擴建高速公路拼寬段軟土路基加固處理技術研究

■ 中鐵十八局集團第一工程有限公司 陳長洪

隨著交通基礎行業(yè)建設的不斷發(fā)展，現(xiàn)行道路已難以滿足日益劇增的道路交通量需求，對現(xiàn)有道路進行改擴建成為必然。路基改擴建的重難點在于新老路基結(jié)合的整體穩(wěn)定性，特別是軟土路基段，由于其具有含水量高、天然空隙比大及靈敏度高等特點[1]-[2]，與新老路基壓實度及固結(jié)沉降期存在較大差異，擴寬拼接位置易出現(xiàn)縱向裂縫，因此，軟土路基處理是路基沉降控制的關鍵[3]-[4]。本文依托某擴建高速公路工程，結(jié)合設計及現(xiàn)場實際施工經(jīng)驗，對水泥攪拌樁+鋼塑格柵及預應力管樁+鋼塑格柵兩種軟基拼寬施工關鍵技術進行研究，并通過現(xiàn)場監(jiān)測對處理效果進行驗證，以期為類似擴建高速公路軟基拼寬路段設計與施工提供參考。

1.工程概況

某擴建高速公路位于東南沿海，采用標準的路基兩側(cè)擴寬方案，擴寬段為雙向八車道，路基寬度為41m，其中，行車道寬2×4×3.75m、硬路肩寬2×3.0m、土路肩2×0.75m、中間帶寬3.5m，如圖1所示。該段路基主要位于海積平原區(qū)，區(qū)域不良地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育，海積平原區(qū)場地上分布厚層海積淤泥、淤泥質(zhì)黏土等，總厚度一般可達8m～15m。軟土路段上部主要為老路路基填土，其下為海積黏土，而場地上部為海積淤泥，其下為沖湖積可塑粉質(zhì)黏土、坡洪積含黏土角礫、含碎石粉質(zhì)黏土等，下伏基巖為侏羅紀凝灰?guī)r，強度較高；其上部土層性質(zhì)較差，土體中含水量較高、土體可壓縮性高，承載力低，固結(jié)沉降緩慢等，易發(fā)生路基側(cè)向滑移、過量沉降、橋頭跳車及樁基縮徑等問題。路基擴寬段上部軟土地基處理是控制整個路基工程施工的關鍵。

2.軟土地基加固關鍵技術

該擴建路基工程綜合考慮軟土地基深度、填土高度、軟基深度縱橫向變化及經(jīng)濟性方面等主要因素，采用不同的軟土地基處理方式，其中包括堆載預壓、雙向攪拌樁加固、預應力管樁等處理方法。

針對該工程一般擴建路段填方段，當填方高度小于2.2.m時，主要采用堆載預壓法處理；當填方高度位于2.2m～4.5m時，主要采用雙向水泥攪拌樁加固處理；當填方高度大于4.5m時，主要采用預應力管樁處理。但針對橋頭等結(jié)構(gòu)物路段，當填方高2m～5m，且軟土深度小于15m時，采用無擴大頭雙向水泥攪拌樁；當填方高2m～5m，且軟土深度大于15m時，3.5m以下主要采用不打穿的雙向攪拌樁，打設深度15m～18m，而3.5m以上采用預應力管樁；當填高大于5m時，采用預應力管柱。為加強新舊路堤搭接，減少不均勻沉降，應采取以下措施：將原路基邊坡挖成臺階狀，每級臺階高度應控制在1m～2m之間，臺階開挖順序應從下往上進行，應注意及時采取防護措施和填筑拼寬路基，防止雨水沖刷等引起邊坡滑坍，下級臺階及拼寬路基回填并壓實后方可進行上一級臺階的開挖。對新舊路堤搭接處施工時應進行增強補壓，以確保其壓實度在路面結(jié)構(gòu)底部沿著老路邊坡線對稱鋪設一層寬度為5m的鋼塑格柵。

圖1 擴建路基標準斷面圖

圖2 水泥攪拌樁+鋼塑格柵軟基處理橫斷面圖（單位：cm）

圖3 雙向水泥攪拌樁施工流程圖

圖4 雙向水泥攪拌樁現(xiàn)場施工圖

圖5 預應力管樁+鋼塑格柵軟基處理橫斷面圖（單位：cm）

3.軟土地基加固施工工藝

3.1 雙向水泥攪拌樁施工

雙向水泥攪拌樁主要通過在同心雙軸鉆桿上設置正向切削旋轉(zhuǎn)葉片和反向切削旋轉(zhuǎn)葉片，并在葉片上設置噴漿孔，雙軸鉆桿在轉(zhuǎn)動時噴出高壓水泥漿液，經(jīng)過內(nèi)外同軸鉆桿上葉片旋轉(zhuǎn)攪拌形成質(zhì)量均勻的水泥攪拌樁體。如圖2所示，攪拌樁材料采用42.5號普通硅酸鹽水泥，設計水灰比為1：0.45～0.55。上部擴大頭長度為3.0m、直徑1.0m，設計水泥用量為260kg/m；下部樁長12m～15m、樁徑0.5m，設計水泥用量為65kg/m；擴大頭部分采用四攪兩噴工藝施工，下部狀體采用兩攪一噴工藝施工。噴漿壓力不小于0.5MPa，擴大頭28d無側(cè)限抗壓強度應不小于1.0MPa，下部樁體28d無側(cè)限抗壓強度應不小于0.6MPa。施工前必須先選取典型路段，通過試打獲得合理的施工工藝參數(shù)，試柱數(shù)量不得少于3根。雙向水泥攪拌樁具體施工工藝，如圖3所示。

首先，平整場地按照設計樁位布置型式及尺寸放出各樁位置并標記清除，同時做好路基上部防排水措施，雙向攪拌機就位后，定位安裝準確，并進行樁位及垂直度校正，如圖4所示。

雙向攪拌設備安裝就位后進行調(diào)試，并通過現(xiàn)場雙向水泥攪拌樁試驗，確定相應施工參數(shù)，后續(xù)根據(jù)實際效果再進行及時調(diào)整。

攪拌下沉：雙向攪拌機鉆頭鉆進前，先進行通水試驗，檢查噴漿管路是否堵塞，然后詳細切削土體直至設計深度，下沉鉆進速度保持一致，確保切削土體均勻。

噴漿攪拌提升與重復攪拌下沉：鉆進至設計深度時，打開噴漿閥門，邊噴漿邊向上攪拌提升至樁頂標高，提升速度應控制在1.0m/min～1.5m/min，然后再次攪拌下沉與提升，下沉速度應控制在1.5m/min～2.0m/min（重復攪拌時可提高一個檔位），以保證成樁質(zhì)量。

鉆機移位：將攪拌鉆頭提升至樁頂以上時停止鉆機，并向進料斗中注入清水，清洗管路防止?jié){液凝固堵塞鉆桿。

3.2 預應力管樁加固施工

如圖5所示，預應力管樁外徑采用40cm，壁厚不小于60mm，每根管樁包含接樁和開口（閉口）型柱尖，樁尖采用閉口型，樁帽采用100×100×35cm型C30現(xiàn)澆混凝土樁帽。在場地允許的情況下，應盡量采用靜壓法沉樁。針對橋臺預應力管樁施工時，應提前預留出管樁施工位置，若樁位與管樁位置存在沖突時，可進行適當調(diào)整，確保與灌注樁凈距應大于1.0m。采用預應力管樁處理路段，樁頂50cm厚的填筑材料應采用粒徑不大于10cm，含泥量小于10%的清宕渣墊層。而鋼塑格柵施工次序為：清基后先鋪設20cm清宕渣并壓實，然后鋪設第一層格柵；對設置多層鋼塑格柵的，在下層格柵上鋪設30cm的路基填料并壓實，再鋪設上層鋼塑格柵。施工前必須選取典型路段，通過試打獲取合理施工工藝參數(shù)，試樁數(shù)量不小于3根。預應力管樁具體施工施工工藝過程如下：

預應力管樁施工前應進行場地平整與清理，再進行墊層鋪設，墊層高度與樁帽高度保持一致，柱帽澆筑前先挖除相應面積的墊層再進行樁帽的澆筑，第一層水平加筋鋪設在樁帽頂面。

預應力管樁應按照路基橫向由中間向兩邊，路基縱向由存在結(jié)構(gòu)物側(cè)向路基段逐排打設。

準確定位后應采取可靠的施工工藝，確保柱體質(zhì)量。防止因振動、擠土等作用導致柱體傾斜、折斷、柱體上浮、向外位移和地面隆起等。

4.路基施工檢測與監(jiān)測

4.1 路基施工檢測

擴建路基工程軟基處理施工中應嚴格按照相關規(guī)范及設計資料進行相應雙向水泥旋噴樁及預應力管樁施工質(zhì)量檢查項目的量測與檢驗試驗[5]，如表1和表2所示。根據(jù)檢測控制指標及時調(diào)整施工技術參數(shù)，確保軟基加固施工質(zhì)量，有利于控制路基填筑沉降，從而提升軟基處理的承載力和穩(wěn)定性。

4.2 樁基承載力試驗

通過鉆芯取樣法對不同深度的雙向水泥攪拌樁28d成樁無側(cè)限抗壓強度進行試驗，試驗結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，雙向水泥攪拌樁擴大頭（0～3m）28d無側(cè)限抗壓強度平均值為1.38MPa，下部3m～9m樁身與9m～15m樁身平均抗壓強度分別為0.82MPa和0.74MPa，均大于設計要求值。

從圖6中可以看出，預應力管樁打樁承載力要高于水泥攪拌樁，按照規(guī)范[6]中相關單樁承載力確定方法，單樁承載力荷載位移曲線出現(xiàn)典型陡降變化時，明顯陡降拐點對應荷載即為改樁的承載力，所以水泥攪拌樁單樁承載力達到310kN，預應力管樁單樁承載力為615kN，均高于設計要求單樁承載力檢測標準的200kN和400kN。

表1 雙向水泥攪拌樁施工質(zhì)量檢查與控制標準

表2 預應力管樁施工質(zhì)量檢查項目及控制標準

表3 雙向水泥攪拌樁無側(cè)限抗壓強度（MPa）

圖6 不同軟基處理單樁承載力曲線圖

圖7 路中沉降板布置圖

圖8 YK24+170典型斷面沉降時程曲線圖

表4 路中沉降板監(jiān)測結(jié)果

4.3 試驗段路基監(jiān)測

由于該工程所在區(qū)域廣泛分布海相沉積深厚軟土，路基填筑沉降大，同時高速公路對地基變形要求較高（如工后沉降、不均勻沉降及路面平整度等），因此需要對路基進行沉降觀測，同時根據(jù)沉降分析也可檢驗軟基處理的效果。軟基處理段主要采用路中沉降板進行路基沉降觀測，試驗段路基50m每個監(jiān)測點，路中沉降板由沉降板、測桿、連接管及護套管組成，隨著路基填筑高度不斷升高，測桿不斷接長，如圖7所示。施工期監(jiān)測頻率為1d/次，預壓期3d/次～7d/次，沉降穩(wěn)定期15d/次，試驗段監(jiān)測周期為7個月，選取不同軟基處理試驗段路基沉降，監(jiān)測結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，路基試驗段經(jīng)過水泥攪拌樁和預應力管樁加固處理后的路基累計沉降量較小，最大累計沉降量為38.77mm，均小于設計允許工后沉降標準值50mm，且月平均沉降均小于7mm/月的沉降速率控制指標。此外，從圖8可以看出，路基沉降變化較大值主要位于前期施工預壓堆載階段，隨著路基上部逐層堆載，路基沉降變形主要呈現(xiàn)“先緩慢增長-快速增長-逐漸趨于穩(wěn)定”3個階段，堆載預壓后連續(xù)兩個月沉降速率均小于5mm，表明路基沉降達到穩(wěn)定狀態(tài)，同時也說明擴建路基拼寬段軟基處理達到了預期效果。

5.結(jié)語

本文對比分析了3種軟基處理施工技術的優(yōu)缺點及適用范圍，結(jié)合擴建高速路基填筑高度、下部軟土深度及縱橫向變化等因素，確定了不同路基填筑段的軟基處理方法，并詳細介紹了雙向水泥攪拌樁和預應力管樁的加固施工工藝、參數(shù)及相應施工質(zhì)量控制標準。為防止路基拼寬段不均勻沉降，路基分層填筑時設置多層鋼塑格柵，確保擴寬路基的整體穩(wěn)定性。軟基處理加固承載力試驗結(jié)果表明，雙向水泥攪拌樁不同深度無側(cè)限抗壓強滿足設計要求，且單樁承載力均大于規(guī)范檢測標準值。而堆載預壓階段通過路基沉降監(jiān)測結(jié)果表明：路基沉降主要經(jīng)過“緩慢增長-快速增長-逐漸趨于穩(wěn)定”3個階段，累計沉降量及沉降速率均符合路基填筑沉降控制標準，表明擴建路基處理取得較好效果。