渝東北山區(qū)某涵洞地基加固處治技術(shù)

林永勝, 周小軍, 胡 偉, 高 佳

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶 400067)

隨著西部大開發(fā)和“一帶一路”戰(zhàn)略持續(xù)推進(jìn),我國高速公路網(wǎng)不斷向山區(qū)延伸和發(fā)展,建設(shè)中常遇到軟土地基路段[1-2],運(yùn)營中的深厚軟土段易出現(xiàn)路基下沉、路面變形、構(gòu)筑物開裂等病害。針對各類工況下深厚軟基處治,業(yè)界科技人員提出各種有針對性的處治方案。孫鈞[3]針對港珠澳大橋不同部段軟弱地基,采用多元復(fù)合地基處理方案,即島隧過渡段深厚軟基采用擠密砂樁復(fù)合地基加固處理,人工島段軟土層25 m～35 m局部困難地段采用PHC剛性樁。盛初根[4]針對閩南某高速涵洞沉降開裂,對設(shè)計(jì)截面200 mm×200 mm、樁長4 m～7 m的C25混凝土錨桿靜壓樁進(jìn)行了加固處治,取得了較好的加固效果。暢良臣[5]通過分析山區(qū)高速公路路基高填方涵洞構(gòu)造物處差異沉降處治問題,建立了不同填土高度涵洞模型,提出了改進(jìn)格柵處理方案。房建功[6]探究了粵北某深埋軟基段涵洞開裂變形病害機(jī)理,采用鑿除涵洞底板增設(shè)橫向布置間距(1+3+1)m的4排Φ108 mm鋼花管注漿,頂部澆筑混凝土與涵洞連為整體的處治方式以控制沉降。這些方案均是特定工程環(huán)境下采取的針對性方案,有一定的參考,但非普適方案。

本文針對渝東北山區(qū)某高速公路高填方涵洞,基于對深厚軟土段地形、地貌和地質(zhì)條件的詳細(xì)調(diào)查和對涵洞差異沉降病害原因的分析,提出多種處治方案并比選,依據(jù)理論計(jì)算和監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果,以檢驗(yàn)工程實(shí)際加固效果,驗(yàn)證方案可靠性,為今后山區(qū)公路結(jié)構(gòu)物基底深厚軟基處治設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

1 工程概況

該項(xiàng)目為雙向4車道高速公路,設(shè)計(jì)速度為80 km/h,路基寬度為25.5 m,瀝青混凝土路面,設(shè)計(jì)荷載等級為公路-Ⅰ級,交通工程及沿線設(shè)施等級為A級。涵洞地處TJ3合同段YK29+700中壩互通段,為2孔6.0 m×5.0 m鋼筋混凝土蓋板涵洞,頂板厚度1.2 m～1.3 m,采用C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);邊涵臺和中涵臺厚度分別為1.2 m和2.0 m,采用C30混凝土結(jié)構(gòu);基礎(chǔ)為整體式,厚2.0 m,采用C30混凝土結(jié)構(gòu),涵洞軸線與路線夾角30°。

1.1 工程地質(zhì)

涵洞區(qū)域?qū)儆跇?gòu)造-侵蝕低山及河谷堆積地貌區(qū),地表水受大氣降水和中壩河支流補(bǔ)給,調(diào)查期間涵洞附近水深0.4 m～0.6 m,流量2.3 m3/s,洪水季節(jié),最大水深1.5 m～2.5 m,流量36 m3/s。該范圍富水性較豐富、穩(wěn)定,主要向低洼處排泄。

圖1 勘探鉆孔布置及巖芯

1.2 涵洞病害成因分析

該涵洞原設(shè)計(jì)為一座2孔6.0 m×5.0 m鋼筋混凝土蓋板涵洞,基底采用2.5 m厚碎石進(jìn)行換填,洞頂為填石路基,填筑最大高度為16.1 m。路堤填筑至設(shè)計(jì)高度后,涵洞各部位均出現(xiàn)了不同程度的病害,主要表現(xiàn)為涵臺橫向開裂、涵節(jié)縱向錯臺、局部混凝土擠壓破損等,如圖2所示。兩側(cè)臺身裂縫主要分布在涵臺與底板倒角位置頂緣,張開度較小,裂縫寬度5 mm～10 mm;中墩裂縫主要分布在大里程方向中間部位,裂縫延伸至兩側(cè)沉降縫,張開度較大,裂縫寬度10 mm～30 mm,底板未發(fā)現(xiàn)裂縫;局部涵節(jié)出現(xiàn)縱向錯臺,錯臺高度20 mm～60 mm;部分涵臺及頂板因沉降變形受擠壓導(dǎo)致混凝土局部開裂。

圖2 涵洞主要病害情況

結(jié)合鉆探結(jié)果,涵洞基底下方為厚度5 m～19.5 m的淤泥質(zhì)粘土,顏色呈深灰色和灰黑色,干裂面存在大量黑色有機(jī)物。土工試驗(yàn)表明,該部分淤泥質(zhì)粘土樣天然孔隙比大于1.0,壓縮系數(shù)大于0.50 MPa-1,天然含水量大于35%,接近液限,承載力弱,抗剪強(qiáng)度低,壓縮性高,且遇水飽和承載力急劇降低,極易引發(fā)較大沉降。

鉆探地質(zhì)剖面揭示,巖土界面等高線起伏較大,場地土層分布極不均勻,涵洞橫剖面小樁號涵身位于壓縮性較小碎石土層,大樁號涵身位于壓縮性較大淤泥質(zhì)粘土層,數(shù)米范圍跨越2種完全不同性質(zhì)土層,加劇了涵洞不均勻沉降。

涵洞設(shè)計(jì)為蓋板涵結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土,橫向?qū)挾?7.0 m,厚度2.0 m,整體剛度較大;涵臺采用素混凝土,地基不均勻沉降引起涵臺產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力;而涵洞又位于高填方路基段,頂部最大填高16.1 m產(chǎn)生較大豎向荷載;在內(nèi)外應(yīng)力共同作用下,涵臺出現(xiàn)開裂、錯臺、局部擠壓破壞。

2 地基加固處治方案

2.1 地基加固方案比選

涵洞凈高和基礎(chǔ)底板厚度為施工主要限制條件,單孔凈高5 m,底板鋼筋混凝土厚2 m。針對該項(xiàng)目特點(diǎn),提出高壓旋噴樁[7]、錨桿靜壓樁[8]、預(yù)制樁[9]、樹根樁[10]等多種處治方案,對不同類型復(fù)合地基處治方案綜合比選,如表1所示。

表1 涵洞基底軟基處治方案技術(shù)對比

綜合對比分析表1,確定采用涵洞底板小孔徑引孔+小直徑樁高壓旋噴樁進(jìn)行地基加固,可最大限度減小對底板鋼筋破壞,并提高承載力控制涵洞基底的不均勻沉降。

2.2 高壓旋噴樁設(shè)計(jì)

涵洞基底采用旋噴樁進(jìn)行處治,高壓旋噴樁地基加固設(shè)計(jì)如圖3所示。

(a) 典型斷面

褥墊層采用涵洞原換填碎石層;旋噴樁樁徑為0.5 m,樁長進(jìn)入底部碎塊石土層不小于1 m,靠近涵洞邊墻位置,邊樁按與豎直方向向外側(cè)成5°傾角向外側(cè)施工;依據(jù)承載力要求不同,樁間距按不同間距布置,結(jié)合涵洞底板單個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段(6 m×4 m)及鋼筋布設(shè)情況,進(jìn)水口側(cè)處治范圍約72 m,樁位按0.74 m×1.0 m矩形布置,每個重復(fù)單元置換率0.23,主筋截?cái)鄶?shù)少于4根;出水口側(cè)處治范圍約46 m,樁位按0.74 m×0.8 m矩形布置,每個重復(fù)單元置換率0.33,主筋截?cái)鄶?shù)少于5根。

2.3 高壓旋噴樁承載力及變形計(jì)算

1) 承載力計(jì)算

涵洞基底為5 m～19.5 m不等淤泥質(zhì)粘土層,當(dāng)?shù)鼗芰臃秶鷥?nèi)有軟弱下臥層時,應(yīng)滿足軟弱下臥層承載力要求。選擇最不利典型斷面,簡化計(jì)算模型如圖4所示,土體主要物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。土層軟弱下臥層地基承載力由式(1)進(jìn)行理論推算[11-12]:

表2 巖土物理力學(xué)參數(shù)

圖4 典型斷面簡化計(jì)算模型

Pcz+Pz≤faz

(1)

式中:Pz為軟弱下臥層頂面處附加壓力值,kPa;Pcz為軟弱下臥層頂面處土的自重壓力值,kPa;faz為軟弱下臥層頂面處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值,kPa。

軟弱下臥層地基承載力驗(yàn)算結(jié)果如表3所示。由表3可知,經(jīng)旋噴樁處治后,軟弱下臥層滿足承載力要求。

表3 經(jīng)旋噴樁處治后下臥層承載力評價(jià)

2) 變形計(jì)算

地基變形計(jì)算深度按簡化公式計(jì)算,其中b為基礎(chǔ)寬度,m;結(jié)合地質(zhì)斷面軟基厚度,綜合確定變形計(jì)算深度26 m。沉降變形計(jì)算由式(2)進(jìn)行理論推算[11-12]:

(2)

各斷面最終變形值、淤泥質(zhì)粘土層變形值、施工期變形值和工后變形值驗(yàn)算結(jié)果如表4所示。表4結(jié)果表明,經(jīng)旋噴樁處治后,各斷面工后沉降均小于200 mm,滿足規(guī)范要求。

表4 經(jīng)旋噴樁處治后不同時期沉降變形計(jì)算值 mm

2.4 現(xiàn)場變形監(jiān)測

為觀測涵洞基底地基變形發(fā)展,實(shí)時掌握沉降變化情況,保證施工過程安全性,對涵洞加固處治前、加固過程中及加固處治后豎向位移進(jìn)行了監(jiān)測,測點(diǎn)布設(shè)如圖5所示,各測點(diǎn)豎向位移監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖5 變形監(jiān)測點(diǎn)布置

(a) 邊墻底測點(diǎn)累積豎向位移

由圖6可知,方案變更前原設(shè)計(jì)監(jiān)測點(diǎn)累積豎向位移從平穩(wěn)變化至急劇增大,該階段涵洞基底土體經(jīng)歷從局部剪損發(fā)展為整體破壞過程;采用洞內(nèi)底板小直徑引孔+高壓旋噴樁地基處治變更方案后,監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)豎向位移由持續(xù)變大向平穩(wěn)變化轉(zhuǎn)變,該階段隨旋噴樁強(qiáng)度逐漸形成,基底軟弱土層變形逐漸得到控制。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,2023年5月較2023年4月各測點(diǎn)沉降差最小值-0.2 mm,最大值-2.9 mm,2023年6月較2023年5月各測點(diǎn)沉降差最小值-0.1 mm,最大值-1.2 mm,連續(xù)2個月觀測沉降差均不超過5 mm[13],地基處治效果顯著。

3 結(jié)論

1) 對山區(qū)地形復(fù)雜,地質(zhì)條件多變路段,必須基于詳細(xì)工程地質(zhì)勘察,查明不良地質(zhì)情況,掌握構(gòu)筑物基底深厚軟基特性及分布規(guī)律,從而提出針對性設(shè)計(jì)方案,以減少和避免工程建設(shè)變更。

2) 山區(qū)高速公路網(wǎng)延伸使得高填方涵洞占比增大,涵洞差異沉降病害受外部荷載、涵洞自身結(jié)構(gòu)以及下覆地基地質(zhì)條件綜合作用產(chǎn)生,應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)該類薄弱環(huán)節(jié)構(gòu)造物的處治設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量動態(tài)控制。

3) 采用洞內(nèi)底板小直徑引孔+高壓旋噴樁的加固地基處治方案,能有效處治山區(qū)深厚軟基不均勻沉降造成的涵洞病害,可為今后狹小空間地基處理和建設(shè)提供工程參考。