小直径钻孔桩在软基处理中的应用

■刘文刚

(福建省交通规划设计院，福州 350004)

1 工程概况

宁德市某城市主干路，全长2.153km，道路在K1+081～K1+115段下穿沈海高速桥。该段现状地面标高约3.2m～4.4m，路面设计标高约5.5m～5.7m，路基填方高度为2.5m。该段沈海高速桥梁底标高14.7m，净空约9m。

本项目场地属于近海相冲海积平原地貌，场地上覆素填土(厚度1.5m～2m)，较松散，其力学性能较差，厚度较薄；其下淤泥层厚度总体较大(16m～20m)，淤泥呈软塑状，天然含水率73.4%，强度低、压缩性高、灵敏度大，其工程性能差；下伏全风化凝灰熔岩。

由于道路邻近沈海高速桥，路基填筑后在其荷载作用下会产生不均匀沉降及路基失稳，进而影响高速公路桥的稳定。因此，软基需进行特殊处理。

2 软基处理设计方案

2.1 方案比选

软基处理的方法较多，应充分考虑地质条件、道路条件、施工条件和工期要求等，选择合适的处理措施[1]。

对于深厚软土，目前条件比较成熟且常见的处治措施有：采用塑料排水板、水泥搅拌桩、高压旋喷桩、CFG桩、管桩、小直径钻孔桩等。

本项目的特点是下穿已建高速公路桥，由于净空限制，高大型机械无法施工。由于塑料排水板、水泥搅拌桩、CFG桩、管桩的施工机械高度均较高(超过9m)，所以无法采用以上方案。结合本项目情况，选用高压旋喷桩及小直径钻孔桩进行方案比选(如表1所示)。

高压旋喷桩是利用钻机等设备，通过钻杆的旋转、提升，高压水泥浆由水平方向的喷嘴喷出，形成喷射流，以此切割土体并与土拌合形成水泥土竖向增强体，与周围土共同承受荷载。

小直径钻孔桩是采用不同的钻孔方法，在地层中形成一定尺寸的孔洞，然后将钢筋笼吊入孔洞，浇筑混凝土形成桩体来承载的一种桩体。

根据项目所在区域的软土特征、软土厚度、施工条件及周边构筑物情况等综合考虑，本项目采用小直径钻孔桩处理方案。

2.2 设计参数

根据CJJ194-2013城市道路路基设计规范[2]，本项目的容许工后变形≤0.1m。为保证桥梁的安全稳定，根据相关规范，软基处理后邻近桥桩的水平位移≤6mm。

根据地质勘察资料，软基处理设计参数如表2。

表1 软基处理方案比选

表2 软基处理设计参数

2.3 处理方案

本道路路基宽度53m，由中分带、机动车道、绿化带、非机动车道及人行道组成，沈海高速2#、3#桥桩位于本道路绿化带内。根据本项目特点及地质情况，设计采用小直径钻孔桩复合地基处理。桩在平面上呈正方形布置，处理至路基坡脚处。软基处理设计方案见图1。

图1 软基处理设计图

小直径钻孔桩径采用50cm，桩长20m，桩体穿透软土层进入下部硬土层不小于1m，桩端持力层为粉质粘土或全风化凝灰熔岩，桩间距为2m，桩身混凝土采用C25强度等级，配置6根Φ16纵筋和Φ8@25螺旋箍筋，采用回旋钻成孔、泥浆护壁施工工艺。单桩设计承载力为400kN，桩顶设置30cm厚边长为1m的正方形C30砼桩帽。为避免软基施工对桥桩造成不利影响，小直径钻孔桩与桥桩净距为3m，且靠近桥桩周边两排桩顶设置连系梁。为确保土拱的形成，充分发挥桩间土作用，避免桩土顶面的差异沉降反射到路面，桩顶填土高度不小于2.5m，且桩顶铺设50cm级配碎石砂垫层。加固后复合地基承载力不小于120kPa。

3 软基处理对邻近桥桩的影响分析

桥下路基范围分布有大面积软土，由于软土有很大的压缩性，路基填筑时会引起土体侧向变形，进而会使桥桩产生变形甚至破坏。由于因土体移动产生的桩侧荷载难以确定，因此软基处理对邻近桥桩的影响分析较复杂[3]。

(1)有限元分析模型建立

本文采用有限元软件PLAXIS8.5进行分析，选用理想弹塑性模型[4]，土体材料采用Mohr-Coulumb本构模型，桥桩、小直径钻孔桩采用板梁单元模拟。模型边界条件设置：底部为固定边界，左右为水平固定边界。计算所用的桩体力学参数：弹性模量为30GPa，密度为 2500kg/m3，泊松比为0.2。

图2 有限元分析模型

根据场地尺寸、地基参数及边界条件，有限元分析模型长度方向经试算取160m，深度方向取70m，有限元分析模型见图2。模拟过程：初始地应力平衡→设桥桩→打钻孔灌注桩→堆填路基土。

(2)软基处理对桥桩的影响分析

小直径钻孔桩及路基填土施工完毕，土体最大累计位移10.6mm，且最大值发生于小直径钻孔桩与路基填土周围，桥桩周围土体位移微小，由于道路左半幅存在一层粉质粘土，地质相对右半幅较差，因此左半幅位移相对较大，2#桥桩位于左半幅，施工完成后累积位移约3.5mm；3#桥桩位于右半幅，累积位移约3.2mm。

桥桩为摩擦桩，桩长较大，土体位移引起的沉降较小，影响桥梁正常使用的主要是桥桩的侧向位移。根据有限元分析结果：2#桥桩最大水平位移为2.3mm，3#桥桩最大水平位移为2.1mm。

软基处理后桥桩位移较小，故认为小直径钻孔桩施工及路基堆填对桥桩及周围土体无明显影响。道路范围土体及桥桩整体位移详见图3。

4 软基处理效果评价

(1)施工完成后，第三方检测单位抽取了总桩数5%的桩进行低应变试验，检测结果显示桩的完整性较好。

(2)随机抽取了3根桩进行复合地基载荷试验，复合地基承载力fak≥120kPa，达到了设计要求。

(3)为保证道路及周边构筑物安全，本工程进行了软基监测及周边桥桩变形监测。本道路于2017年10月投入使用，根据施工期间及运营期间的监测结果，软基沉降量为1.6cm，邻近桥桩整体位移为2.9mm，且变形已趋于收敛。

根据道路检测、监测结果及运营情况，软基处理后的变形在规范和设计允许范围之内，取得了较好效果。

图3 模型整体位移(单位：mm)

5 结语

软土路基是市政道路工程建设中的常见问题，选择合理的处理措施是保证路基稳定的关键，需综合考虑工程区域的地质条件、场地条件及周边环境。

在下穿高速桥软基段，软基处理施工净空有限，且距离邻近桥桩较近。由于小直径钻孔桩施工机械小、成桩工艺简单、场地适用性强、桩身强度高，通过在本工程中的成功应用，表明该处理方式特别适用于此类工程。

在软基路段填筑路基时会引起土体侧向变形，进而对周边构筑物造成一定影响，在设计时，可采用有限元数值模拟方法进行分析。本工程监测结果与有限元分析结果虽有一些出入，但误差可控，可通过不断积累实际工程经验来合理选择参数，从而提高分析结果精度。