变桩间距高压旋喷桩联合土工格栅加固桥头黄土路基沉降监测与规律分析

张培泽

（山西省公路局 太原分局，山西 太原 030012）

0 引言

随着山西经济的发展，高速公路作为一种重要的基础设施，得到了大力建设。根据山西省高速公路网布局规划，开工建设的高速公路项目大多穿行在山区，桥隧比较高[1]。山西省大部分地区分布着深厚的黄土，由于黄土的承载力较差，在高速公路的修建过程中，桥头跳车问题是工程技术人员需要解决的一个重要难题。

目前许多学者针对这一难题开展了研究。胡幼常等[2]提出了黄土掺砂和土工格栅加筋两种方法降低桥头路堤沉降。俞永华等[3]介绍了一种楔形柔性搭板处治技术处理黄土地区桥头沉降。申俊敏等[4]通过理论研究和数值模拟计算分析了土工格栅加筋对黄土地区路桥过渡段沉降的影响。闫茜等[5]用ADINA有限元软件研究了土工格室处理黄土地区路桥过渡段的效果。郭建博等[6]分析了湿陷性黄土地区的桥头跳车病害类型、影响因素，并提出了具体整治建议。高东升[7]介绍了灰土挤密桩在处理黄土地区桥头跳车中的应用。史军强[8]以黄土地区某高速公路桥台过渡段为例，计算了各个影响因素对路基沉降的影响。

本文结合山西省某高速公路路桥过渡试验段的现场试验，介绍了一种变桩间距高压旋喷桩联合土工格栅加固桥头黄土路基的工程技术，并对试验段进行沉降监测，分析沉降规律，研究此工程技术对路桥过渡段的处理效果，具有重要意义。

1 工程概况

山西省某高速公路路桥过渡试验段位于山西省中南部，地貌为丘陵地貌，地层分为3层：0～3.2 m为轻微湿陷性黄土层，呈淡黄色，具有较大孔隙，部分呈坚硬状，土质不均匀；3.2～9.6 m为非湿陷性黄土层，呈黄褐色，含铁锈斑点，呈硬塑状，土质不均匀；9.6～17.4 m为砂砾层，主要为石英砂岩，分选性一般，粒径2～40 mm，各土层物理力学性质如表1所示。路桥过渡试验段纵向长为15.4 m，路堤顶面宽为17 m，高为4.5 m，边坡宽为7 m，黄土路基的处理范围为坡脚线外1.5 m，如图1所示。

表1 土层物理力学性质表

图1 路桥过渡段俯视图（单位：m）

2 黄土路基加固技术

过渡试验段的黄土路基分A、B、C、D四个区域，其中A区域宽为3.3 m，B区域宽为3.6 m，C区域宽为4.5 m，D区域宽为4 m。黄土路基采用高压旋喷桩加固，桩径d为0.5 m。复合地基质量由容许工后沉降值和复合地基承载力两个指标控制[9]，高速公路桥头与路基相邻处容许工后沉降值为不大于100 mm[10]。高压粉喷桩的长短取决于道路容许工后沉降值，且最好贯穿湿陷性黄土层到达下部岩层等持力层。根据工程地质情况，桩体长取9.6 m，贯穿轻微湿陷黄土层和非湿陷黄土层，直到砂砾层。经验算，桩长为9.6 m满足容许工后沉降值的要求。复合地基承载力取决于置换率，而置换率取决于桩径和桩间距。本过渡试验段不同区域的桩间距不同，A区域为1 m，B区域为1.2 m，C区域为1.5 m，D区域为2 m。经验算，桩间距满足复合地基承载力要求。路堤高为4.5 m，最底层为砂石垫层，厚度为0.5 m，上方为填土层，厚度为4 m。面对桥台，左侧路堤有4层土工格栅作为加筋体，右侧路堤没有土工格栅。第一、二、三层土工格栅分别位于路堤表面以下1 m、2 m、3 m位置处，第四层土工格栅位于砂石垫层中央。过渡段的纵断面图和横断面图分别如图2、图3所示。

路堤填筑期长30 d，填筑完成后监测期长360 d，路堤高度随时间的变化关系如图4所示。所有沉降观测点从路堤填筑完成后开始监测，监测期为360 d。前2个月每4 d观测一次，随后的2个月每10 d观测一次，之后的8个月每月观测一次。

图2 路桥过渡段纵断面示意图（单位：m）

图3 C区域路桥过渡段横断面示意图（单位：m）

图4 路堤填筑高度随时间的变化图

3 沉降观测点的布置

过渡试验段延纵向在桩顶上方的路面布置S1～S5共5个路面沉降观测点；在垫层下方桩顶上方布置Z1～Z4共4个桩顶沉降观测点；在垫层下方两桩中心的黄土路基表面布置T1～T4共4个桩间土沉降观测点。沉降观测点延纵向的平面布置如图5所示。

图5 路桥过渡段纵向观测点平面布置图（单位：m）

过渡试验段的C区域内延横向在垫层下方桩顶上方布置Z3和Z5共2个桩顶沉降观测点；在垫层下方两桩中心的黄土路基表面布置T3和T5共2个桩间土沉降观测点。沉降观测点延横向的平面布置如图6所示。

图6 C区域路桥过渡段横向观测点平面布置图（单位：m）

路面沉降观测采用在观测点上放置尺垫的方法，桩顶沉降观测和桩间土沉降观测采用在观测点埋设沉降板的方法。

4 沉降数据及规律分析

为研究变桩间距高压旋喷桩联合土工格栅加固桥头黄土路基的工程技术对路桥过渡段的处理效果，本节分别从纵向路面沉降、纵向桩顶与桩间土沉降和横向桩顶与桩间土沉降3个方面介绍监测数据并分析沉降规律，所有沉降观测点从路堤填筑完成后开始监测，监测期为360 d。

4.1 纵向路面沉降数据及规律分析

纵向路面沉降观测点随时间的变化规律如图7所示。从图7可以看出，各个路面沉降观测点的沉降都随时间的增加而逐渐增大，前期增大速度快，后期增大速度慢，在270 d后趋于稳定。当时间为360 d时，不同沉降观测点的沉降不同，各个沉降观测点与距桥台距离的关系如图8所示。从图8可以看出，随着距桥台距离的增加，沉降逐渐增大，且沉降的增大具有连续性。这是因为，地表沉降主要来自于加固区的复合地基的压缩，随着距桥台距离的增大，桩间距逐渐增大，复合地基压缩模量逐渐减小，沉降逐渐增大。取桩间距的对数为横坐标，沉降为纵坐标，作图9。

从图9可以看出，沉降与桩间距的对数成正比。以上分析表明，高压旋喷桩的桩间距随距桥台距离的增大而增加，可以使路基的沉降随距桥台距离的增大而增加，且不发生突变，形成一个合格的过渡段。

图7 纵向路面沉降随时间的变化图

图8 t=360 d时路面沉降随距桥台距离的变化图

图9 t=360 d时路面沉降随桩间距的变化图

4.2 纵向桩顶与桩间土沉降数据及规律分析

A、B、C、D四个区域的桩顶与桩间土沉降随时间的变化分别如图10、11、12、13所示。从图中可以看出，无论是桩顶沉降还是桩间土沉降，随时间的变化规律与路面沉降随时间的变化规律相似。随着距桥台距离的增加，时间为360 d时的桩顶沉降和桩间土沉降都分别增大，桩土差异沉降也逐渐增大，A、B、C、D四个区域的桩土差异沉降分别为0.8 mm、3.1 mm、5.3 mm、7.5mm。以上分析表明，随着桩间距的增大，桩的荷载分担比变小，土的荷载分担比变大，土拱效应减弱。

图10 A区域桩顶与桩间土沉降随时间的变化图

图11 B区域桩顶与桩间土沉降随时间的变化图

图12 C区域桩顶与桩间土沉降随时间的变化图

图13 D区域桩顶与桩间土沉降随时间的变化图

4.3 横向桩顶与桩间土沉降数据及规律分析

为分析土工格栅对沉降的影响，选取横向有土工格栅的路基中的Z3、T3观测点与无土工格栅的路基中的Z5、T5观测点，作沉降随时间的变化图如图14所示。从图中可以看出，有土工格栅的路基对应的桩土差异沉降为5.3 mm，无土工格栅的路基对应的桩土差异沉降为13.1 mm，表明土工格栅可以重新分配桩和土上方的荷载，提高桩土应力比，减小差异沉降。

图14 横向桩顶与桩间土沉降随时间的变化对比图

5 结论

本文介绍了变桩间距高压旋喷桩联合土工格栅加固桥头黄土路基的工程技术，并对路面沉降、桩顶沉降、桩间土沉降进行监测，分析工程技术的效果，变桩间距和土工格栅对沉降的影响，具有以下结论：

a）变桩间距高压旋喷桩联合土工格栅加固桥头黄土路基的工程技术可以实现桥台后一段路基沉降的均匀变化，克服了桥头跳车的难题。

b）随着桩间距的增大，路面沉降、桩顶沉降和桩间土沉降逐渐增加，桩土差异沉降也逐渐增加，土拱效应减弱。

c）土工格栅可以提高桩土荷载分担比，减小差异沉降。