設施，對地基進行人工處理。造成軟質地基承載性能差的一個重要原因就是含水率偏高，故可采用以上方法將其中的水分排出，降低孔隙比，加速地基固結沉降，使沉降提前完成，從而減小地基工后沉降。隨著土體超靜孔隙水壓消散，地基抗剪強度增加，承載力得到提高。

(4)動力加固法。此法又稱強夯法，是主要針對砂土、粉土、濕陷性黃土和人工填土地基的一種處理方法。利用夯錘自重，反復將其提到一定高度自由落下，對地基進行沖擊，最終土體達到密實，成為密實墩體。該法工藝簡便、設備簡單，無需加固原材料，具有較高的經濟性。但在施工時需注意對周圍建筑物、設備進行隔振、抗振處理。公路工程中采用動力加固法，可提高路基結構穩(wěn)定性。

2.2 處治方法選取

軟基處理是公路項目建設的重中之重。本項目施工區(qū)域內溝塘眾多，軟土分布廣，包含淤泥質黏土和黏土。軟土主要物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 軟土物理力學參數(shù)

該區(qū)段軟土地基含水率處于較高水平，承載力低下，故應針對這些弱點進行處理。結合現(xiàn)場施工條件，確定軟基處理方法主要采用水泥攪拌樁復合地基法，部分采用預應力管樁復合地基法。

2.2.1 水泥攪拌樁設計

水泥攪拌樁可作為加固體來處理軟土地基，形成復合地基，這是國內公路修建時經常使用的一種方案，它具有施工工期短、造價低等優(yōu)點，且地基承載力可得到明顯提升。雙向水泥攪拌樁進一步提升了施工的效率和質量，比傳統(tǒng)水泥攪拌樁有著更深的處理深度，故在該工程大部分路段都采用雙向水泥攪拌樁復合地基法來進行軟基處理。全線水泥攪拌樁直徑為50 cm，根據(jù)首件試樁情況確定攪拌樁長度為5～15 m，每延米水泥摻入量為55 kg，攪拌樁按梅花樁樣式布置，樁身水泥采用P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥。

水泥攪拌樁布局設計如下：在一般直線段，水泥攪拌樁沿道路中心線方向垂直布設，呈梅花形(等邊三角形)圖案；在曲線段，選擇接近中心線方向的直線作為布樁基準線，水泥攪拌樁沿基準線方向垂直布設，布設長度不超過50 m。沿河塘防護段，水泥攪拌樁布置至路基邊坡線與河塘整平標高面交線外第3排樁。

2.2.2 預應力管樁設計

預應力管樁是工程中常采用的一種剛性樁，相比其他類型樁體，它有著更高的承載力和更大的處理深度。根據(jù)這些特點，在該工程中軟土層底埋深大于16 m的軟土路段，采用預應力管樁進行處理，主要分布在橋頭段。

經過綜合考慮，確定預應力管樁具體設計方案，如表2所示。

表2 管樁設計方案

預應力管樁間距不大于3 m時樁帽邊長1.4 m，預應力管樁間距大于3 m時樁帽邊長1.6 m。預應力管樁管節(jié)長度按7 m、8 m、l0 m標準控制，或根據(jù)現(xiàn)場實際調整，以減少樁節(jié)數(shù)和焊接次數(shù)。

3 軟基處治施工

3.1 雙向水泥攪拌樁處治軟基

3.1.1 水泥攪拌樁施工

現(xiàn)場施工采用“兩攪一噴”形式雙向水泥攪拌樁，雙向即葉片攪拌方向一正一反。鉆機機身調平，通過水平尺進行檢查；垂直度用系在機身導向架上的垂球進行控制，確保攪拌樁的垂直度偏差不超過1.0%。鉆頭選用為以下形式：三層葉片，每層2個葉片，葉片厚度為3 cm；上層和下層之間的距離為400 mm；呈水平的兩個葉片的傾角為2%，每個葉片的寬度為70 mm。鉆機進入現(xiàn)場后，根據(jù)施工順序移動和調整鉆機，使其對位、調平和調直，對位后的偏差不大于50 mm。

鉆機就位時，開始拌制水泥漿，根據(jù)首件試樁情況，確定雙向水泥攪拌樁水灰比(0.55)和施工配合比(如表3所示)。

表3 水泥攪拌樁配合比

拌制水泥漿時，按先加水、后加水泥、生石膏粉的順序投料，每次水泥漿攪拌時間不少于3 min，以確保水泥漿在拌漿桶中攪拌均勻。水泥漿充分攪拌后放置到儲漿桶中存放，測定其比重，頻率為1次/h。水泥漿要現(xiàn)制現(xiàn)用，不得產生離析，水泥漿從制成到使用不得超過 2 h。水泥漿通過水泥漿泵進行輸送，送到攪拌機噴漿口的時間為15 s。鉆機鉆進速度為0.6～0.8 m/min，噴漿壓力為 0.25～0.4 MPa，內鉆桿轉速為50 r/min，外鉆桿轉速為 70 r/min。攪拌機攪拌 1～3 min后，冷卻系統(tǒng)開始運行，當鉆頭以正常轉速沿導向裝置下放至離地面 25 cm深度時，啟動泵送裝置進行噴漿操作，鉆至設計深度時噴漿10 s以上。在下鉆過程中，隨時觀察設備運行及地層變化情況，鉆頭鉆進速度控制在0.6～0.8 m/min、轉速控制在60 r/min 左右，噴漿壓力控制在 0.25～0.40 MPa，滿足設計噴漿量的要求。

3.1.2 樁長控制

水泥攪拌樁通過攪拌樁機進行施工。攪拌樁機鉆頭下沉鉆入設計深度后噴漿攪拌10 s以上，之后抬升到離地面25 cm的位置，抬升速度控制在0.7～1 m/min(調速器調節(jié))；鉆桿抬升的同時持續(xù)攪拌，內鉆桿轉速≥50 r/min，外鉆桿轉速≥70 r/min(轉速檔位3擋)。原則上處理深度以鉆頭穿破軟土進入50 cm 深的相對堅硬土層為基準。鉆頭穿透軟土層的時刻可根據(jù)前期相關資料中的軟土層深度和樁設計長度進行預估，并通過對施工所用機械電流實時監(jiān)測加以確定。

3.2 預應力管樁處治軟基

3.2.1 預應力管樁施工

在預應力管樁施工時，首先進行樁位放樣工作。采用經緯儀確定管樁的位置，使用消石灰作圓形圖案標出該位置，圓心插上小木樁并做好保護。管樁壓樁施工采用靜力壓樁機，壓樁機進場后將其調平、對中，用鋼索綁扎樁體垂直起吊。在第一節(jié)管樁入土30～50 cm 后，通過經緯儀檢查和校正其垂直度，垂直度偏差不超過0.5%，之后以1～2 m/min的速度持續(xù)壓樁，同時準確記錄壓樁時間和各壓力表讀數(shù)。

預應力管樁通過焊接連接，在焊接管樁之前，用鐵刷清潔管樁上端和下端的表面，直到坡口出現(xiàn)金屬光澤。焊接時分層焊接，由兩個焊工在坡口四周對稱電焊6個點；焊接層數(shù)要大于2層，焊接時去除層間雜物，焊縫要確保無夾渣、氣孔，滿足三級焊縫的要求；焊接好的樁接頭應確保自然冷卻至常溫，冷卻時間一般不低于5 min，之后在接樁部位涂熱瀝青，防止該部位銹蝕。

送樁采用套筒式送樁器施工，宜在管樁露出地面高度0.3 m左右時進行施工作業(yè)，套筒筒深以250～350 mm為宜，筒內徑取420～430 mm；送樁器下設厚度均勻的樁墊，與樁斷面完全接觸，并設置標記，便于跟蹤整個施工過程，確定送樁深度。當樁頂高出地面一定距離時進行截樁。截樁須注意用特定設備進行，切勿用大錘直接錘擊。在管樁驗收合格后，進行預制樁帽施工。首先在對應樁頭位置開挖地面，開挖深度、寬度及長度以樁帽設計尺寸為準，開控地面后按要求綁扎鋼筋澆筑并養(yǎng)護混凝土。

4 軟基處治效果分析

軟土地基通過水泥攪拌樁和預應力管樁加固后，需要對地基承載力進行檢測。檢測前先將現(xiàn)澆梁所在地面整平到統(tǒng)一標高1.85 m，摻入7%的石灰翻拌碾壓，處理深度 40 cm、寬度 24.6 m、長度 124 m，壓實度不小于90%，地基承載力不低于設計值161.4 kPa。地基承載力采用靜力觸探法測定，測定結果見圖1。由檢測結果可知，軟土地基經過加固以后，第一跨至第四跨地基承載力測點承載力平均值分別為 238.4 kPa、228.8 kPa、234.4 kPa和250.4 kPa，承載力得到顯著提升，比原設計值增加了42%～55%，滿足橋梁施工對基礎承載力的要求，符合相應規(guī)范。

(a)第一跨

5 結論

高速公路在修建時經常需要對軟基進行處理。本文以阜溧高速公路建湖至興化段JHX-YC6標段工程為依托，根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況，采用雙向水泥攪拌樁和預應力管樁對軟基進行處治，形成復合地基，提升了軟土地基承載力，處治效果明顯，滿足橋梁施工對基礎承載力的要求。該軟基處治技術有良好的可行性，為類似工程提供了借鑒。