高壓旋噴樁處治運營高速公路沉降效果分析

劉惠麗

（山西交通控股集團有限公司 運城北高速公路分公司，山西 運城 044000）

0 引言

濕陷性黃土地基是高速公路地基處治的重點，如果處治不當(dāng)很容易在運營使用后造成路基路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的沉降變形，不僅破壞了路基路面整體結(jié)構(gòu)，還會影響行車安全，引發(fā)交通事故[1]。因此，運營后的高速公路如出現(xiàn)較大沉降變形，且較長時間仍不能達到穩(wěn)定，分析原因一般是由于地基沉降造成的，必須采取措施對地基進行加固[2]。結(jié)合右芮高速河運段沉降處治施工實踐，對路面沉降情況開展調(diào)查后制定方案采取高壓旋噴樁進行處治，布置測點進行監(jiān)測，分析監(jiān)測結(jié)果確定加固效果。

1 沉降情況調(diào)查

1.1 依托項目簡介

右芮高速河運段全長80.319 km，設(shè)計時速100 km/h，設(shè)計采用雙向四車道，整體式路基設(shè)計寬度為26 m。該高速公路右幅K36+393—K36+443段、K39+835—K39+885段、K40+835—K40+855段，左幅K36+600—K36+650段、K39+845—K39+895段、K40+830—K40+880段等6處地基為Ⅱ級自重濕陷性黃土，運營后出現(xiàn)了嚴(yán)重的橋梁臺背回填下沉和臺背脫空現(xiàn)象，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)地面以下15 m范圍內(nèi)含水量較大，地基承載能力差。該高速公路于2012年建成通車，沉降脫空路段由于道路兩側(cè)澆地管道破裂，大量水分滲入地基，造成地基出現(xiàn)不均勻沉降。沉降監(jiān)測發(fā)現(xiàn)路面出現(xiàn)了10～15 cm的沉降變形，導(dǎo)致路基路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重沉降變形。養(yǎng)護過程中曾對路面進行過修補，但并沒有達到預(yù)期的處治效果，修補后不久又出現(xiàn)了沉降開裂。為了快速恢復(fù)道路使用性能，徹底解決路基沉降變形問題，擬采用高壓旋噴樁對地基沉降進行處理。

1.2 沉降變形情況調(diào)查

右芮高速河運段于2012年12月建成通車，運營后不久就出現(xiàn)了橋梁臺背回填和涵洞臺背沉降變形的情況，進而造成路面出現(xiàn)大量裂縫。沉降量每年可達到3～5 cm，且沉降始終處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，沒有達到穩(wěn)定。為了保證高速公路安全通行，每年都采用加鋪瀝青層的方式修補路面病害。但由于沉降變形始終沒有穩(wěn)定，路面修補后不久又出現(xiàn)了沉降開裂等病害。因此，采用加鋪瀝青層的方式不能徹底修復(fù)道路沉降病害，要保證道路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定必須對地基進行徹底處治。為了制定合理的地基處治方案，對該段高速公路沉降變形情況進行調(diào)查，監(jiān)測路面中線處沉降變形情況，并收集數(shù)據(jù)繪制沉降變形曲線如圖1所示。

圖1 路面中線處累積沉降變形曲線

分析路面中線處累積沉降變形監(jiān)測結(jié)果，隨著監(jiān)測時間的增長，路面中線處的累積沉降變形不斷增加，且呈現(xiàn)不斷增長的趨勢。在監(jiān)測期間，每半年沉降量大概增加1～2 cm，且路面結(jié)構(gòu)的開裂情況也不斷趨于嚴(yán)重，說明該路段沉降變形一直沒有達到穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合施工路段的工程地質(zhì)情況，分析是由于在運營期間道路兩側(cè)澆地管道破裂，大量水分滲入地基導(dǎo)致地基產(chǎn)生了較大的沉降變形，必須重新制定措施對地基進行加固處治，以控制該路段沉降變形。

2 高壓旋噴樁處治方案

結(jié)合右芮高速河運段現(xiàn)場沉降監(jiān)測情況，設(shè)計采用高壓旋噴樁對地基進行處理。高壓旋噴樁設(shè)計樁徑0.6 m，樁長15 m，樁間距2.0 m，采用正三角形布置。樁體選用42.5普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比為1∶1，比重控制在1.48。施工機械選用MGJ-50型旋噴樁機，噴設(shè)壓力20 MPa，鉆頭旋轉(zhuǎn)速度為25 r/min。

鉆孔前，使用MGJ-50型旋噴樁機在原路面上鉆孔，鉆入加固土層后，通過注漿管、噴嘴將水泥漿高壓噴射到加固土體內(nèi)部，隨著鉆機的攪拌充分混合并凝固硬化[3]。為了確定水泥攪拌樁地基沉降處治效果，完工后在試驗路段布置沉降監(jiān)測點，對地基沉降變形和深層土體側(cè)向位移進行監(jiān)測，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處治效果[4-5]。地基處治完成且確定沉降穩(wěn)定后，對路面面層結(jié)構(gòu)進行銑刨，重新鋪筑復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)。

3 高壓旋噴樁處治沉降效果分析

3.1 沉降監(jiān)測方案

為了分析高壓旋噴樁對該路段地基處治的效果，在施工現(xiàn)場布置測點，安設(shè)觀測儀器，進行沉降變形和土體水平位移監(jiān)測。觀測儀器主要包括沉降釘、孔壓計和測斜儀，沉降釘布設(shè)在試驗路段中部和邊緣部位，主要用于監(jiān)測道路沉降變形；孔壓計布置在路面邊緣位置，用于監(jiān)測孔隙水壓力，埋設(shè)深度分別為5 m、10 m以及15 m處；測斜儀布置在距離路堤坡腳1 m處，用于監(jiān)測路基土體的側(cè)向位移，監(jiān)測斷面觀測儀器布置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測斷面觀測儀器布置圖（半幅）

3.2 現(xiàn)場試驗質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)

高壓旋噴樁施工完成后，待樁體固結(jié)達到一定強度后，對試驗路段進行鉆孔取芯，開展無側(cè)限抗壓強度試驗，確定成樁質(zhì)量。分別在試驗段左幅和右幅鉆孔取芯，每幅確定3個檢測點，每個檢測點鉆孔深度為15 m，從4 m處開始取芯，每米取芯一個，每個鉆孔取芯11個。為了驗證樁體成型質(zhì)量，將芯樣送至實驗室開展無側(cè)限抗壓強度試驗，樁身不同深度芯樣試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 樁身不同深度芯樣無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

分析無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果，大部分試驗28 d無側(cè)限抗壓強度均高于1.5 MPa，僅1號孔有部分芯樣無側(cè)限抗壓強度低于1.5 MPa，所占比例為9.1%。大部分芯樣無側(cè)限抗壓強度分布在1.5～3.5 MPa之間，占芯樣總數(shù)的81.8%，少數(shù)試樣高于3.5 MPa。所有芯樣28 d無側(cè)限抗壓強度平均值為2.52 MPa，滿足設(shè)計要求不低于1.5 MPa的要求，說明芯樣成型質(zhì)量滿足要求。

3.3 沉降監(jiān)測結(jié)果分析

試驗路段高壓旋噴樁施工完成后，分別在試驗段左幅和右幅路面上布置沉降釘，使用精密水準(zhǔn)儀和銦鋼尺進行觀測，進行了長達1年的沉降監(jiān)測。選取5個測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制沉降量隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 完工后1年各測點沉降變化曲線

分析圖4各測點沉降量隨時間變化曲線，各測點1年內(nèi)累計沉降量監(jiān)測值分布在0.5～3 cm，且僅有測點5累計沉降量超過2 cm，為2.9 cm，其余4個測點累計沉降量最大值為1.9 cm。分析測點5累計沉降量較大的原因，主要包括兩個方面：一是由于測點5所在位置地基附加應(yīng)力較大；二是由于施工破壞了原地基結(jié)構(gòu)，高壓旋噴注漿后由于漿液固化造成地基土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較多的骨架孔隙，進而導(dǎo)致公路整體結(jié)構(gòu)下沉造成的沉降量變大。總之，分析高壓旋噴樁完工后12個月的監(jiān)測結(jié)果，地基總體沉降量明顯下降。通過分析累積沉降量隨時間的變化曲線，監(jiān)測前期沉降速度快，后期路面沉降已逐步趨于穩(wěn)定，說明采用高壓旋噴樁對地基處治后有效減少了地基土的固結(jié)變形，控制了地基差異沉降。

3.4 深層水平位移監(jiān)測結(jié)果分析

為了確定不同深度路基土的水平位移變化情況，分別在路基兩側(cè)埋設(shè)測斜儀，選取K39+850監(jiān)測斷面作為研究對象，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制不同深度土體水平位移變化曲線如圖5所示。

圖5 不同深度土體水平位移變化曲線

分析圖5路基土深層水平位移變化曲線，可以得出隨著土層深度的增加，路基土水平位移呈現(xiàn)先減小再增大，最后又減小的變化趨勢。路基土最大水平位移發(fā)生在深度為0～2 m的路堤土層上，最大水平位移分別為17.97 mm。隨后路基土水平位移隨深度增加不斷減小，當(dāng)深度達到3～5 m時，又出現(xiàn)了增大的趨勢，最大值達到14.06 mm。出現(xiàn)這種情況的主要原因是由于澆地管道漏水造成的涵頂脫空，受到施工荷載的影響產(chǎn)生了較大的水平位移。分析圖5曲線變化趨勢，不同深度的路基土水平位移總體變形量不大，且隨著時間的增加呈現(xiàn)變小的趨勢。完工后3個月內(nèi)深層水平位移值增加速度較快，后期逐步趨緩，趨向穩(wěn)定。

3.5 路基沉降跟蹤監(jiān)測結(jié)果分析

為了進一步確定高壓旋噴樁施工效果，完工后3年內(nèi)在上述5個測點持續(xù)開展沉降監(jiān)測工作，對路基沉降進行跟蹤監(jiān)測。該路段于2017年9月完工，第1年數(shù)據(jù)選用上述監(jiān)測數(shù)據(jù)，第2～3年每4個月監(jiān)測1次，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制沉降量隨時間變化曲線如圖6所示。

分析圖6曲線變化情況，完工后1年內(nèi)沉降量增加速度較快，隨后逐步放緩，第3年和第4年基本趨于穩(wěn)定。大部分的沉降量都是完工后1年內(nèi)的沉降變形，隨后3年沉降量很小。結(jié)合路面基本情況，未發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)明顯的開裂和沉降變形。因此，分析沉降量跟蹤監(jiān)測結(jié)果，得出采用高壓旋噴樁對地基進行加固處治后，路基沉降變形已基本穩(wěn)定，說明處治效果較好，達到了預(yù)期目的。

圖6 完工后3年路基沉降跟蹤監(jiān)測曲線

4 結(jié)語

以右芮高速河運段沉降處治為研究背景，對高壓旋噴樁加固運營高速公路的現(xiàn)場調(diào)查、施工方案進行闡述，并布置測點開展沉降監(jiān)測、深度水平位移監(jiān)測和沉降跟蹤監(jiān)測，分析監(jiān)測結(jié)果得出以下結(jié)論：

a）高壓旋噴樁完工后，在施工現(xiàn)場進行鉆孔取芯，開展28 d無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果表明絕大多數(shù)芯樣抗壓強度超過了1.5 MPa，滿足設(shè)計要求，施工質(zhì)量合格。

b）分析沉降監(jiān)測結(jié)果，各測點累積沉降量較小，監(jiān)測前期沉降速度快，后期趨緩，說明采用高壓旋噴樁加固后有效減少了地基土的固結(jié)變形，控制了地基差異沉降。

c）分析路基土深層水平位移監(jiān)測結(jié)果，得出隨著土層深度的增加，路基土水平位移變化呈現(xiàn)先減小再增大，最后又減小的變化趨勢，總體位移值較小，主要為完工后前3個月的變形，后期逐步趨于穩(wěn)定。

d）分析沉降跟蹤監(jiān)測結(jié)果，得出完工后1年內(nèi)沉降量增加速度較快，為總沉降量的主要組成，隨后沉降變形逐步放緩，3年后已基本穩(wěn)定，說明高壓旋噴樁處治效果較好，達到了預(yù)期目的。