扩建高速公路拼宽段软土路基加固处理技术研究

■ 中铁十八局集团第一工程有限公司 陈长洪

随着交通基础行业建设的不断发展，现行道路已难以满足日益剧增的道路交通量需求，对现有道路进行改扩建成为必然。路基改扩建的重难点在于新老路基结合的整体稳定性，特别是软土路基段，由于其具有含水量高、天然空隙比大及灵敏度高等特点[1]-[2]，与新老路基压实度及固结沉降期存在较大差异，扩宽拼接位置易出现纵向裂缝，因此，软土路基处理是路基沉降控制的关键[3]-[4]。本文依托某扩建高速公路工程，结合设计及现场实际施工经验，对水泥搅拌桩+钢塑格栅及预应力管桩+钢塑格栅两种软基拼宽施工关键技术进行研究，并通过现场监测对处理效果进行验证，以期为类似扩建高速公路软基拼宽路段设计与施工提供参考。

1.工程概况

某扩建高速公路位于东南沿海，采用标准的路基两侧扩宽方案，扩宽段为双向八车道，路基宽度为41m，其中，行车道宽2×4×3.75m、硬路肩宽2×3.0m、土路肩2×0.75m、中间带宽3.5m，如图1所示。该段路基主要位于海积平原区，区域不良地质现象不发育，海积平原区场地上分布厚层海积淤泥、淤泥质黏土等，总厚度一般可达8m～15m。软土路段上部主要为老路路基填土，其下为海积黏土，而场地上部为海积淤泥，其下为冲湖积可塑粉质黏土、坡洪积含黏土角砾、含碎石粉质黏土等，下伏基岩为侏罗纪凝灰岩，强度较高；其上部土层性质较差，土体中含水量较高、土体可压缩性高，承载力低，固结沉降缓慢等，易发生路基侧向滑移、过量沉降、桥头跳车及桩基缩径等问题。路基扩宽段上部软土地基处理是控制整个路基工程施工的关键。

2.软土地基加固关键技术

该扩建路基工程综合考虑软土地基深度、填土高度、软基深度纵横向变化及经济性方面等主要因素，采用不同的软土地基处理方式，其中包括堆载预压、双向搅拌桩加固、预应力管桩等处理方法。

针对该工程一般扩建路段填方段，当填方高度小于2.2.m时，主要采用堆载预压法处理；当填方高度位于2.2m～4.5m时，主要采用双向水泥搅拌桩加固处理；当填方高度大于4.5m时，主要采用预应力管桩处理。但针对桥头等结构物路段，当填方高2m～5m，且软土深度小于15m时，采用无扩大头双向水泥搅拌桩；当填方高2m～5m，且软土深度大于15m时，3.5m以下主要采用不打穿的双向搅拌桩，打设深度15m～18m，而3.5m以上采用预应力管桩；当填高大于5m时，采用预应力管柱。为加强新旧路堤搭接，减少不均匀沉降，应采取以下措施：将原路基边坡挖成台阶状，每级台阶高度应控制在1m～2m之间，台阶开挖顺序应从下往上进行，应注意及时采取防护措施和填筑拼宽路基，防止雨水冲刷等引起边坡滑坍，下级台阶及拼宽路基回填并压实后方可进行上一级台阶的开挖。对新旧路堤搭接处施工时应进行增强补压，以确保其压实度在路面结构底部沿着老路边坡线对称铺设一层宽度为5m的钢塑格栅。

图1 扩建路基标准断面图

图2 水泥搅拌桩+钢塑格栅软基处理横断面图（单位：cm）

图3 双向水泥搅拌桩施工流程图

图4 双向水泥搅拌桩现场施工图

图5 预应力管桩+钢塑格栅软基处理横断面图（单位：cm）

3.软土地基加固施工工艺

3.1 双向水泥搅拌桩施工

双向水泥搅拌桩主要通过在同心双轴钻杆上设置正向切削旋转叶片和反向切削旋转叶片，并在叶片上设置喷浆孔，双轴钻杆在转动时喷出高压水泥浆液，经过内外同轴钻杆上叶片旋转搅拌形成质量均匀的水泥搅拌桩体。如图2所示，搅拌桩材料采用42.5号普通硅酸盐水泥，设计水灰比为1：0.45～0.55。上部扩大头长度为3.0m、直径1.0m，设计水泥用量为260kg/m；下部桩长12m～15m、桩径0.5m，设计水泥用量为65kg/m；扩大头部分采用四搅两喷工艺施工，下部状体采用两搅一喷工艺施工。喷浆压力不小于0.5MPa，扩大头28d无侧限抗压强度应不小于1.0MPa，下部桩体28d无侧限抗压强度应不小于0.6MPa。施工前必须先选取典型路段，通过试打获得合理的施工工艺参数，试柱数量不得少于3根。双向水泥搅拌桩具体施工工艺，如图3所示。

首先，平整场地按照设计桩位布置型式及尺寸放出各桩位置并标记清除，同时做好路基上部防排水措施，双向搅拌机就位后，定位安装准确，并进行桩位及垂直度校正，如图4所示。

双向搅拌设备安装就位后进行调试，并通过现场双向水泥搅拌桩试验，确定相应施工参数，后续根据实际效果再进行及时调整。

搅拌下沉：双向搅拌机钻头钻进前，先进行通水试验，检查喷浆管路是否堵塞，然后详细切削土体直至设计深度，下沉钻进速度保持一致，确保切削土体均匀。

喷浆搅拌提升与重复搅拌下沉：钻进至设计深度时，打开喷浆阀门，边喷浆边向上搅拌提升至桩顶标高，提升速度应控制在1.0m/min～1.5m/min，然后再次搅拌下沉与提升，下沉速度应控制在1.5m/min～2.0m/min（重复搅拌时可提高一个档位），以保证成桩质量。

钻机移位：将搅拌钻头提升至桩顶以上时停止钻机，并向进料斗中注入清水，清洗管路防止浆液凝固堵塞钻杆。

3.2 预应力管桩加固施工

如图5所示，预应力管桩外径采用40cm，壁厚不小于60mm，每根管桩包含接桩和开口（闭口）型柱尖，桩尖采用闭口型，桩帽采用100×100×35cm型C30现浇混凝土桩帽。在场地允许的情况下，应尽量采用静压法沉桩。针对桥台预应力管桩施工时，应提前预留出管桩施工位置，若桩位与管桩位置存在冲突时，可进行适当调整，确保与灌注桩净距应大于1.0m。采用预应力管桩处理路段，桩顶50cm厚的填筑材料应采用粒径不大于10cm，含泥量小于10%的清宕渣垫层。而钢塑格栅施工次序为：清基后先铺设20cm清宕渣并压实，然后铺设第一层格栅；对设置多层钢塑格栅的，在下层格栅上铺设30cm的路基填料并压实，再铺设上层钢塑格栅。施工前必须选取典型路段，通过试打获取合理施工工艺参数，试桩数量不小于3根。预应力管桩具体施工施工工艺过程如下：

预应力管桩施工前应进行场地平整与清理，再进行垫层铺设，垫层高度与桩帽高度保持一致，柱帽浇筑前先挖除相应面积的垫层再进行桩帽的浇筑，第一层水平加筋铺设在桩帽顶面。

预应力管桩应按照路基横向由中间向两边，路基纵向由存在结构物侧向路基段逐排打设。

准确定位后应采取可靠的施工工艺，确保柱体质量。防止因振动、挤土等作用导致柱体倾斜、折断、柱体上浮、向外位移和地面隆起等。

4.路基施工检测与监测

4.1 路基施工检测

扩建路基工程软基处理施工中应严格按照相关规范及设计资料进行相应双向水泥旋喷桩及预应力管桩施工质量检查项目的量测与检验试验[5]，如表1和表2所示。根据检测控制指标及时调整施工技术参数，确保软基加固施工质量，有利于控制路基填筑沉降，从而提升软基处理的承载力和稳定性。

4.2 桩基承载力试验

通过钻芯取样法对不同深度的双向水泥搅拌桩28d成桩无侧限抗压强度进行试验，试验结果如表3所示。从表中可以看出，双向水泥搅拌桩扩大头（0～3m）28d无侧限抗压强度平均值为1.38MPa，下部3m～9m桩身与9m～15m桩身平均抗压强度分别为0.82MPa和0.74MPa，均大于设计要求值。

从图6中可以看出，预应力管桩打桩承载力要高于水泥搅拌桩，按照规范[6]中相关单桩承载力确定方法，单桩承载力荷载位移曲线出现典型陡降变化时，明显陡降拐点对应荷载即为改桩的承载力，所以水泥搅拌桩单桩承载力达到310kN，预应力管桩单桩承载力为615kN，均高于设计要求单桩承载力检测标准的200kN和400kN。

表1 双向水泥搅拌桩施工质量检查与控制标准

表2 预应力管桩施工质量检查项目及控制标准

表3 双向水泥搅拌桩无侧限抗压强度（MPa）

图6 不同软基处理单桩承载力曲线图

图7 路中沉降板布置图

图8 YK24+170典型断面沉降时程曲线图

表4 路中沉降板监测结果

4.3 试验段路基监测

由于该工程所在区域广泛分布海相沉积深厚软土，路基填筑沉降大，同时高速公路对地基变形要求较高（如工后沉降、不均匀沉降及路面平整度等），因此需要对路基进行沉降观测，同时根据沉降分析也可检验软基处理的效果。软基处理段主要采用路中沉降板进行路基沉降观测，试验段路基50m每个监测点，路中沉降板由沉降板、测杆、连接管及护套管组成，随着路基填筑高度不断升高，测杆不断接长，如图7所示。施工期监测频率为1d/次，预压期3d/次～7d/次，沉降稳定期15d/次，试验段监测周期为7个月，选取不同软基处理试验段路基沉降，监测结果如表4所示。

从表4可以看出，路基试验段经过水泥搅拌桩和预应力管桩加固处理后的路基累计沉降量较小，最大累计沉降量为38.77mm，均小于设计允许工后沉降标准值50mm，且月平均沉降均小于7mm/月的沉降速率控制指标。此外，从图8可以看出，路基沉降变化较大值主要位于前期施工预压堆载阶段，随着路基上部逐层堆载，路基沉降变形主要呈现“先缓慢增长-快速增长-逐渐趋于稳定”3个阶段，堆载预压后连续两个月沉降速率均小于5mm，表明路基沉降达到稳定状态，同时也说明扩建路基拼宽段软基处理达到了预期效果。

5.结语

本文对比分析了3种软基处理施工技术的优缺点及适用范围，结合扩建高速路基填筑高度、下部软土深度及纵横向变化等因素，确定了不同路基填筑段的软基处理方法，并详细介绍了双向水泥搅拌桩和预应力管桩的加固施工工艺、参数及相应施工质量控制标准。为防止路基拼宽段不均匀沉降，路基分层填筑时设置多层钢塑格栅，确保扩宽路基的整体稳定性。软基处理加固承载力试验结果表明，双向水泥搅拌桩不同深度无侧限抗压强满足设计要求，且单桩承载力均大于规范检测标准值。而堆载预压阶段通过路基沉降监测结果表明：路基沉降主要经过“缓慢增长-快速增长-逐渐趋于稳定”3个阶段，累计沉降量及沉降速率均符合路基填筑沉降控制标准，表明扩建路基处理取得较好效果。