后建道路下穿高速公路软基处理工程实例研究*

陈泳鹏，吴能森

(福建农林大学交通与土木工程学院，福建福州350002)

1 工程概况

连江通港大道改扩建工程(一期)，呈东西走向，西南起于可门路，东至浦口镇与浦口路相接，全长6 730 m，标准宽度60 m，双向六车道，两侧各设辅道，按城市二级主干道标准设计，设计车速为50 km/h，路面设计标准轴载BZZ-100 kN。道路在K1+618～K1+656段下穿沈海高速桥连江敖江互通特大桥，其基础结构形式为桩基，墩柱为薄壁墩，上部为现浇连续梁，穿叉位置位于特大桥12#～15#孔之间，法线交角约85°。其中辅道与人行道从12#、15#孔下穿，机动车道从13#、14#孔下穿，12#孔北侧设有路肩挡土墙，桥墩布置于道路的中央及机非分隔带中，并设置防撞墙(如图1所示)。

图1 通港大道下穿高速平面布置

高速下道路横断面布置为4.0 m人行道+3.5 m非机动车道+5.0 m绿化带+4.0 m辅道+2.5 m绿化带+12.25 m机动车道+7.5 m绿化带+12.25 m机动车道+2.5 m绿化带+4.0 m辅道+5.0 m绿化带+3.5 m非机动车道+4.0 m人行道，总宽70 m。桥下净空要求为机动车道≥5 m，非机动车道≥3.5 m，人行道≥2.5 m(如图2所示)。

图2 下穿道路横断面

据连江通港大道改扩建工程(一期)岩土工程勘察资料，场地工程地质情况如表1所示。

表1 地基土层物理力学参数

由于下穿路段存在淤泥土含水率高，孔隙比大，工程特性差的不良地基，根据工程地质勘查报告及设计文件，天然地基的承载力满足不了道路使用要求，在铺筑路基前，需对其进行处理。软土路基处理后，要求复合地基承载力不小于110 kPa，桩身无侧限抗压强度不低于2.5 MPa。

2 地基处理方案及初步设计

据图2可知本工程软基处理方法的选择受净高约束很大，即下穿段净高要求施工设备在6 m以下，实际处理的软基深度均在15 m以上，属于深层处理软基，且要求对周围环境如高架桥的薄壁桥墩不能有太大的扰动，以免影响已建高速公路的运营安全。根据要求，对常见地基处理方法进行比较(见表2)。

通过上表的对比分析，可知高压喷射注浆法中的旋喷方式不但设备尺寸、处理深度满足施工要求，而且具备对周围构筑物影响小的特点。综合考虑，初选高压旋喷方式处理软基。根据软基相关计算，高压旋喷桩深度需要处理至第二层淤泥底部，以粉质粘土作为加固土桩持力层［1-3］。

2.1 旋喷桩设计

本工程高压旋喷桩桩长采用17 m，桩径0.5 m。旋喷桩在平面上按正三角形布置。桩位偏差值应小于50 mm，桩的垂直度不超过1%，距桩顶2 m范围内要求复喷，桩间顶面设置30 cm块石嵌桩，如图3所示。

处理范围为下穿路段沿道路方向长约68 m，宽约65 m，由于高速公路桥墩正处两侧道路的中间，路基北侧挡土墙基础和绿化带范围内不做软基处理，故高压旋喷桩处理软基实际施工中分成A、B、C三个片区，旋喷桩以直线MM为轴线对称施打，施工顺序为B→C→A，面积约为处理区域一半，2 210 m2。三片区列方向均布置56根;A、B、C三片区在行方向上分别布置6根、13根、6根。旋喷桩总数为1 400根，总工作量为21 062延米，其中路基部分为18 648延米，挡土墙基础部分为2 414延米。具体如图4所示。

表2 常见软基处理方法比较

图3 高压旋喷桩软基处理大样图

图4 高压旋喷桩桩位布置图

2.1.1 单桩竖向承载力及复合地基承载力计算

根据处理后复合地基承载力不小于110 kPa的设计要求，采用以下复合地基承载力计算公式［5-6］进行计算。

式中:fspk—复合地基承载力特征值(kPa);fsk—桩间土承载力特征值，实际计算取天然地基承载力特征值80 kPa;Ap—桩的平均截面积，取值为0.196 m2;m—为复合地基桩土面积置换率，取值0.08;Ae—单根桩承担的处理面积，取值2.4 m2;β—桩间土承载力折减系数，取值0.4;Rdk—单桩竖向承载力特征值(kN)，按下列两式计算，取其中较小的值。

式中:fcu—与旋喷桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护条件下28 d龄期的立方体抗压强度平均值(kPa)，取2.5 MPa;η—桩身强度折减系数，取0.75;n—桩长范围内所划分的土层数，取4层—桩的平均值径(m)，取0.5 m;hi—桩周第i层土的厚度(m)(i=1，2，3，4)，分别为3.6 m、5.5 m、2.1 m、5.4 m;qsi一桩周第i层土的侧阻力特征值(kPa)(i=1，2，3，4)，分别取8 kPa、9 kPa、30 kPa、9 kPa;qp—桩端天然地基土的承载力特征值(kPa)，取180 kPa。由式(2)(3)计算单桩竖向承载力特征值分别为367.5 kN和333.4 kN，取其小者，=min{367.5，333.4}=333.4 kN，再由式(1)计算出复合地基承载力特征值fspk为168.3 kPa，大于110 kPa设计要求，说明初步设计可行。

2.1.2 多桩距沉降计算

根据不同岩土类别的孔隙压缩特性，强风化凝灰岩为非压缩性土层，本次设计路段可不考虑强风化凝灰岩土层的主固结沉降对路基工后沉降的影响，只须计算强风化凝灰岩以上土层的沉降。桩长范围内复合土层以及下卧层地基变形值应按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB 50007)有关规定计算，复合土层的压缩模量参见表1及部分根据地区经验确定。通过计算，得出不同桩距条件下施工期沉降和工后沉降计算的结果如表3所示。

表3 不同桩间距沉降计算结果统计

根据上表计算结果所示，综合考虑路基施工期间沉降与路基工后沉降对沈海高速桥墩与桥梁桩基的影响，桩间距设计采用1.5 m，如图5所示。

图5 桩间距平面示意图

2.2 试桩

根据设计及施工规范要求，高压旋喷桩正式施工前先作成桩试验［6-7］。计划试桩3根，位置分别为K1+600右机动车道、K1+640右机动车道、K1+660右机动车道，桩号分别记为1#、2#、3#。高压旋喷搅拌桩水泥采用标号42.5MPa的普通硅酸盐水泥，喷嘴压力1#、2#、3#试桩分别采用20 MPa、25 MPa、30 MPa，提杆旋转速度控制在10-20 r/min，喷嘴直径分别采用2 mm、2.5 mm、3 mm，提升速度分别采用0.15 m/min、0.20 m/min、0.3 m/min，水灰比分别采用0.9∶1、1∶1、1.1∶1，水泥掺量分别采用180 kg/m、190 kg/m、200 kg/m。通过对1#、2#、3#钻孔取芯，在室内进行芯体无侧限抗压强度试验，检验结果如表4所示。

表4 取芯固结块强度试验结果

从表4中看出，结果表明最小、平均无侧限抗压强度均满足通港大道复合地基旋喷桩设计中要求桩身无侧限抗压强度不小于2.5 MPa设计要求，与单桩竖向及复合地基承载力计算中fcu取值要求相当贴近，说明在承载力初步设计中参数取值具有一定合理性。

综合以上试桩成果，在确保成桩满足设计和质量要求前提下，得出以下最佳施工参数，如表5所示。

表5 旋喷桩最佳施工参数

3 工程实施效果

在确认试桩结果合格后，根据试桩研究所得的最佳施工参数，进行大面积高压旋喷桩的施工。待三个片区施工完毕一定时间后，旋喷桩浆液逐渐凝结且达到一定强度，对三个片区的典型桩位进行开挖，检测固结体垂直度、形状和质量，开挖深度1～2 m。经现场测量和观察，旋喷体垂直度良好，桩径均达到500 mm以上，桩周的不同深度长有不规则的粗糙凸起，延伸长度普遍大于30 cm，桩土之间咬合较为密实、摩擦力较大，一定程度上提高了桩的承载能力，初步判断开挖检查符合要求。

3.1 静载结果

为了检验旋喷桩加固后形成的复合地基的加固效果，在旋喷桩施工结束后28 d，根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)附录C中的有关条款进行单桩载荷试验，采用慢速维持荷载法，荷载分为10级，共分9次加载，首次加载值为分级值的2倍，卸载时每级卸载值为每级加载值的2倍。工程选取桩号K1+630、K1+640、K1+650典型单桩进行试验。试验结果表明平均单桩承载力340 kN，大于计算值333.4 kN，且累计沉降小于25 mm，满足设计要求。

复合地基平均承载力则根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)中复合地基静载试验要点进行。试验中采用的压板为方板，压板下用粗砂垫层找平。荷载分为9级，共分8次加载，首次加载值为分级值的2倍，最大加载值根据设计荷载值的2倍及压板面积确定，卸载分为三级卸载。工程实际采用三桩联合检测的方法，选取K1+625、K1+635、K1+645典型桩进行试验。试验结果表明复合桩地基平均承载力130 kPa，累计沉降小于30 mm，相较于原淤泥土层地基容许承载力提高了1.4倍，满足不小于110 kPa的设计要求。进一步分析发现，实测复合地基承载力小于计算值168.3 kPa，说明采用理论公式的计算值偏于保守，有利于工程安全。

3.2 抗压强度检测

为了检测旋喷桩质量，依照设计要求由中国水电顾问集团华东勘测设计研究院对A、B、C三片区抽取总桩数2%，数量28根桩的水泥加固土进行现场桩长范围内钻孔取芯，做标准试件进行室内力学试验，取芯位置为每根桩径1/4处，即距注浆中心125 mm左右。通过低应变反射波法检测得抽测的28根桩芯样完整且均匀致密，水泥土体胶结良好，证明表3中确定的旋喷桩施工参数合理有效。取各芯样不同深度的84组试样进行标贯试验和强度试验，测得A、B、C三片区桩身28d无侧限抗压强度统计情况如表6。

表6 各片区试样无侧限抗压强度统计

由表6知，各片区水泥加固土平均抗压强度在3.0～3.5 MPa范围内，满足桩身无侧限抗压强度(28d)≥2.5 MPa的设计要求。

经过近6个月的工时、工后跟踪测量，路基实测沉降:施工期平均为11.2 cm，工后沉降平均为3.5 cm，路面趋于稳定。与表3的计算结果比较，可知施工期实际沉降略大于计算值，这是由于施工期间受设备、材料等外部荷载引起;另外实测工后沉降约为计算值的50%，说明随着时间增长，旋喷桩桩身强度在一定时期内得到增长，沉降变缓直至趋于稳定，地基稳定性明显提升，路段地基取得良好的加固效果。总体上，处理后的路基沉降完全能满足主、次干路容许工后沉降≤30 cm的道路沉降要求。

4 结语

针对后建道路受下穿高速公路互通特大桥净空限制的情况，考虑到具体地质条件、加固要求、施工可行性等因素，提出采用高压旋喷桩的地基处理方案及施工设计，鉴于碰到的类似工程实例较少，所以工程处理实践具备一定的新颖性。综合工程实施效果，可知高速公路桥墩处于两侧道路中间，两侧道路路面标高一致，恒载作用下两边无压力差，对桥墩不产生任何影响。只有动荷载对桥墩产生影响，但动荷载等代荷载不大，动荷载作用通过高压旋喷桩能直接传到持力层，因此侧向压力很小，对桥梁桩身影响微弱，不影响桥梁质量。施工全程对通港大道旧路部分进行跟踪观测，得出现有道路经过十几年的营运，路基沉降已经基本稳定，路基承载力能满足要求。从通港大道下穿路段现已建成通车经运营一年多来看，软基处理路段的路面平整，路况良好。

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