后建道路下穿高速公路軟基處理工程實(shí)例研究*

陳泳鵬，吳能森

(福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建福州350002)

1 工程概況

連江通港大道改擴(kuò)建工程(一期)，呈東西走向，西南起于可門路，東至浦口鎮(zhèn)與浦口路相接，全長(zhǎng)6 730 m，標(biāo)準(zhǔn)寬度60 m，雙向六車道，兩側(cè)各設(shè)輔道，按城市二級(jí)主干道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)車速為50 km/h，路面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100 kN。道路在K1+618～K1+656段下穿沈海高速橋連江敖江互通特大橋，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式為樁基，墩柱為薄壁墩，上部為現(xiàn)澆連續(xù)梁，穿叉位置位于特大橋12#～15#孔之間，法線交角約85°。其中輔道與人行道從12#、15#孔下穿，機(jī)動(dòng)車道從13#、14#孔下穿，12#孔北側(cè)設(shè)有路肩擋土墻，橋墩布置于道路的中央及機(jī)非分隔帶中，并設(shè)置防撞墻(如圖1所示)。

圖1 通港大道下穿高速平面布置

高速下道路橫斷面布置為4.0 m人行道+3.5 m非機(jī)動(dòng)車道+5.0 m綠化帶+4.0 m輔道+2.5 m綠化帶+12.25 m機(jī)動(dòng)車道+7.5 m綠化帶+12.25 m機(jī)動(dòng)車道+2.5 m綠化帶+4.0 m輔道+5.0 m綠化帶+3.5 m非機(jī)動(dòng)車道+4.0 m人行道，總寬70 m。橋下凈空要求為機(jī)動(dòng)車道≥5 m，非機(jī)動(dòng)車道≥3.5 m，人行道≥2.5 m(如圖2所示)。

圖2 下穿道路橫斷面

據(jù)連江通港大道改擴(kuò)建工程(一期)巖土工程勘察資料，場(chǎng)地工程地質(zhì)情況如表1所示。

表1 地基土層物理力學(xué)參數(shù)

由于下穿路段存在淤泥土含水率高，孔隙比大，工程特性差的不良地基，根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告及設(shè)計(jì)文件，天然地基的承載力滿足不了道路使用要求，在鋪筑路基前，需對(duì)其進(jìn)行處理。軟土路基處理后，要求復(fù)合地基承載力不小于110 kPa，樁身無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于2.5 MPa。

2 地基處理方案及初步設(shè)計(jì)

據(jù)圖2可知本工程軟基處理方法的選擇受凈高約束很大，即下穿段凈高要求施工設(shè)備在6 m以下，實(shí)際處理的軟基深度均在15 m以上，屬于深層處理軟基，且要求對(duì)周圍環(huán)境如高架橋的薄壁橋墩不能有太大的擾動(dòng)，以免影響已建高速公路的運(yùn)營(yíng)安全。根據(jù)要求，對(duì)常見地基處理方法進(jìn)行比較(見表2)。

通過上表的對(duì)比分析，可知高壓噴射注漿法中的旋噴方式不但設(shè)備尺寸、處理深度滿足施工要求，而且具備對(duì)周圍構(gòu)筑物影響小的特點(diǎn)。綜合考慮，初選高壓旋噴方式處理軟基。根據(jù)軟基相關(guān)計(jì)算，高壓旋噴樁深度需要處理至第二層淤泥底部，以粉質(zhì)粘土作為加固土樁持力層［1-3］。

2.1 旋噴樁設(shè)計(jì)

本工程高壓旋噴樁樁長(zhǎng)采用17 m，樁徑0.5 m。旋噴樁在平面上按正三角形布置。樁位偏差值應(yīng)小于50 mm，樁的垂直度不超過1%，距樁頂2 m范圍內(nèi)要求復(fù)噴，樁間頂面設(shè)置30 cm塊石嵌樁，如圖3所示。

處理范圍為下穿路段沿道路方向長(zhǎng)約68 m，寬約65 m，由于高速公路橋墩正處兩側(cè)道路的中間，路基北側(cè)擋土墻基礎(chǔ)和綠化帶范圍內(nèi)不做軟基處理，故高壓旋噴樁處理軟基實(shí)際施工中分成A、B、C三個(gè)片區(qū)，旋噴樁以直線MM為軸線對(duì)稱施打，施工順序?yàn)锽→C→A，面積約為處理區(qū)域一半，2 210 m2。三片區(qū)列方向均布置56根;A、B、C三片區(qū)在行方向上分別布置6根、13根、6根。旋噴樁總數(shù)為1 400根，總工作量為21 062延米，其中路基部分為18 648延米，擋土墻基礎(chǔ)部分為2 414延米。具體如圖4所示。

表2 常見軟基處理方法比較

圖3 高壓旋噴樁軟基處理大樣圖

圖4 高壓旋噴樁樁位布置圖

2.1.1 單樁豎向承載力及復(fù)合地基承載力計(jì)算

根據(jù)處理后復(fù)合地基承載力不小于110 kPa的設(shè)計(jì)要求，采用以下復(fù)合地基承載力計(jì)算公式［5-6］進(jìn)行計(jì)算。

式中:fspk—復(fù)合地基承載力特征值(kPa);fsk—樁間土承載力特征值，實(shí)際計(jì)算取天然地基承載力特征值80 kPa;Ap—樁的平均截面積，取值為0.196 m2;m—為復(fù)合地基樁土面積置換率，取值0.08;Ae—單根樁承擔(dān)的處理面積，取值2.4 m2;β—樁間土承載力折減系數(shù)，取值0.4;Rdk—單樁豎向承載力特征值(kN)，按下列兩式計(jì)算，取其中較小的值。

式中:fcu—與旋噴樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值(kPa)，取2.5 MPa;η—樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.75;n—樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)，取4層—樁的平均值徑(m)，取0.5 m;hi—樁周第i層土的厚度(m)(i=1，2，3，4)，分別為3.6 m、5.5 m、2.1 m、5.4 m;qsi一樁周第i層土的側(cè)阻力特征值(kPa)(i=1，2，3，4)，分別取8 kPa、9 kPa、30 kPa、9 kPa;qp—樁端天然地基土的承載力特征值(kPa)，取180 kPa。由式(2)(3)計(jì)算單樁豎向承載力特征值分別為367.5 kN和333.4 kN，取其小者，=min{367.5，333.4}=333.4 kN，再由式(1)計(jì)算出復(fù)合地基承載力特征值fspk為168.3 kPa，大于110 kPa設(shè)計(jì)要求，說明初步設(shè)計(jì)可行。

2.1.2 多樁距沉降計(jì)算

根據(jù)不同巖土類別的孔隙壓縮特性，強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r為非壓縮性土層，本次設(shè)計(jì)路段可不考慮強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r土層的主固結(jié)沉降對(duì)路基工后沉降的影響，只須計(jì)算強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r以上土層的沉降。樁長(zhǎng)范圍內(nèi)復(fù)合土層以及下臥層地基變形值應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007)有關(guān)規(guī)定計(jì)算，復(fù)合土層的壓縮模量參見表1及部分根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定。通過計(jì)算，得出不同樁距條件下施工期沉降和工后沉降計(jì)算的結(jié)果如表3所示。

表3 不同樁間距沉降計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上表計(jì)算結(jié)果所示，綜合考慮路基施工期間沉降與路基工后沉降對(duì)沈海高速橋墩與橋梁樁基的影響，樁間距設(shè)計(jì)采用1.5 m，如圖5所示。

圖5 樁間距平面示意圖

2.2 試樁

根據(jù)設(shè)計(jì)及施工規(guī)范要求，高壓旋噴樁正式施工前先作成樁試驗(yàn)［6-7］。計(jì)劃試樁3根，位置分別為K1+600右機(jī)動(dòng)車道、K1+640右機(jī)動(dòng)車道、K1+660右機(jī)動(dòng)車道，樁號(hào)分別記為1#、2#、3#。高壓旋噴攪拌樁水泥采用標(biāo)號(hào)42.5MPa的普通硅酸鹽水泥，噴嘴壓力1#、2#、3#試樁分別采用20 MPa、25 MPa、30 MPa，提桿旋轉(zhuǎn)速度控制在10-20 r/min，噴嘴直徑分別采用2 mm、2.5 mm、3 mm，提升速度分別采用0.15 m/min、0.20 m/min、0.3 m/min，水灰比分別采用0.9∶1、1∶1、1.1∶1，水泥摻量分別采用180 kg/m、190 kg/m、200 kg/m。通過對(duì)1#、2#、3#鉆孔取芯，在室內(nèi)進(jìn)行芯體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 取芯固結(jié)塊強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表4中看出，結(jié)果表明最小、平均無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均滿足通港大道復(fù)合地基旋噴樁設(shè)計(jì)中要求樁身無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于2.5 MPa設(shè)計(jì)要求，與單樁豎向及復(fù)合地基承載力計(jì)算中fcu取值要求相當(dāng)貼近，說明在承載力初步設(shè)計(jì)中參數(shù)取值具有一定合理性。

綜合以上試樁成果，在確保成樁滿足設(shè)計(jì)和質(zhì)量要求前提下，得出以下最佳施工參數(shù)，如表5所示。

表5 旋噴樁最佳施工參數(shù)

3 工程實(shí)施效果

在確認(rèn)試樁結(jié)果合格后，根據(jù)試樁研究所得的最佳施工參數(shù)，進(jìn)行大面積高壓旋噴樁的施工。待三個(gè)片區(qū)施工完畢一定時(shí)間后，旋噴樁漿液逐漸凝結(jié)且達(dá)到一定強(qiáng)度，對(duì)三個(gè)片區(qū)的典型樁位進(jìn)行開挖，檢測(cè)固結(jié)體垂直度、形狀和質(zhì)量，開挖深度1～2 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和觀察，旋噴體垂直度良好，樁徑均達(dá)到500 mm以上，樁周的不同深度長(zhǎng)有不規(guī)則的粗糙凸起，延伸長(zhǎng)度普遍大于30 cm，樁土之間咬合較為密實(shí)、摩擦力較大，一定程度上提高了樁的承載能力，初步判斷開挖檢查符合要求。

3.1 靜載結(jié)果

為了檢驗(yàn)旋噴樁加固后形成的復(fù)合地基的加固效果，在旋噴樁施工結(jié)束后28 d，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)附錄C中的有關(guān)條款進(jìn)行單樁載荷試驗(yàn)，采用慢速維持荷載法，荷載分為10級(jí)，共分9次加載，首次加載值為分級(jí)值的2倍，卸載時(shí)每級(jí)卸載值為每級(jí)加載值的2倍。工程選取樁號(hào)K1+630、K1+640、K1+650典型單樁進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明平均單樁承載力340 kN，大于計(jì)算值333.4 kN，且累計(jì)沉降小于25 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

復(fù)合地基平均承載力則根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2012)中復(fù)合地基靜載試驗(yàn)要點(diǎn)進(jìn)行。試驗(yàn)中采用的壓板為方板，壓板下用粗砂墊層找平。荷載分為9級(jí)，共分8次加載，首次加載值為分級(jí)值的2倍，最大加載值根據(jù)設(shè)計(jì)荷載值的2倍及壓板面積確定，卸載分為三級(jí)卸載。工程實(shí)際采用三樁聯(lián)合檢測(cè)的方法，選取K1+625、K1+635、K1+645典型樁進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合樁地基平均承載力130 kPa，累計(jì)沉降小于30 mm，相較于原淤泥土層地基容許承載力提高了1.4倍，滿足不小于110 kPa的設(shè)計(jì)要求。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)復(fù)合地基承載力小于計(jì)算值168.3 kPa，說明采用理論公式的計(jì)算值偏于保守，有利于工程安全。

3.2 抗壓強(qiáng)度檢測(cè)

為了檢測(cè)旋噴樁質(zhì)量，依照設(shè)計(jì)要求由中國(guó)水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院對(duì)A、B、C三片區(qū)抽取總樁數(shù)2%，數(shù)量28根樁的水泥加固土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)樁長(zhǎng)范圍內(nèi)鉆孔取芯，做標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，取芯位置為每根樁徑1/4處，即距注漿中心125 mm左右。通過低應(yīng)變反射波法檢測(cè)得抽測(cè)的28根樁芯樣完整且均勻致密，水泥土體膠結(jié)良好，證明表3中確定的旋噴樁施工參數(shù)合理有效。取各芯樣不同深度的84組試樣進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)和強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得A、B、C三片區(qū)樁身28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)情況如表6。

表6 各片區(qū)試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

由表6知，各片區(qū)水泥加固土平均抗壓強(qiáng)度在3.0～3.5 MPa范圍內(nèi)，滿足樁身無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(28d)≥2.5 MPa的設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過近6個(gè)月的工時(shí)、工后跟蹤測(cè)量，路基實(shí)測(cè)沉降:施工期平均為11.2 cm，工后沉降平均為3.5 cm，路面趨于穩(wěn)定。與表3的計(jì)算結(jié)果比較，可知施工期實(shí)際沉降略大于計(jì)算值，這是由于施工期間受設(shè)備、材料等外部荷載引起;另外實(shí)測(cè)工后沉降約為計(jì)算值的50%，說明隨著時(shí)間增長(zhǎng)，旋噴樁樁身強(qiáng)度在一定時(shí)期內(nèi)得到增長(zhǎng)，沉降變緩直至趨于穩(wěn)定，地基穩(wěn)定性明顯提升，路段地基取得良好的加固效果?？傮w上，處理后的路基沉降完全能滿足主、次干路容許工后沉降≤30 cm的道路沉降要求。

4 結(jié)語

針對(duì)后建道路受下穿高速公路互通特大橋凈空限制的情況，考慮到具體地質(zhì)條件、加固要求、施工可行性等因素，提出采用高壓旋噴樁的地基處理方案及施工設(shè)計(jì)，鑒于碰到的類似工程實(shí)例較少，所以工程處理實(shí)踐具備一定的新穎性。綜合工程實(shí)施效果，可知高速公路橋墩處于兩側(cè)道路中間，兩側(cè)道路路面標(biāo)高一致，恒載作用下兩邊無壓力差，對(duì)橋墩不產(chǎn)生任何影響。只有動(dòng)荷載對(duì)橋墩產(chǎn)生影響，但動(dòng)荷載等代荷載不大，動(dòng)荷載作用通過高壓旋噴樁能直接傳到持力層，因此側(cè)向壓力很小，對(duì)橋梁樁身影響微弱，不影響橋梁質(zhì)量。施工全程對(duì)通港大道舊路部分進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，得出現(xiàn)有道路經(jīng)過十幾年的營(yíng)運(yùn)，路基沉降已經(jīng)基本穩(wěn)定，路基承載力能滿足要求。從通港大道下穿路段現(xiàn)已建成通車經(jīng)運(yùn)營(yíng)一年多來看，軟基處理路段的路面平整，路況良好。

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