楊 立，汪 明，谷亞陸，梁 斌，李文杰

(1.中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300133；2 河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

我國地域遼闊，在高速公路的建設(shè)過程中常會遇到各種各樣對施工不利的地質(zhì)情況，軟土就是其中一種。軟土即軟弱的淤泥和淤泥質(zhì)土，其作為地基時有低抗剪強(qiáng)度、高含水量和高壓縮性[1-3]等特性。在公路建設(shè)時遇到軟土地基，較容易發(fā)生由于地基不均勻沉降引起的路基失穩(wěn)[4]。部分地區(qū)軟土分布廣泛，修建高速公路時確保路基穩(wěn)定、控制其沉降是兩個施工重點(diǎn)[5-6]。

軟基在承受荷載時由于產(chǎn)生較大壓縮，引起不均勻沉降，致使道路結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或產(chǎn)生裂痕[7-8]，對高速公路施工都是不利的，故需對軟基進(jìn)行處治。不同的軟基處治方法效果也存在一定差異，采用水泥攪拌樁和預(yù)應(yīng)力管樁處治軟基可以有效避免出現(xiàn)上述問題。朱俊樸等[9]以一級公路湛江大道建設(shè)時遇到的大范圍軟土地基為背景，利用Midas/GTS軟件建立了有限元模型，研究了在軟土地基情況下路基的沉降變形規(guī)律。陳鳳熔[10]依托某高速公路工程，探討了用水泥攪拌樁法處理軟基的施工工藝。張強(qiáng)等[11]結(jié)合某高速公路工程，借助有限元分析方法計算路基沉降，研究了在不同情況下利用預(yù)應(yīng)力管樁處理軟土地基的效果。嚴(yán)克林等[12]以某高速公路軟土地基處理工程為實例，分析了預(yù)應(yīng)力管樁地基的沉降變化規(guī)律。截至目前，雖然國內(nèi)外學(xué)者就水泥攪拌樁和預(yù)應(yīng)力管樁軟基處治技術(shù)研究進(jìn)行了很多數(shù)值模擬研究，但是對于在高含水率、高壓縮性軟土情況下運(yùn)用這兩種技術(shù)處治公路互通匝道軟基的研究卻不多。

本文以阜溧高速公路建湖至興化段JHX-YC6標(biāo)段工程為依托，研究了運(yùn)用水泥攪拌樁復(fù)合地基法和預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基法對大縱湖互通CKO+668.148C匝道橋段軟基的處治效果，為類似工程軟基處理提供了借鑒。

1 工程概況

阜溧高速公路建湖至興化段JHX-YC6標(biāo)段線路起點(diǎn)樁號K29+150.000，向南布線，上跨橫字河、老Sl25省道、新建S125省道，在與新建S125省道交叉處設(shè)置大縱湖互通一處，止于鹽都區(qū)與興化市界北側(cè)約0.007 km處(本標(biāo)段設(shè)計終點(diǎn))，終點(diǎn)樁號K35+104.936，線路全長5.955 km。工程建設(shè)包括主線、匝道的地基處理、路基橋梁建設(shè)、相關(guān)管道預(yù)留預(yù)埋、涵洞開挖等。

大縱湖互通CKO+668.148 C匝道橋第1聯(lián)設(shè)計為4×30 m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，該現(xiàn)澆箱梁采用盤扣式支架施工?，F(xiàn)澆箱梁單箱四室，梁高1.8 m，底板寬度14.5 m，頂板寬度19.5 m。項目所在區(qū)域內(nèi)湖蕩星羅棋布、圩田眾多、河道交錯縱橫，地面高程一般在0.5～5.0 m之間。沿線地表水系發(fā)育，主要湖泊為大縱湖，沿線局部地段分布較密集的魚蟹塘。由現(xiàn)場勘測報告可知，在項目區(qū)內(nèi)主要分布著全新統(tǒng)松散土層以及上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、粉砂、粉土等軟土地層。

2 軟基處治方法設(shè)計

2.1 處治方法概述

軟土地基承載性能弱，變形較大，通常要做處理，以避免路基結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，確保公路施工過程中不出現(xiàn)問題，保證其耐久性符合預(yù)期。常用軟基處理方法有換填法、復(fù)合地基法、預(yù)壓排水法、動力加固法等，通過這些方法處理，能有效增強(qiáng)土體力學(xué)性能，將后期沉降量控制在合理范圍內(nèi)。

(1)換填法。換填法適用于軟質(zhì)地基埋置深度不大時的情況，是最常用、有效的一種方法。此方法是利用碎石、砂土及粉煤灰等強(qiáng)度較大、性能較好且符合質(zhì)量要求的填料，換填軟基層，或直接通過填加水泥等材料，達(dá)到增大地基承載力的目的。修建工程時可依據(jù)實際工況進(jìn)行填料比選，確定合適的材料及級配，以有效增強(qiáng)基底穩(wěn)定性、增大土層密實度；還可添加土工合成材料如格柵等，以提高抗?jié)B性能。施工時往往是人工和機(jī)械相結(jié)合，挖除軟土，換填新材料。

(2)復(fù)合地基法。復(fù)合地基是在天然地基承載力過低，無法滿足要求時，將部分土體加固或替換，由原土體和加固后的土體共同組成的一種人工地基。根據(jù)地基加固體的方向，可以分為水平加固體復(fù)合地基和豎向加固體復(fù)合地基。水平向加固復(fù)合地基主要指加筋土地基，即使用土工織物、土工膜等材料加固的地基；豎向加固體復(fù)合地基又名樁體復(fù)合地基，分為黏結(jié)材料樁和散體材料樁。常用的加固體有粉噴樁、預(yù)應(yīng)力管樁、水泥攪拌樁等。

(3)預(yù)壓排水法。該法也稱作排水固結(jié)法，即在地基上堆載預(yù)壓或真空預(yù)壓，或兩者結(jié)合，有時還需布置砂井、排水帶等排水設(shè)施，對地基進(jìn)行人工處理。造成軟質(zhì)地基承載性能差的一個重要原因就是含水率偏高，故可采用以上方法將其中的水分排出，降低孔隙比，加速地基固結(jié)沉降，使沉降提前完成，從而減小地基工后沉降。隨著土體超靜孔隙水壓消散，地基抗剪強(qiáng)度增加，承載力得到提高。

(4)動力加固法。此法又稱強(qiáng)夯法，是主要針對砂土、粉土、濕陷性黃土和人工填土地基的一種處理方法。利用夯錘自重，反復(fù)將其提到一定高度自由落下，對地基進(jìn)行沖擊，最終土體達(dá)到密實，成為密實墩體。該法工藝簡便、設(shè)備簡單，無需加固原材料，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。但在施工時需注意對周圍建筑物、設(shè)備進(jìn)行隔振、抗振處理。公路工程中采用動力加固法，可提高路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.2 處治方法選取

軟基處理是公路項目建設(shè)的重中之重。本項目施工區(qū)域內(nèi)溝塘眾多，軟土分布廣，包含淤泥質(zhì)黏土和黏土。軟土主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 軟土物理力學(xué)參數(shù)

該區(qū)段軟土地基含水率處于較高水平，承載力低下，故應(yīng)針對這些弱點(diǎn)進(jìn)行處理。結(jié)合現(xiàn)場施工條件，確定軟基處理方法主要采用水泥攪拌樁復(fù)合地基法，部分采用預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基法。

2.2.1 水泥攪拌樁設(shè)計

水泥攪拌樁可作為加固體來處理軟土地基，形成復(fù)合地基，這是國內(nèi)公路修建時經(jīng)常使用的一種方案，它具有施工工期短、造價低等優(yōu)點(diǎn)，且地基承載力可得到明顯提升。雙向水泥攪拌樁進(jìn)一步提升了施工的效率和質(zhì)量，比傳統(tǒng)水泥攪拌樁有著更深的處理深度，故在該工程大部分路段都采用雙向水泥攪拌樁復(fù)合地基法來進(jìn)行軟基處理。全線水泥攪拌樁直徑為50 cm，根據(jù)首件試樁情況確定攪拌樁長度為5～15 m，每延米水泥摻入量為55 kg，攪拌樁按梅花樁樣式布置，樁身水泥采用P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥。

水泥攪拌樁布局設(shè)計如下：在一般直線段，水泥攪拌樁沿道路中心線方向垂直布設(shè)，呈梅花形(等邊三角形)圖案；在曲線段，選擇接近中心線方向的直線作為布樁基準(zhǔn)線，水泥攪拌樁沿基準(zhǔn)線方向垂直布設(shè)，布設(shè)長度不超過50 m。沿河塘防護(hù)段，水泥攪拌樁布置至路基邊坡線與河塘整平標(biāo)高面交線外第3排樁。

2.2.2 預(yù)應(yīng)力管樁設(shè)計

預(yù)應(yīng)力管樁是工程中常采用的一種剛性樁，相比其他類型樁體，它有著更高的承載力和更大的處理深度。根據(jù)這些特點(diǎn)，在該工程中軟土層底埋深大于16 m的軟土路段，采用預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行處理，主要分布在橋頭段。

經(jīng)過綜合考慮，確定預(yù)應(yīng)力管樁具體設(shè)計方案，如表2所示。

表2 管樁設(shè)計方案

預(yù)應(yīng)力管樁間距不大于3 m時樁帽邊長1.4 m，預(yù)應(yīng)力管樁間距大于3 m時樁帽邊長1.6 m。預(yù)應(yīng)力管樁管節(jié)長度按7 m、8 m、l0 m標(biāo)準(zhǔn)控制，或根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)整，以減少樁節(jié)數(shù)和焊接次數(shù)。

3 軟基處治施工

3.1 雙向水泥攪拌樁處治軟基

3.1.1 水泥攪拌樁施工

現(xiàn)場施工采用“兩攪一噴”形式雙向水泥攪拌樁，雙向即葉片攪拌方向一正一反。鉆機(jī)機(jī)身調(diào)平，通過水平尺進(jìn)行檢查；垂直度用系在機(jī)身導(dǎo)向架上的垂球進(jìn)行控制，確保攪拌樁的垂直度偏差不超過1.0%。鉆頭選用為以下形式：三層葉片，每層2個葉片，葉片厚度為3 cm；上層和下層之間的距離為400 mm；呈水平的兩個葉片的傾角為2%，每個葉片的寬度為70 mm。鉆機(jī)進(jìn)入現(xiàn)場后，根據(jù)施工順序移動和調(diào)整鉆機(jī)，使其對位、調(diào)平和調(diào)直，對位后的偏差不大于50 mm。

鉆機(jī)就位時，開始拌制水泥漿，根據(jù)首件試樁情況，確定雙向水泥攪拌樁水灰比(0.55)和施工配合比(如表3所示)。

表3 水泥攪拌樁配合比

拌制水泥漿時，按先加水、后加水泥、生石膏粉的順序投料，每次水泥漿攪拌時間不少于3 min，以確保水泥漿在拌漿桶中攪拌均勻。水泥漿充分?jǐn)嚢韬蠓胖玫絻{桶中存放，測定其比重，頻率為1次/h。水泥漿要現(xiàn)制現(xiàn)用，不得產(chǎn)生離析，水泥漿從制成到使用不得超過 2 h。水泥漿通過水泥漿泵進(jìn)行輸送，送到攪拌機(jī)噴漿口的時間為15 s。鉆機(jī)鉆進(jìn)速度為0.6～0.8 m/min，噴漿壓力為 0.25～0.4 MPa，內(nèi)鉆桿轉(zhuǎn)速為50 r/min，外鉆桿轉(zhuǎn)速為 70 r/min。攪拌機(jī)攪拌 1～3 min后，冷卻系統(tǒng)開始運(yùn)行，當(dāng)鉆頭以正常轉(zhuǎn)速沿導(dǎo)向裝置下放至離地面 25 cm深度時，啟動泵送裝置進(jìn)行噴漿操作，鉆至設(shè)計深度時噴漿10 s以上。在下鉆過程中，隨時觀察設(shè)備運(yùn)行及地層變化情況，鉆頭鉆進(jìn)速度控制在0.6～0.8 m/min、轉(zhuǎn)速控制在60 r/min 左右，噴漿壓力控制在 0.25～0.40 MPa，滿足設(shè)計噴漿量的要求。

3.1.2 樁長控制

水泥攪拌樁通過攪拌樁機(jī)進(jìn)行施工。攪拌樁機(jī)鉆頭下沉鉆入設(shè)計深度后噴漿攪拌10 s以上，之后抬升到離地面25 cm的位置，抬升速度控制在0.7～1 m/min(調(diào)速器調(diào)節(jié))；鉆桿抬升的同時持續(xù)攪拌，內(nèi)鉆桿轉(zhuǎn)速≥50 r/min，外鉆桿轉(zhuǎn)速≥70 r/min(轉(zhuǎn)速檔位3擋)。原則上處理深度以鉆頭穿破軟土進(jìn)入50 cm 深的相對堅硬土層為基準(zhǔn)。鉆頭穿透軟土層的時刻可根據(jù)前期相關(guān)資料中的軟土層深度和樁設(shè)計長度進(jìn)行預(yù)估，并通過對施工所用機(jī)械電流實時監(jiān)測加以確定。

3.2 預(yù)應(yīng)力管樁處治軟基

3.2.1 預(yù)應(yīng)力管樁施工

在預(yù)應(yīng)力管樁施工時，首先進(jìn)行樁位放樣工作。采用經(jīng)緯儀確定管樁的位置，使用消石灰作圓形圖案標(biāo)出該位置，圓心插上小木樁并做好保護(hù)。管樁壓樁施工采用靜力壓樁機(jī)，壓樁機(jī)進(jìn)場后將其調(diào)平、對中，用鋼索綁扎樁體垂直起吊。在第一節(jié)管樁入土30～50 cm 后，通過經(jīng)緯儀檢查和校正其垂直度，垂直度偏差不超過0.5%，之后以1～2 m/min的速度持續(xù)壓樁，同時準(zhǔn)確記錄壓樁時間和各壓力表讀數(shù)。

預(yù)應(yīng)力管樁通過焊接連接，在焊接管樁之前，用鐵刷清潔管樁上端和下端的表面，直到坡口出現(xiàn)金屬光澤。焊接時分層焊接，由兩個焊工在坡口四周對稱電焊6個點(diǎn)；焊接層數(shù)要大于2層，焊接時去除層間雜物，焊縫要確保無夾渣、氣孔，滿足三級焊縫的要求；焊接好的樁接頭應(yīng)確保自然冷卻至常溫，冷卻時間一般不低于5 min，之后在接樁部位涂熱瀝青，防止該部位銹蝕。

送樁采用套筒式送樁器施工，宜在管樁露出地面高度0.3 m左右時進(jìn)行施工作業(yè)，套筒筒深以250～350 mm為宜，筒內(nèi)徑取420～430 mm；送樁器下設(shè)厚度均勻的樁墊，與樁斷面完全接觸，并設(shè)置標(biāo)記，便于跟蹤整個施工過程，確定送樁深度。當(dāng)樁頂高出地面一定距離時進(jìn)行截樁。截樁須注意用特定設(shè)備進(jìn)行，切勿用大錘直接錘擊。在管樁驗收合格后，進(jìn)行預(yù)制樁帽施工。首先在對應(yīng)樁頭位置開挖地面，開挖深度、寬度及長度以樁帽設(shè)計尺寸為準(zhǔn)，開控地面后按要求綁扎鋼筋澆筑并養(yǎng)護(hù)混凝土。

4 軟基處治效果分析

軟土地基通過水泥攪拌樁和預(yù)應(yīng)力管樁加固后，需要對地基承載力進(jìn)行檢測。檢測前先將現(xiàn)澆梁所在地面整平到統(tǒng)一標(biāo)高1.85 m，摻入7%的石灰翻拌碾壓，處理深度 40 cm、寬度 24.6 m、長度 124 m，壓實度不小于90%，地基承載力不低于設(shè)計值161.4 kPa。地基承載力采用靜力觸探法測定，測定結(jié)果見圖1。由檢測結(jié)果可知，軟土地基經(jīng)過加固以后，第一跨至第四跨地基承載力測點(diǎn)承載力平均值分別為 238.4 kPa、228.8 kPa、234.4 kPa和250.4 kPa，承載力得到顯著提升，比原設(shè)計值增加了42%～55%，滿足橋梁施工對基礎(chǔ)承載力的要求，符合相應(yīng)規(guī)范。

(a)第一跨

5 結(jié)論

高速公路在修建時經(jīng)常需要對軟基進(jìn)行處理。本文以阜溧高速公路建湖至興化段JHX-YC6標(biāo)段工程為依托，根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況，采用雙向水泥攪拌樁和預(yù)應(yīng)力管樁對軟基進(jìn)行處治，形成復(fù)合地基，提升了軟土地基承載力，處治效果明顯，滿足橋梁施工對基礎(chǔ)承載力的要求。該軟基處治技術(shù)有良好的可行性，為類似工程提供了借鑒。