李長城,王二強,劉云浩
(1.天津城建集團工程總承包公司;2.東北林業(yè)大學土木工程學院)
在高速公路擴建工程中,由于新老路基間存在剛度差異,使結合部位出現(xiàn)不均勻沉降,該問題已成為此類工程中的關鍵問題。由于多年的運營使用,老路基在長期的荷載作用下,其沉降已趨于穩(wěn)定,新路基在沉降過程中,極易與老路堤在交界處產生不均勻沉降,由此引起的道路縱向裂縫,對于軟土地基路段尤為明顯,嚴重時會使道路結構破壞,影響其使用性能。一般情況下,新路基開始修建時,老路基的密實度或壓實度已經接近或者達到最佳狀態(tài),主要原因是老路基在多年的運營使用中,反復受到車輛荷載的壓實、振動與沖擊,地下水升降變化以及氣候變化等的影響。在老路基旁修建新路基,無論怎樣嚴格的擊實和碾壓,其密實程度仍與老路基存在很大差異,不利于新路基的整體強度設計。在改擴建工程完成以后,因新老路基的剛度差異,在長期的車輛荷載等的作用下,將產生不均勻沉降積累變形,使路基產生縱向裂縫,嚴重時反映到路面,即造成路面結構破壞。
該工程為唐津高速公路(津塘公路~榮烏高速)擴建工程第二合同段。工程起點樁號為K1069 +278,終點樁號為K1084 +478。主線全長15.2 km,包括葛沽互通立交、李港鐵路橋、津南服務區(qū)、津岐分離式立交。工程包含大橋2 座、中小橋26 座、互通1 座、涵洞26 道、箱涵2 道。軟基處理包括水泥攪拌樁和PTC 預制管樁。原有道路標準橫斷面形式為雙向四車道,總寬度28 m;設計道路標準橫斷面形式為雙向六車道整體式斷面,路基在現(xiàn)狀路基基礎上對兩側進行拼寬。有現(xiàn)狀雙向四車道加寬為雙向六車道,每側加寬3.25 m,總寬度34.5 m。
目前,處理改擴建工程中新老路基結合部的方法,主要指選取合適的地基處理方法,對于軟土地基,更要保證處理質量。
處理軟土地基的目的在于減小新老路基的不均勻沉降,即減小擴建部分路基在使用階段的總沉降量。為達到這一目的,可從兩方面考慮。減少路堤荷載;充分壓實地基,減小其壓縮性。此外,由于改擴建施工過程中應盡量維持原有交通,造成施工作業(yè)用地狹窄且工期緊張,因此對軟土地基的處理措施還要滿足快速完成的要求。該擴建工程中不同路段的結構物類型、路基填筑高度、地質情況等都會影響處理方法的選擇。項目采用的主要處理措施如下。
(1)水泥攪拌樁
水泥攪拌樁復合地基的工作原理是利用軟粘土中的水分,使水泥發(fā)生水化反應而凝結硬化。該方法不但能大量吸收軟土中的自由水,使其形成結晶水并固定,同時生成強度相對較高的水泥柱體,極大程度提高軟土地基的強度和穩(wěn)定性,是目前比較常用的軟土地基加固方法。
混凝土的硬化作用是砂、石骨料在水泥的水化作用下固化,由于其水泥用量多,所以混凝土的凝結速度快且強度高。與混凝土相比,水泥攪拌樁固化過程中的水泥摻入量很少,且是與粘土拌合,所以其固化速度慢、強度比混凝土低,且受軟土中的含水量影響較大。水泥攪拌樁的加固機理限制了其在高液限軟土地基中的使用。水泥攪拌樁的缺點是受施工因素的影響較大且不易控制,對軟土地基的處理深度有限,能產生膨脹破壞;優(yōu)點是對老路堤的干擾小。
水泥攪拌樁施工過程中注意事項有:
①施工過程中要確保設備平整,不發(fā)生移動或傾斜。施工過程中即時觀察鉆桿垂直度,控制其垂直角度偏差在1.0%以內,若發(fā)現(xiàn)超過限值,必須即時調正。
②鉆桿對中偏差≤20 mm。
③水泥漿制備到噴漿不得超過2 h,若水泥漿停置時間過長或出現(xiàn)離析現(xiàn)象,不得使用。
④施工前應進行試樁,以確定控制噴漿量和攪拌機的下沉、提升速度,不得超過1.0 m/min。
⑤若施工過程中出現(xiàn)短時間停漿,應立即下沉攪拌頭0.5 m 以上,待恢復供漿后繼續(xù)施工;若停工時間較長(40 min 以上),須全面清洗輸漿管路,防止其堵塞影響后期施工。
⑥攪拌機在設計標高1 m 以下應放慢速度,以保證樁頭的施工質量。當攪拌頭達出口時,應原位攪拌并噴射水泥漿30 s。
(2)PTC 預制管樁
預應力管樁與水泥攪拌樁相比,對軟土地基的處理深度更大,且具有施工快、樁體質量好、對地質條件適應能力強等特點。預應力管樁交成熟的理論主要分為兩部分,即:承載力研究理論和沉降控制研究理論。一般情況下高速公路路堤荷載較小,其承載力能滿足要求,因此設計剛性樁復合地基時多以沉降控制理論為主。
應用預應力混凝土管樁處理軟土地基,具有施工填土快、處理深度大、工期短等特點,適合于本線的軟土地基處理。考慮本線埋深(即軟土厚度)為15 m 以上,且夾有砂層的情況,為避免深度較大時樁體受彎斷裂的情況,所選用的管樁樁徑不宜過小。
管樁施工工藝主要有振動壓力法和靜壓力法,該擴改建工程中適合采用靜壓力法。如圖1 所示。
圖1 PTC 預制管樁布置圖
(3)泡沫輕質土
泡沫輕質土是用物理方法將發(fā)泡劑溶液制備成泡沫,與必須組分水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻和料,外加劑按照一定的比例混合攪拌,并經物理化學作用硬化形成的一種輕質材料。
泡沫是由發(fā)泡劑稀釋后加壓縮空氣經發(fā)泡槍生成。拌合水不應含有影響泡沫穩(wěn)定性、泡沫輕質土的強度和耐久性的有機物、油污等雜質。發(fā)泡劑的稀釋、起泡應采用設備自動化控制,泡沫應細密、穩(wěn)定。在施工過程中,對每一車水泥漿進行重度檢測,確保水泥漿質量穩(wěn)定。
①澆筑前場地驗收標準。泡沫輕質土路基澆注施工前,基底不應有明顯積水。如設計有墊層,墊層施工應滿足設計和規(guī)范要求。澆注區(qū)尺寸不小于設計、基底高程與設計值的偏差不應超過±0.1 m。澆注施工前,以澆注區(qū)為單位進行澆注場地驗收。
②分區(qū)模板安裝要牢固,澆注區(qū)間應采用塑料布進行密封,防止輕質土沿縫隙滲流。
③泡沫輕質土單層澆筑厚度按0.5 m 控制,同一區(qū)段上下相鄰澆筑層,當施工期氣溫不低于15 ℃,最短澆筑間隔時間按8 ~12 h 控制,否則澆筑間隔不低于2 d。單個澆筑區(qū)澆筑層的澆筑施工時間控制在水泥漿終凝時間內。澆筑時,沿澆筑區(qū)長軸方向自一端向另一端澆筑,多條澆注管澆筑時,可采用對角澆筑。澆筑過程中,需移動澆注管時,沿繞注管放置的方向前后移動,不宜左右移動。如需左右移動澆注管,則將澆注管盡可能的提出到當前已澆筑的輕質土表面后再移動。
在唐津高速公路擴建工程中,新舊路基的銜接以削坡和臺階式開挖為主。老路邊坡的壓實度、填筑材料等決定臺階開挖的寬度和高度。該項目中具體開挖填筑工藝如下。
(1)第一次削坡:清表。施工前將原地表的樹根、雜物、草皮等全部清理干凈,并初步找平壓實。第一次削坡線寬度按0.5 m 計,初步壓實度保證90%以上。
(2)第二次削坡:預削坡。削坡時按自上而下,分級開挖;自土路肩外緣起算臺階尺寸:標準高度0.67 m、標準寬度1 m;根據工程需要設置用于找平的非標準臺階。如圖2所示。
對于現(xiàn)狀路基較高的路段,進行最下一級臺階開挖時,防止影響路基穩(wěn)定,不能直接開挖到位,限定臺階高度為1 m,并以路肩處距離削坡寬度內側0.5 m 處的位置與第一級臺階1 m 高處位置之間連線,作為第二次削坡線。
第一級臺階開挖后進行地基處理,地基處理完成后,開始向上繼續(xù)挖臺階削坡。之后每節(jié)臺階直接開挖到位,這是第三次削坡。
對削坡后路基分層回填,若削坡后路基含水量偏高,回填碾壓時有彈軟現(xiàn)象,則對現(xiàn)狀路基進行原槽摻拌8%石灰土,路基產生強度后再繼續(xù)碾壓回填。
削坡時,對削坡寬度內路面結構進行洗刨,并進行合理存放,待路面施工時,與其他路面洗刨材料一并利用。
削坡及填土施工期間,將填土面做成向外傾斜的橫坡,橫坡值于4%左右,避免雨水侵入路基邊坡,同時,在每級臺階開挖到位后立即進行路基土的回填碾壓,該臺階回填到位后再進行下一級臺階的開挖,避免臺階內存水。
圖2 路基削坡及填土(單位:m)
(3)為保證整體穩(wěn)定性,每側路堤實際填筑寬度應比設計寬度寬30 cm,且應保證壓實寬度大于設計寬度。削坡工序在綠化時進行,不得在路基施工完畢后立即削坡。坡腳線與道路用地變邊線之間應進行整平并碾壓,壓實度≥90%,壓實高度為排水溝溝頂設計標高。
(4)附加填土高度小于2.0 m 的路段。路基削坡后,加寬段路基原地表下挖至擴建路床邊緣標高以下1 m,整平后壓實鋪設40 cm 級配碎石,中間鋪設一層凸結點鋼塑格柵,填土至路床下40 cm,然后分層施工40 cm 厚8%石灰土,其上施工路面結構。
(5)附加填土荷載高度2.0 ~2.5 m 的路段。采用水泥土單向攪拌樁進行路基深層處理,采用正方形布置,樁頂鋪設40 cm 厚級配碎石墊層,并在碎石層中間鋪設一層鋼塑格柵。路床頂部40 cm 采用8%石灰土填筑。
(6)附加填土荷載高度2.5 m 以上的路段。采用戴樁帽的預應力混凝土薄壁管樁(PTC 樁)進行路基深層處理,采用矩形布置,沿路線方向間距3.0 m,垂直路線方向間距2.0 m,并在樁頂鋪設40 cm 厚級配碎石墊層,并在碎石鋪設一層凸結點鋼塑格柵(樁頂20 cm 鋪設一層格柵,其上鋪筑20 cm 碎石)。路床頂部40 cm 8%預拌石灰土填筑。
PTC 裝施工完畢后,要求人工開挖樁帽范圍的石灰土,采用土模澆筑鋼筋混凝土樁帽。
以唐津高速公路擴建工程為研究對象,結合在軟土地基路段易發(fā)生新舊路基差異沉降過大并影響公路的使用性能的問題,提出了適宜的施工工藝,以減少不均勻沉降。采用輕質路堤、復合地基可有效減小新老路基常見的沉降差異;邊坡削坡、臺階開挖以及控制壓實度是增加新老路堤接合部整體性的有力措施。
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