粉噴樁加土工合成材料在軟基加固工程中的應(yīng)用

李 艷，周慶華

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路與鐵道工程學(xué)院，陜西西安710018）

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的背景下，我國(guó)既有交通網(wǎng)絡(luò)的通行壓力越來越大，基于這一現(xiàn)實(shí)因素的驅(qū)動(dòng)，相關(guān)部門急需對(duì)現(xiàn)有的公路網(wǎng)進(jìn)行改擴(kuò)建。在高速公路拓寬工程中，直接加寬與分離式加寬是兩種重要的施工方式[1]，前者的應(yīng)用更加廣泛。高速公路拓寬工程涉及的問題較之新建工程而言要復(fù)雜得多[2]，其中，軟土路基的差異沉降[3]問題是需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)因素。在我國(guó)，軟土有非常廣泛的分布，特別是在沿海地區(qū)、長(zhǎng)江與珠江三角洲等濱海與湖沼地帶更多，表現(xiàn)出含水量高、壓縮性強(qiáng)、滲透性弱、靈敏度高、強(qiáng)度小、土層厚且不均勻等特點(diǎn)，在其上進(jìn)行高速公路拓寬會(huì)由于新、舊軟基固結(jié)狀態(tài)的不同而出現(xiàn)不均勻沉降，如果差異沉降量太大，會(huì)使新、舊路面的結(jié)合位置出現(xiàn)縱向裂縫，造成路面結(jié)構(gòu)的損壞。

粉噴樁施工技術(shù)可以減少總的沉降量，承受的加荷速率也較大，此外，有比較突出的抗側(cè)向變形能力，能夠有效將施工周期縮短，在高速公路、鐵路以及市政工程等多種類軟基加固工程中應(yīng)用廣泛[4]。另一方面，土工合成材料抗拉性能強(qiáng)，通過將其在軟基底部埋設(shè)，能夠優(yōu)化軟基土體的整體受力情況，將路堤與路基的整體穩(wěn)定性提升，減少側(cè)向變形量與豎向沉降量。通過聯(lián)合使用粉噴樁技術(shù)與土工合成材料處理方法，能夠?qū)⑺鼈兏髯缘奶攸c(diǎn)發(fā)揮出來，加強(qiáng)對(duì)高速公路拓寬工程軟基的加固效果。

1 粉噴樁加土工合成材料加固軟土路基的構(gòu)想

在用粉噴樁[5-7]技術(shù)對(duì)高速公路拓寬工程軟基進(jìn)行處理之時(shí)，粉體是主要的加固材料，整個(gè)施工作業(yè)無需添加水，粉體在注入軟基之后，會(huì)對(duì)軟土中的水分進(jìn)行吸收，以此形成有較大剛度的樁體。在加固處理之后，軟基的強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度會(huì)在較大程度上被增加，不必預(yù)壓，有較高的安全性，且能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)保要求的滿足，可明顯提高加固區(qū)承載力以及軟基的整體穩(wěn)定性。雖然目前此方法有十分廣泛的應(yīng)用，但并不表明它是適用于任何環(huán)境的，對(duì)于地下水與土質(zhì)成分會(huì)侵蝕水泥的情況，粉噴樁加固技術(shù)并不適用。工程實(shí)踐顯示，受到外荷載的影響，粉噴樁體同樁間土之間有較為明顯的沉降差異，這會(huì)引發(fā)不均勻沉降的問題；而當(dāng)粉噴樁樁體的強(qiáng)度與承載力存在差異時(shí)，亦會(huì)有相應(yīng)的沉降差出現(xiàn)。

土工合成材料[8-10]強(qiáng)度等力學(xué)性能優(yōu)異，與土顆粒之間的摩擦力比較大，同時(shí)，透水性能好，連續(xù)且柔韌，在高速公路拓寬工程軟基加固中可發(fā)揮以下作用：（1）加筋作用，材料可對(duì)軟基土的應(yīng)力進(jìn)行擴(kuò)散，同時(shí)，增加土體模量，減少土體側(cè)向位移現(xiàn)象的發(fā)生，通過與筋形成一個(gè)整體，土工合成材料可賦予軟基相應(yīng)的抗拉、抗剪、抗壓與抗彎能力，在增強(qiáng)軟基承載力與增加軟基整體穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出較好的效果；（2）排水作用，土工合成材料可制作土工格柵，并進(jìn)一步與軟土中的粗料體、排水管等構(gòu)成排水系統(tǒng)，匯聚軟土中的水分，并沿材料平面將它們排出；（3）隔離作用，土工合成材料制成的土工格柵能夠隔離不同級(jí)配的土、砂、石料、地基或其他建筑物，避免相互混雜、各材料完整性降低以及土粒流失等現(xiàn)象發(fā)生。

雖然土工合成材料的作用比較多，但單純用其進(jìn)行軟基的加固，并不能發(fā)揮出很好地控制沉降的功效，而如果只是使用粉噴樁技術(shù)，必須對(duì)樁進(jìn)行緊密地布置，不然會(huì)因?yàn)闃杜c樁間土之間沉降量的不同使得路堤頂面出現(xiàn)高低不平的情況，對(duì)其使用性能產(chǎn)生影響，將拓寬的高速公路的使用壽命縮短。其實(shí)，作為復(fù)合地基中的豎向加固體，水泥粉噴樁可有效分擔(dān)外荷載壓力，并將它們傳至深層土中，而土工復(fù)合材料作為水平加固體，通過在粉噴樁上平鋪，能夠形成復(fù)合土體墊層，適當(dāng)增大樁間距并促進(jìn)樁土的共同作用，將群樁的整體效果以及軟基的承載力強(qiáng)化，而對(duì)于軟基土體的側(cè)向滑移，效果亦比較明顯。

2 粉噴樁加土工合成材料在軟基加固工程中的應(yīng)用

2.1 工程概況

某高速公路原設(shè)計(jì)的是4車道，在交通量大規(guī)模增加的影響下，先前的4車道已經(jīng)無法與經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)所需相適應(yīng)，故需將其拓寬為8車道。拓寬工程施工之前，地質(zhì)勘探人員通過勘察確定此段路基地層由上至下一共有四層，其中，第一層為素填土層，厚度約為1.4～3.0 m，有比較好的物理力學(xué)性質(zhì)；第二層為淤泥層，厚度約為3.3～6.0 m，顏色表現(xiàn)為灰黑色，流塑，內(nèi)有一些腐殖物，中間夾著比較薄的粉砂，有較高的含水量以及較大的可壓縮性，抗剪強(qiáng)度比較弱，此次加固處理與變形控制主要以該層為對(duì)象；第三層為粉質(zhì)粘土層，厚度約為3.4m，顏色為灰色，中間夾著中砂，壓縮性能為中等；第四層為全風(fēng)化砂巖層。

2.2 施工工藝

（1）施工放樣。粉噴樁加土工合成材料施工的第一步應(yīng)先做好打樁的準(zhǔn)備工作，亦即以路基拓寬方案及其設(shè)計(jì)參數(shù)等為依據(jù)進(jìn)行剖面圖的繪制。具體地，此次施工作業(yè)選擇用粉噴樁加一層土工格柵[11-13]與一層土工布[14-16]對(duì)高速公路拓寬位置的新軟基進(jìn)行加固處理，為了能夠?qū)⒂倌鄬哟虼?，粉噴樁樁長(zhǎng)設(shè)為7.0～8.0 m，樁徑大約為50cm，樁與樁之間的間隔為1.2m，布置形狀為三角形。此外，在土工格柵與土工布之間，用厚度為50cm的砂性土進(jìn)行填充。圖1所示為此次高速公路拓寬位置開挖與軟基加固方案剖面示意圖。上述工作完成之后，借助全站儀等測(cè)量工具，通過對(duì)施工里程樁號(hào)的參考，進(jìn)行具體施工區(qū)域的放樣。最后，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)地面與樁頂標(biāo)高，并編號(hào)樁位，為后期施工管理提供便利。

圖1 高速公路拓寬位置開挖與軟基加固方案剖面示意圖（單位：m）Fig.1 Schematic diagram of the cross section of the excavation at the widening position of the expressway and the reinforcement of the soft foundation (unit: m)

（2）施工場(chǎng)地。在進(jìn)行打樁作業(yè)之前，先整平處理打樁區(qū)域，清理干凈地面塊石與垃圾等雜物，同時(shí)，精準(zhǔn)定位打樁具體位置。若打樁區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)地勢(shì)較低的地段，則用素土將其填平，如果低洼地段含有積水與淤泥，還需先將水與淤泥排出。另外，對(duì)于一些地質(zhì)較差的區(qū)域，需采取填鋪砂礫石墊層等方式適當(dāng)將這些地段加固，以保證施工的正常進(jìn)行。而為了避免打樁所用水泥被雨水浸濕等引起水泥受潮或結(jié)塊現(xiàn)象的發(fā)生，還應(yīng)設(shè)置水泥堆放臺(tái)，高度應(yīng)在原地面0.5m之上。

（3）施工機(jī)械。試樁過程中，粉噴樁樁機(jī)需具備自動(dòng)記錄與打印功能，為保證較短的工期，選用雙向水泥攪拌樁，其施工為在下鉆的同時(shí)進(jìn)行噴粉作業(yè)，當(dāng)?shù)竭_(dá)底標(biāo)高之后向上升高，待升至與地面相距0.5m時(shí)不再噴粉，樁機(jī)鉆頭到達(dá)地面之后，結(jié)束樁施工。圖2為雙向水泥攪拌樁。

圖2 雙向水泥攪拌樁Fig. 2 Two-way cement mixing pile

（4）樁機(jī)對(duì)位。結(jié)合圖1剖面圖，明確樁機(jī)加固位置。施工過程中，樁機(jī)同確定好的樁位偏差不宜超過5cm。在完成一個(gè)樁后，移動(dòng)打樁機(jī)械繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)樁的施工作業(yè)，為避免機(jī)械移動(dòng)破壞定位好的樁位情況的發(fā)生，在樁機(jī)上綁定一根垂直于樁機(jī)的長(zhǎng)竹竿，并在其上量取與鉆桿中心到同排樁之間相等的間距作記號(hào)，最后，用細(xì)繩在竹竿記號(hào)處懸掛一個(gè)小物體，如此便能為樁機(jī)作業(yè)人員樁位對(duì)準(zhǔn)提供便利。

（5）下鉆與噴粉。待樁機(jī)移動(dòng)至指定位置且鉆機(jī)就位之后，進(jìn)行送氣作業(yè)，當(dāng)鉆頭與地面之間距離大于0.5m后，進(jìn)行送粉作業(yè)，此環(huán)節(jié)需密切觀察鉆頭是否被封堵。鉆機(jī)破土速度應(yīng)一致于外鉆桿旋轉(zhuǎn)速度，在地質(zhì)較好的土層中，內(nèi)鉆桿的鉆進(jìn)速度不宜過快。噴粉時(shí)，需均勻送粉，若打樁環(huán)節(jié)出現(xiàn)送粉量不足或者是停電狀況，需要重新打樁，保證新打的樁的水泥漿用量。

（6）鋪設(shè)土工格柵與土工布。在結(jié)束粉噴樁施工之后，繼續(xù)鋪設(shè)土工格柵（第二層）與土工布（第一層），兩層之間進(jìn)行厚度為50cm的砂性土的填充。土工格柵與土工布的鋪設(shè)方式對(duì)橫向鋪設(shè)予以采用，搭接寬度不小于20cm。在進(jìn)行土工布鋪設(shè)作業(yè)時(shí)，先將一端錨固，保證土工布鋪設(shè)的平整性，之后錨固另一端。在新、舊路基的交界位置，土工格柵與土工布均以縱向方式進(jìn)行鋪設(shè)，用于過渡銜接，過渡的長(zhǎng)度為伸入沒有打粉噴樁的老路基10m，在橫縱向的銜接位置，用直徑為6cm的鋼筋加固成的U型扣錨固土工布與土工格柵，整個(gè)鋪設(shè)作業(yè)結(jié)束之后盡快填土隱蔽。

3 軟基加固效果分析

3.1 實(shí)測(cè)土壓力

該高速公路拓寬工程典型軟基路段經(jīng)粉噴樁加土工合成材料加工處理之后的土壓力實(shí)測(cè)曲線如圖3所示。根據(jù)圖3，當(dāng)填土高度不超過4.0m，且其荷載不大于80kPa時(shí)，粉噴樁同土工合成材料的受力情況并沒有明顯的差異，但是在填土高度不斷增加的過程中，粉噴樁承受的土壓力呈現(xiàn)出逐漸增加的態(tài)勢(shì)，由比較陡的樁上土壓力曲線可知，在增加的初期階段，土壓力以一個(gè)比較快的速度在增加，之后，樁上土壓力曲線變得比較平緩，這又表明與荷載的不斷增加相伴隨，樁與土中的土壓力增加速度呈現(xiàn)出逐漸減慢之勢(shì)。在土工布與土工格柵的共同作用之下，若荷載未超過80kPa，土工布與土工格柵所受之力是相對(duì)充分的，但是，與荷載的不斷增加相伴隨，雖然土工布與土工格柵依舊能發(fā)揮相應(yīng)的作用，但在其自身延伸率的束縛之下，對(duì)變形的抵抗能力會(huì)逐漸趨弱，這種情形下，大部分的填土荷載會(huì)隨著條件的改變而轉(zhuǎn)為由粉噴樁承擔(dān)。具體來看，土工布與土工格柵的作用是對(duì)加固涂層中樁土應(yīng)力的分配情況作相應(yīng)的調(diào)整，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)不均勻沉降現(xiàn)象的減少，將軟基的抗滑穩(wěn)定能力加強(qiáng)，同時(shí)，降低軟基中土的側(cè)向擠出量。

圖3 粉噴樁加土工合成材料加固處理后典型路段土壓力實(shí)測(cè)曲線Fig.3 Measured curve of soil pressure in a typical road section after DJM piles and geosynthetics are strengthened

3.2 路基地表沉降

高速公路拓寬工程典型軟基路段經(jīng)粉噴樁加土工合成材料加工處理之后的荷載與沉降變化實(shí)測(cè)曲線如圖4所示。根據(jù)圖4，拓寬新路基邊坡中部較之拓寬新路肩的沉降量要小，究其原因，在于邊坡中部的填土高度相對(duì)較低。在拓寬工程中，路基的填土具有連續(xù)性，中間就算有停歇，時(shí)間也不會(huì)很長(zhǎng)，因而其沉降過程中會(huì)表現(xiàn)出比較大的曲線斜率。經(jīng)測(cè)試，在整個(gè)填土期，沉降速率最大值只有8.0mm/d，意味著經(jīng)過粉噴樁加固處理之后，路基穩(wěn)定性與安全性可以得到保證，該加固技術(shù)可將快速加載的作用較為有效地發(fā)揮出來，有利于施工填土周期的縮短。

圖4 粉噴樁加土工合成材料加固處理后典型路段荷載與表面沉降實(shí)測(cè)曲線Fig. 4 Measured curve of load and surface settlement of typical road section after DJM pile plus geosynthetic material reinforcement treatment

4 結(jié)語

為解決高速公路中迅猛增長(zhǎng)的交通量所帶來的巨大通行壓力，進(jìn)行公路拓寬是一種常見的方法。而由于拓寬過程中新老路基有不同的固結(jié)狀態(tài)，故需要基于對(duì)不同路基軟土情況的考慮，采用適當(dāng)?shù)牡鼗幚矸椒?，達(dá)到協(xié)調(diào)新老路基變形情況的目的。通過使用粉噴樁加土工復(fù)合材料技術(shù)進(jìn)行軟土路基的處理，可形成復(fù)合地基，對(duì)加固土層中樁土應(yīng)力的分配情況作相應(yīng)的調(diào)整，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)不均勻沉降現(xiàn)象的減少，將軟基的抗滑穩(wěn)定能力加強(qiáng)，同時(shí)，降低軟基中土的側(cè)向擠出量。此外，還可將快速加載的作用較為有效地發(fā)揮出來，有利于施工填土周期的縮短。