高壓旋噴樁處理公路橋臺(tái)軟基沉降長期監(jiān)測(cè)分析

張志明，張軒溥

(廣州公路工程集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 510075)

0 引言

橋臺(tái)路堤連接部位工后不均勻沉降是深厚軟土地層公路橋梁常見的質(zhì)量通病,如處理不當(dāng)將引起橋臺(tái)錐坡下沉、路面開裂和橋頭跳車等問題,目前主要采用CFG樁、攪拌樁和預(yù)制管樁等方法進(jìn)行軟土路基加固。但受加固區(qū)域軟土層厚度不均和性質(zhì)差異大等因素影響,采用均勻布樁的方式雖然能夠減小路基工后總沉降量,但加固處理費(fèi)用高、經(jīng)濟(jì)性差,且處理后仍有可能產(chǎn)生不均勻沉降。

國內(nèi)學(xué)術(shù)界和工程界針對(duì)公路橋臺(tái)軟基沉降控制問題進(jìn)行了大量研究。如:趙瑋[1]等通過有限元法研究了不同樁長和樁距組合條件下公路橋臺(tái)軟基沉降的變化規(guī)律;顧紅偉[2]等對(duì)某高速公路軟土路基的地質(zhì)情況和病害情況進(jìn)行調(diào)查,探討了不同通車使用時(shí)間后攪拌樁加固與瀝青路面加鋪兩種處理方法的技術(shù)效果與維護(hù)成本;田攀[3]等采用三維數(shù)值方法研究高壓旋噴樁的樁位布置、幾何尺寸和加載時(shí)間等因素影響對(duì)工后沉降的作用機(jī)理;廖璐璐[4]等依托某高速公路軟基路段開展指導(dǎo)高壓旋噴樁施工的試樁試驗(yàn),總結(jié)了旋噴樁旋轉(zhuǎn)提升速度、注漿泵工作壓力和水泥用量等參數(shù)的確定依據(jù)和施工質(zhì)量問題的成因;時(shí)林軍[5]結(jié)合高壓旋噴樁在某高速公路軟基處理中的應(yīng)用案例,對(duì)比單管高壓旋噴樁與其他地基處理方法在節(jié)約投資和縮短工期方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),提出質(zhì)量控制和現(xiàn)場(chǎng)工作協(xié)調(diào)管理是該類地基加固方法的工作重點(diǎn);Borges[6]等建立了二維高壓旋噴樁模型,分析了填土高度、樁間距、樁體彈性模量對(duì)高壓旋噴樁加固效果的影響。文獻(xiàn)[7-9]結(jié)合實(shí)際的高壓旋噴樁加固軟基橋臺(tái)工程實(shí)例,歸納總結(jié)了在該類場(chǎng)地條件下旋噴樁路基加固設(shè)計(jì)、施工與監(jiān)測(cè)應(yīng)注意的問題。

根據(jù)已有研究資料可知,現(xiàn)有文獻(xiàn)主要圍繞軟基處理方法進(jìn)行數(shù)值分析和試驗(yàn)研究,通過現(xiàn)場(chǎng)長期變形監(jiān)測(cè)分析軟基加固效果的研究成果尚不多。本文依托廣東某高速公路高壓旋噴樁處理軟基路段項(xiàng)目,持續(xù)進(jìn)行了長達(dá)8年的路基沉降工后監(jiān)測(cè),評(píng)價(jià)試驗(yàn)段橋臺(tái)高壓旋噴樁軟基處理對(duì)工后沉降的控制效果,并進(jìn)一步分析了不同樁距、樁徑等因素對(duì)高壓旋噴樁處理效果的影響,以期為今后類似高等級(jí)公路橋臺(tái)軟基段的加固設(shè)計(jì)提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

本文軟基試驗(yàn)路段位于廣東省東部某高速公路,通車后發(fā)現(xiàn)未采用樁基加固的橋頭軟基段出現(xiàn)跳車嚴(yán)重、路面開裂破壞等情況,工后最大沉降量超過50cm且沉降速率發(fā)展較快。為此,本項(xiàng)目選取5處橋臺(tái)采用高壓旋噴樁進(jìn)行處理。為適應(yīng)橋頭軟基段的不均勻沉降,沿縱向按不同樁距進(jìn)行漸變過渡。樁的布置以近似等腰三角形為主,樁距以0.5m的增量進(jìn)行漸變。樁端穿過軟土層深度至少大于1m,樁頂位于路基填土層底部,樁徑包括600mm、800mm和1 000mm等三種。表1為各軟基路段采用的高壓旋噴樁加固處理方案。

表1 高壓旋噴樁軟基處理方案

2 軟基監(jiān)測(cè)方案

由于5處橋臺(tái)均采用類似的沉降監(jiān)測(cè)方法,本文以路段A為例進(jìn)行分析。橋臺(tái)布置2個(gè)監(jiān)測(cè)縱斷面,各縱斷面設(shè)7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別位于路緣帶和硬路肩位置。其中:XC1、XC14位于樁距為2m的處理區(qū)域段,XC2、XC13位于樁距為2.5m的處理區(qū)域段,XC3、XC12位于樁距為3m的處理區(qū)域段,XC4、XC11位于樁距為3.5m的處理區(qū)域段,XC5、XC10位于樁距為4m的處理區(qū)域段,XC6、XC9位于樁距為4.5m的處理區(qū)域段,XC7、XC8位于處理區(qū)域的尾端外側(cè)。高壓旋噴樁位置的布設(shè)情況如圖1所示,橋臺(tái)地質(zhì)剖面如圖2所示。由橋頭往路基方向路基填砂的厚度變化不大,約為7.5～7.9m;軟土分布厚度及深度在XC1～XC5范圍均變化不大,底層埋深約為22.5m,厚約15m,但在XC6點(diǎn)附近變厚、變深,底層埋深達(dá)26.1m,厚約19m。

圖1 橋臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置(路段A)

圖2 橋臺(tái)軟基段工程地質(zhì)剖面(路段A)

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 整體沉降速率

表2和表3為橋臺(tái)軟基段年度沉降速率分析匯總。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)軟基沉降速率受軟土層分布厚度的影響有所不同,但逐年總體均呈減小的趨勢(shì)。2018年K2540+948通道橋3處橋臺(tái)的沉降速率為0.002～0.003mm/d,鄰近軟基的沉降速率為0.005～0.015mm/d,經(jīng)軟基處理后汾臺(tái)右幅的沉降速率降為0.003mm/d。2018年度,經(jīng)處理后的橋臺(tái)軟基與鄰近軟基的沉降相比,沉降速率下降2～5倍,與處理前2010年度的軟基沉降速率相比,降低約17倍。

表2 橋臺(tái)段各年度常規(guī)監(jiān)測(cè)沉降速率(單位:mm/d)

表3 鄰近軟基段各年度常規(guī)監(jiān)測(cè)沉降速率(單位:mm/d)

3.2 樁間距的影響

由圖3可知,2011年度監(jiān)測(cè)到的沉降速率比處理前降低不明顯,但自2012年開始沉降速率顯著降低,且下降幅度與樁間距的大小關(guān)系密切。在旋噴樁加固處理前,2010年度監(jiān)測(cè)的平均沉降速率為0.051mm/d。在2018年樁間距2m的處理區(qū)域內(nèi)沉降速率下降至0.001mm/d,樁間距5m的處理區(qū)域內(nèi)沉降速率也下降至0.005mm/d,分別下降了51倍和10倍,表明軟基加固采用的樁間距越小(樁數(shù)越多)、地基處理對(duì)工后沉降的控制效果越理想。

圖3 高壓旋噴樁間距與沉降速率的關(guān)系

圖4給出了采用不同樁間距加固的路基沉降速率曲線。橋臺(tái)軟基由于受高壓旋噴樁施工擾動(dòng)和水泥凝結(jié)過程的影響,在工后1年內(nèi)(2011年9月)的軟基沉降速率均較大,普遍達(dá)到0.400～0.438mm/d。在工后第8年(2018年)監(jiān)測(cè)到的沉降速率已逐漸趨于平穩(wěn),樁間距2.0m、2.5m、3.0m、3.5m處理區(qū)域內(nèi)的軟基沉降速率均小于0.02mm/d。其它樁間距處理區(qū)域內(nèi)的沉降速率也可見較明顯的收斂。

圖4 不同樁距橋臺(tái)沉降速率與時(shí)間關(guān)系曲線

3.3 工后累計(jì)沉降

如圖5所示,橋臺(tái)軟基段工后約8年時(shí)間產(chǎn)生的累計(jì)沉降為56.4～125.6mm。第一年累計(jì)沉降為17.2～84.3mm,約占27%～66%;第二年累計(jì)沉降為11.9～20.6mm,約占12%～27%;第三年累計(jì)沉降為7.8～17.1mm,約占7%～18%;第四年累計(jì)沉降為4.6～12.1mm,約占4%～13%;第五年累計(jì)沉降為4.6～12.1mm,約占5%～13%;第六年累計(jì)沉降為2.9～8.8mm,約占3%～9%;第七年累計(jì)沉降為58～128mm,約占1%～3%;第八年累計(jì)沉降為59.7～128.3mm,總體小于1%。大部分沉降在工后3年時(shí)間內(nèi)完成,后期隨著沉降速率的降低,監(jiān)測(cè)累計(jì)沉降量趨于穩(wěn)定。

圖5 橋臺(tái)軟基處理工后累計(jì)沉降-時(shí)間關(guān)系曲線(開始時(shí)間:2010年9月)

圖6為自2015年9月開始記錄的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量。在樁間距為2m的處理區(qū)域段,旋噴樁加固后第八年的沉降量僅1.2mm,沉降已處于較低水平,軟基處理取得了良好效果。樁間距5m的旋噴樁加固區(qū)域路基累計(jì)沉降量最大,可達(dá)10mm以上。路基沉降隨樁間距和樁徑的減小而減小,最小沉降量為5mm,線路縱向差異沉降控制較好。

圖6 橋臺(tái)軟基處理工后累計(jì)沉降-時(shí)間關(guān)系曲線(開始時(shí)間:2015年9月)

4 結(jié)論

本文通過歷時(shí)8年的軟土路基沉降現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)監(jiān)測(cè),分析了典型橋臺(tái)軟基路段經(jīng)高壓旋噴樁處理后的沉降發(fā)展規(guī)律。主要結(jié)論:

(1)高壓旋噴樁處理后累計(jì)沉降量約49.9～179.1mm,大部分沉降發(fā)生在前3年,約占總沉降量的45%～70%,之后沉降量逐年緩慢減小,第8年累計(jì)沉降已趨于較低的水平,軟基沉降基本得到控制。

(2)在地質(zhì)情況相對(duì)均勻的情況下,采用2.0～2.5m的小樁距更有利于控制路基的沉降。在投入費(fèi)用允許的前提下,采用樁基變剛度設(shè)計(jì)的理念進(jìn)行橋頭軟基處理,即按0.5m增量向路基方向逐漸增大樁距,并進(jìn)行漸變過渡,可有效控制橋頭跳車。

(3)采用本文方法處理的橋臺(tái)軟基路段,能有效克服橋臺(tái)縱向不均勻沉降和沉降速率過大等問題。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看,軟基處理的總投入比路面調(diào)平攤鋪的總投入少,可降低道路管養(yǎng)成本和工作量,充分發(fā)揮項(xiàng)目運(yùn)營的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。