大纵湖互通立体式交叉C匝道桥复杂软基处治技术研究

杨 立，汪 明，谷亚陆，梁 斌，李文杰

(1.中铁十五局集团第五工程有限公司，天津 300133；2 河南科技大学 土木工程学院，河南 洛阳 471023)

我国地域辽阔，在高速公路的建设过程中常会遇到各种各样对施工不利的地质情况，软土就是其中一种。软土即软弱的淤泥和淤泥质土，其作为地基时有低抗剪强度、高含水量和高压缩性[1-3]等特性。在公路建设时遇到软土地基，较容易发生由于地基不均匀沉降引起的路基失稳[4]。部分地区软土分布广泛，修建高速公路时确保路基稳定、控制其沉降是两个施工重点[5-6]。

软基在承受荷载时由于产生较大压缩，引起不均匀沉降，致使道路结构失稳或产生裂痕[7-8]，对高速公路施工都是不利的，故需对软基进行处治。不同的软基处治方法效果也存在一定差异，采用水泥搅拌桩和预应力管桩处治软基可以有效避免出现上述问题。朱俊樸等[9]以一级公路湛江大道建设时遇到的大范围软土地基为背景，利用Midas/GTS软件建立了有限元模型，研究了在软土地基情况下路基的沉降变形规律。陈凤熔[10]依托某高速公路工程，探讨了用水泥搅拌桩法处理软基的施工工艺。张强等[11]结合某高速公路工程，借助有限元分析方法计算路基沉降，研究了在不同情况下利用预应力管桩处理软土地基的效果。严克林等[12]以某高速公路软土地基处理工程为实例，分析了预应力管桩地基的沉降变化规律。截至目前，虽然国内外学者就水泥搅拌桩和预应力管桩软基处治技术研究进行了很多数值模拟研究，但是对于在高含水率、高压缩性软土情况下运用这两种技术处治公路互通匝道软基的研究却不多。

本文以阜溧高速公路建湖至兴化段JHX-YC6标段工程为依托，研究了运用水泥搅拌桩复合地基法和预应力管桩复合地基法对大纵湖互通CKO+668.148C匝道桥段软基的处治效果，为类似工程软基处理提供了借鉴。

1 工程概况

阜溧高速公路建湖至兴化段JHX-YC6标段线路起点桩号K29+150.000，向南布线，上跨横字河、老Sl25省道、新建S125省道，在与新建S125省道交叉处设置大纵湖互通一处，止于盐都区与兴化市界北侧约0.007 km处(本标段设计终点)，终点桩号K35+104.936，线路全长5.955 km。工程建设包括主线、匝道的地基处理、路基桥梁建设、相关管道预留预埋、涵洞开挖等。

大纵湖互通CKO+668.148 C匝道桥第1联设计为4×30 m现浇预应力混凝土连续箱梁，该现浇箱梁采用盘扣式支架施工。现浇箱梁单箱四室，梁高1.8 m，底板宽度14.5 m，顶板宽度19.5 m。项目所在区域内湖荡星罗棋布、圩田众多、河道交错纵横，地面高程一般在0.5～5.0 m之间。沿线地表水系发育，主要湖泊为大纵湖，沿线局部地段分布较密集的鱼蟹塘。由现场勘测报告可知，在项目区内主要分布着全新统松散土层以及上更新统粉质黏土、粉砂、粉土等软土地层。

2 软基处治方法设计

2.1 处治方法概述

软土地基承载性能弱，变形较大，通常要做处理，以避免路基结构失稳，确保公路施工过程中不出现问题，保证其耐久性符合预期。常用软基处理方法有换填法、复合地基法、预压排水法、动力加固法等，通过这些方法处理，能有效增强土体力学性能，将后期沉降量控制在合理范围内。

(1)换填法。换填法适用于软质地基埋置深度不大时的情况，是最常用、有效的一种方法。此方法是利用碎石、砂土及粉煤灰等强度较大、性能较好且符合质量要求的填料，换填软基层，或直接通过填加水泥等材料，达到增大地基承载力的目的。修建工程时可依据实际工况进行填料比选，确定合适的材料及级配，以有效增强基底稳定性、增大土层密实度；还可添加土工合成材料如格栅等，以提高抗渗性能。施工时往往是人工和机械相结合，挖除软土，换填新材料。

(2)复合地基法。复合地基是在天然地基承载力过低，无法满足要求时，将部分土体加固或替换，由原土体和加固后的土体共同组成的一种人工地基。根据地基加固体的方向，可以分为水平加固体复合地基和竖向加固体复合地基。水平向加固复合地基主要指加筋土地基，即使用土工织物、土工膜等材料加固的地基；竖向加固体复合地基又名桩体复合地基，分为黏结材料桩和散体材料桩。常用的加固体有粉喷桩、预应力管桩、水泥搅拌桩等。

(3)预压排水法。该法也称作排水固结法，即在地基上堆载预压或真空预压，或两者结合，有时还需布置砂井、排水带等排水设施，对地基进行人工处理。造成软质地基承载性能差的一个重要原因就是含水率偏高，故可采用以上方法将其中的水分排出，降低孔隙比，加速地基固结沉降，使沉降提前完成，从而减小地基工后沉降。随着土体超静孔隙水压消散，地基抗剪强度增加，承载力得到提高。

(4)动力加固法。此法又称强夯法，是主要针对砂土、粉土、湿陷性黄土和人工填土地基的一种处理方法。利用夯锤自重，反复将其提到一定高度自由落下，对地基进行冲击，最终土体达到密实，成为密实墩体。该法工艺简便、设备简单，无需加固原材料，具有较高的经济性。但在施工时需注意对周围建筑物、设备进行隔振、抗振处理。公路工程中采用动力加固法，可提高路基结构稳定性。

2.2 处治方法选取

软基处理是公路项目建设的重中之重。本项目施工区域内沟塘众多，软土分布广，包含淤泥质黏土和黏土。软土主要物理力学参数如表1所示。

表1 软土物理力学参数

该区段软土地基含水率处于较高水平，承载力低下，故应针对这些弱点进行处理。结合现场施工条件，确定软基处理方法主要采用水泥搅拌桩复合地基法，部分采用预应力管桩复合地基法。

2.2.1 水泥搅拌桩设计

水泥搅拌桩可作为加固体来处理软土地基，形成复合地基，这是国内公路修建时经常使用的一种方案，它具有施工工期短、造价低等优点，且地基承载力可得到明显提升。双向水泥搅拌桩进一步提升了施工的效率和质量，比传统水泥搅拌桩有着更深的处理深度，故在该工程大部分路段都采用双向水泥搅拌桩复合地基法来进行软基处理。全线水泥搅拌桩直径为50 cm，根据首件试桩情况确定搅拌桩长度为5～15 m，每延米水泥掺入量为55 kg，搅拌桩按梅花桩样式布置，桩身水泥采用P.O 42.5级普通硅酸盐水泥。

水泥搅拌桩布局设计如下：在一般直线段，水泥搅拌桩沿道路中心线方向垂直布设，呈梅花形(等边三角形)图案；在曲线段，选择接近中心线方向的直线作为布桩基准线，水泥搅拌桩沿基准线方向垂直布设，布设长度不超过50 m。沿河塘防护段，水泥搅拌桩布置至路基边坡线与河塘整平标高面交线外第3排桩。

2.2.2 预应力管桩设计

预应力管桩是工程中常采用的一种刚性桩，相比其他类型桩体，它有着更高的承载力和更大的处理深度。根据这些特点，在该工程中软土层底埋深大于16 m的软土路段，采用预应力管桩进行处理，主要分布在桥头段。

经过综合考虑，确定预应力管桩具体设计方案，如表2所示。

表2 管桩设计方案

预应力管桩间距不大于3 m时桩帽边长1.4 m，预应力管桩间距大于3 m时桩帽边长1.6 m。预应力管桩管节长度按7 m、8 m、l0 m标准控制，或根据现场实际调整，以减少桩节数和焊接次数。

3 软基处治施工

3.1 双向水泥搅拌桩处治软基

3.1.1 水泥搅拌桩施工

现场施工采用“两搅一喷”形式双向水泥搅拌桩，双向即叶片搅拌方向一正一反。钻机机身调平，通过水平尺进行检查；垂直度用系在机身导向架上的垂球进行控制，确保搅拌桩的垂直度偏差不超过1.0%。钻头选用为以下形式：三层叶片，每层2个叶片，叶片厚度为3 cm；上层和下层之间的距离为400 mm；呈水平的两个叶片的倾角为2%，每个叶片的宽度为70 mm。钻机进入现场后，根据施工顺序移动和调整钻机，使其对位、调平和调直，对位后的偏差不大于50 mm。

钻机就位时，开始拌制水泥浆，根据首件试桩情况，确定双向水泥搅拌桩水灰比(0.55)和施工配合比(如表3所示)。

表3 水泥搅拌桩配合比

拌制水泥浆时，按先加水、后加水泥、生石膏粉的顺序投料，每次水泥浆搅拌时间不少于3 min，以确保水泥浆在拌浆桶中搅拌均匀。水泥浆充分搅拌后放置到储浆桶中存放，测定其比重，频率为1次/h。水泥浆要现制现用，不得产生离析，水泥浆从制成到使用不得超过 2 h。水泥浆通过水泥浆泵进行输送，送到搅拌机喷浆口的时间为15 s。钻机钻进速度为0.6～0.8 m/min，喷浆压力为 0.25～0.4 MPa，内钻杆转速为50 r/min，外钻杆转速为 70 r/min。搅拌机搅拌 1～3 min后，冷却系统开始运行，当钻头以正常转速沿导向装置下放至离地面 25 cm深度时，启动泵送装置进行喷浆操作，钻至设计深度时喷浆10 s以上。在下钻过程中，随时观察设备运行及地层变化情况，钻头钻进速度控制在0.6～0.8 m/min、转速控制在60 r/min 左右，喷浆压力控制在 0.25～0.40 MPa，满足设计喷浆量的要求。

3.1.2 桩长控制

水泥搅拌桩通过搅拌桩机进行施工。搅拌桩机钻头下沉钻入设计深度后喷浆搅拌10 s以上，之后抬升到离地面25 cm的位置，抬升速度控制在0.7～1 m/min(调速器调节)；钻杆抬升的同时持续搅拌，内钻杆转速≥50 r/min，外钻杆转速≥70 r/min(转速档位3挡)。原则上处理深度以钻头穿破软土进入50 cm 深的相对坚硬土层为基准。钻头穿透软土层的时刻可根据前期相关资料中的软土层深度和桩设计长度进行预估，并通过对施工所用机械电流实时监测加以确定。

3.2 预应力管桩处治软基

3.2.1 预应力管桩施工

在预应力管桩施工时，首先进行桩位放样工作。采用经纬仪确定管桩的位置，使用消石灰作圆形图案标出该位置，圆心插上小木桩并做好保护。管桩压桩施工采用静力压桩机，压桩机进场后将其调平、对中，用钢索绑扎桩体垂直起吊。在第一节管桩入土30～50 cm 后，通过经纬仪检查和校正其垂直度，垂直度偏差不超过0.5%，之后以1～2 m/min的速度持续压桩，同时准确记录压桩时间和各压力表读数。

预应力管桩通过焊接连接，在焊接管桩之前，用铁刷清洁管桩上端和下端的表面，直到坡口出现金属光泽。焊接时分层焊接，由两个焊工在坡口四周对称电焊6个点；焊接层数要大于2层，焊接时去除层间杂物，焊缝要确保无夹渣、气孔，满足三级焊缝的要求；焊接好的桩接头应确保自然冷却至常温，冷却时间一般不低于5 min，之后在接桩部位涂热沥青，防止该部位锈蚀。

送桩采用套筒式送桩器施工，宜在管桩露出地面高度0.3 m左右时进行施工作业，套筒筒深以250～350 mm为宜，筒内径取420～430 mm；送桩器下设厚度均匀的桩垫，与桩断面完全接触，并设置标记，便于跟踪整个施工过程，确定送桩深度。当桩顶高出地面一定距离时进行截桩。截桩须注意用特定设备进行，切勿用大锤直接锤击。在管桩验收合格后，进行预制桩帽施工。首先在对应桩头位置开挖地面，开挖深度、宽度及长度以桩帽设计尺寸为准，开控地面后按要求绑扎钢筋浇筑并养护混凝土。

4 软基处治效果分析

软土地基通过水泥搅拌桩和预应力管桩加固后，需要对地基承载力进行检测。检测前先将现浇梁所在地面整平到统一标高1.85 m，掺入7%的石灰翻拌碾压，处理深度 40 cm、宽度 24.6 m、长度 124 m，压实度不小于90%，地基承载力不低于设计值161.4 kPa。地基承载力采用静力触探法测定，测定结果见图1。由检测结果可知，软土地基经过加固以后，第一跨至第四跨地基承载力测点承载力平均值分别为 238.4 kPa、228.8 kPa、234.4 kPa和250.4 kPa，承载力得到显著提升，比原设计值增加了42%～55%，满足桥梁施工对基础承载力的要求，符合相应规范。

(a)第一跨

5 结论

高速公路在修建时经常需要对软基进行处理。本文以阜溧高速公路建湖至兴化段JHX-YC6标段工程为依托，根据施工现场实际情况，采用双向水泥搅拌桩和预应力管桩对软基进行处治，形成复合地基，提升了软土地基承载力，处治效果明显，满足桥梁施工对基础承载力的要求。该软基处治技术有良好的可行性，为类似工程提供了借鉴。