高速公路擴(kuò)建軟基及樁基處理技術(shù)比選

謝 堯 恩艷鋒

近幾年來(lái)地基處理機(jī)械、地基處理材料、地基處理計(jì)算理論的迅速發(fā)展，促進(jìn)了地基處理技術(shù)、施工工藝的不斷改善和提高，我國(guó)越來(lái)越多的穿越軟土地基的高速公路在建設(shè)或改建時(shí)，采用了各種處理方法來(lái)減少軟土地基對(duì)路基沉降的不良影響。即使是那些不用穿越軟土地基的高速公路，在橋頭、結(jié)構(gòu)物臺(tái)背等路基不易壓實(shí)的部位，也特別采用了管樁、水泥攪拌樁等軟基處理方式來(lái)加強(qiáng)基底承載力，減少臺(tái)背路基的沉降，減小橋頭跳車等現(xiàn)象，并取得了良好的效果。下面以滬寧高速公路擴(kuò)建為例，對(duì)軟土地基幾種樁基處理技術(shù)進(jìn)行比選研究，以供參考。滬寧高速公路改擴(kuò)建工程軟基處理方式有:老路邊坡第一級(jí)臺(tái)階內(nèi)側(cè)邊緣至新建路基坡腳外1.0 m范圍內(nèi)為高壓旋噴樁和先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁;邊坡樁統(tǒng)一采用小直徑(φ 50)素混凝土鉆孔灌注樁，這三種方案可以總稱為復(fù)合地基(見(jiàn)圖1)。

1 高壓旋噴樁

1.1 高壓旋噴樁加固地基的原理

旋噴時(shí)，高壓噴射流在地基中，把土體切割破壞。其加固范圍就是噴射距離加上滲透部分或壓縮部分的長(zhǎng)度為半徑的圓柱體。一部分細(xì)小的土粒被噴射的漿液所置換，隨著液流被帶到地面上(俗稱冒漿)，其余的土粒與漿液攪拌混合。在噴射動(dòng)壓力、離心力和重力的共同作用下，橫斷面上土粒按質(zhì)量大小有規(guī)律地排列起來(lái)，小顆粒在中部居多，大顆粒多數(shù)在外側(cè)或邊緣部分，形成了漿液主體攪拌混合、壓縮和滲透等部分，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間便凝固成強(qiáng)度較高、滲透系數(shù)較小的固結(jié)體。

1.2 固結(jié)機(jī)理

水泥與水拌和后，首先產(chǎn)生鋁酸三鈣水化物和氫氧化鈣，它們可溶于水中，但溶解度不高，很快就達(dá)到飽和，這種化學(xué)反應(yīng)連續(xù)不斷地進(jìn)行，就會(huì)析出一種膠質(zhì)物體。這種膠質(zhì)物體有一部分混在水中懸浮，形成一層膠凝薄膜。硅酸二鈣水化物幾乎不溶于水，只能以無(wú)定形體的膠質(zhì)包圍在水泥微粒的表層，另一部分滲入水中。由水泥各種成分所生成的膠凝膜，逐漸發(fā)展起來(lái)成為膠凝體，從而產(chǎn)生下列現(xiàn)象:1)膠凝體增大并吸收水分，使凝固加速、結(jié)合更密。2)由于微晶(結(jié)晶核)的產(chǎn)生進(jìn)而生出結(jié)晶體，結(jié)晶體與膠凝體相互包圍滲透并達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)，這就是硬化的開(kāi)始。3)水化作用繼續(xù)深入到水泥微粒內(nèi)部，使未水化部分再參加以上的化學(xué)反應(yīng)，直到完全沒(méi)有水分以及膠質(zhì)凝固和結(jié)晶充盈為止。但無(wú)論水化時(shí)間持續(xù)多久，很難將水泥微粒內(nèi)核全部水化，所以水化過(guò)程是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。

1.3 高壓旋噴樁的適用范圍

高壓旋噴樁主要適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、黏性土、粉土、黃土、砂土、人工填土和碎石土等地基。當(dāng)土中含有較多的大粒徑塊石，堅(jiān)硬黏性土、大量植物根莖或有過(guò)多的有機(jī)質(zhì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果確定其適用程度。

2 PTC管樁

預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁管樁PTC處理法使用靜壓式樁機(jī)或錘擊式樁機(jī)將預(yù)制管樁打入地基，地面荷載主要通過(guò)管樁向深層硬土層或基巖傳遞，同時(shí)樁間土也承擔(dān)部分荷載。PTC管樁加固軟弱地基主要有兩種作用:樁體作用和擠密作用。用PTC管樁法處理地基可達(dá)到有效消除沉降和提高地基承載力的雙重目的。該方法主要適用于軟基性質(zhì)很差、軟土層深厚等情況下的橋頭連接路段的地基加固。預(yù)應(yīng)力管樁，是由專業(yè)廠家采用先張法預(yù)應(yīng)力工藝和離心成型，蒸汽養(yǎng)護(hù)而成，是一種細(xì)長(zhǎng)空心等截面預(yù)制混凝土構(gòu)件。預(yù)應(yīng)力管樁的種類較多，中國(guó)管樁按品種可以分為PC管樁混凝土強(qiáng)度大于C60，PHC管樁混凝土強(qiáng)度大于C80，PTC管樁混凝土強(qiáng)度大于C60，ACCS管樁混凝土強(qiáng)度大于C80。另外還有許多非標(biāo)準(zhǔn)管樁。

3 素混凝土鉆孔灌注樁

素混凝土鉆孔灌注樁是一種常見(jiàn)的施工方法，其復(fù)合地基效應(yīng)主要如下。

1)置換作用。樁體材料的組成決定復(fù)合地基置換作用的大小，土被素混凝土鉆孔灌注樁置換是復(fù)合地基承載力得到提高的主要原因之一。

2)排水作用。素混凝土鉆孔灌注樁樁體的滲透系數(shù)一般在10-3cm/s～10-1cm/s范圍內(nèi)，而樁間自然土層的滲透系數(shù)一般在10-6cm/s～10-4cm/s，遠(yuǎn)比樁體的滲透性小，所以樁體具有良好的透水性，樁體的排水作用，有利于孔隙水壓力消散，有效應(yīng)力增長(zhǎng)，加速樁周土的固結(jié)過(guò)程。

3)樁間土的改良作用。經(jīng)過(guò)對(duì)素混凝土鉆孔灌注樁復(fù)合地基加固前后樁間土的物理力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)分析表明，樁間土的物理力學(xué)性質(zhì)得到了較大提高，一般含水量降低14%～19%，天然容重增加1.03%～2.2%，孔隙比降低13%以上，壓縮系數(shù)減小11%～52%，而靜力觸探貫入阻力提高30%以上。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在加固范圍內(nèi)，素混凝土鉆孔灌注樁對(duì)黏性土或粉土的工程性質(zhì)改善較明顯，而對(duì)砂類土基本沒(méi)有改變，但振密效果比較顯著。

4)樁對(duì)土的約束作用。由于樁對(duì)土體側(cè)向變形的限制，相同荷載水平條件下，復(fù)合地基抵抗垂直變形的能力有所加強(qiáng)。

5)施工中振動(dòng)擠密作用。由于施工過(guò)程中振動(dòng)的影響，將會(huì)對(duì)樁間土產(chǎn)生擾動(dòng)和擠密，短期內(nèi)會(huì)使其強(qiáng)度有所降低。成樁結(jié)束后，隨著恢復(fù)期的增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸恢復(fù)，新的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的形成，樁間土的承載力有所提高。

4 結(jié)論與展望

針對(duì)滬寧高速公路改擴(kuò)建工程，軟土地基段新舊路基間銜接技術(shù)，從理論上的分析到設(shè)計(jì)方案的研究、施工工藝的探討以及試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的總結(jié)，得出結(jié)論如下:

滬寧高速公路采用的幾種軟土地基處理方法，都有相應(yīng)的適用范圍，我們進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)。

高壓旋噴樁主要用于加固地基，提高地基土的抗剪強(qiáng)度，改善土的變形性質(zhì)，也可組成閉合的帷幕，用于截阻地下水流和治理流砂。高壓旋噴樁主要適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、黏性土、粉土、黃土、砂土、人工填土和碎石土等地基。

PTC管樁主要適用于軟基性質(zhì)很差、軟土層深厚等情況下橋頭連接路段的地基加固。

素混凝土鉆孔灌注樁承載能力在碎石復(fù)合地基和鋼筋混凝土鉆孔灌注樁之間，這樣有利于充分發(fā)揮樁體材料的潛力，降低地基處理費(fèi)用。對(duì)砂土、粉土和松散填土或地下水位高，地下水豐富等地基的處理作用尤為突出。

通過(guò)對(duì)各種軟基處理方案的研究、施工質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)對(duì)比后，建議處理方案按三類情況進(jìn)行選擇:1)軟土深度小于8 m時(shí)，可選用水泥攪拌樁處理，并考慮地基土的含水量而確定水泥用量;2)當(dāng)軟土深度大于8 m小于25 m時(shí)，宜采用高壓旋噴樁、PTC管樁或素混凝土鉆孔灌注樁處理的方法;3)軟土深度大于25 m時(shí)，可選擇素混凝土鉆孔灌注樁和PTC型疏樁方案，通過(guò)經(jīng)濟(jì)性和施工處理效果比選后確定。

本文主要研究新老路基沉降量大小的問(wèn)題。通過(guò)相應(yīng)的有限元計(jì)算得到，在拼接拓寬后，一般情況下沉降最大位置出現(xiàn)在拼接拓寬斷面的形心位置，呈反盆形分布，與實(shí)際觀測(cè)和理論分析是一致的。但是，通過(guò)一定技術(shù)措施降低新老路基之間的位移差顯然是解決問(wèn)題最經(jīng)濟(jì)和直接的工程技術(shù)措施，但無(wú)論采取何種技術(shù)措施都不可能完全消除新老路基之間的差異。高速公路改擴(kuò)建工程中軟土地基處理，從理論到實(shí)踐尚有較多不完善的地方，有待進(jìn)一步研究和完善。

[1] 馬小鋒.淺談軟土地基處理方法[J].山西建筑，2008，34(1):121-122.