高速公路擴建軟基及樁基處理技術比選

謝 堯 恩艷鋒

近幾年來地基處理機械、地基處理材料、地基處理計算理論的迅速發展，促進了地基處理技術、施工工藝的不斷改善和提高，我國越來越多的穿越軟土地基的高速公路在建設或改建時，采用了各種處理方法來減少軟土地基對路基沉降的不良影響。即使是那些不用穿越軟土地基的高速公路，在橋頭、結構物臺背等路基不易壓實的部位，也特別采用了管樁、水泥攪拌樁等軟基處理方式來加強基底承載力，減少臺背路基的沉降，減小橋頭跳車等現象，并取得了良好的效果。下面以滬寧高速公路擴建為例，對軟土地基幾種樁基處理技術進行比選研究，以供參考。滬寧高速公路改擴建工程軟基處理方式有:老路邊坡第一級臺階內側邊緣至新建路基坡腳外1.0 m范圍內為高壓旋噴樁和先張法預應力混凝土管樁;邊坡樁統一采用小直徑(φ 50)素混凝土鉆孔灌注樁，這三種方案可以總稱為復合地基(見圖1)。

1 高壓旋噴樁

1.1 高壓旋噴樁加固地基的原理

旋噴時，高壓噴射流在地基中，把土體切割破壞。其加固范圍就是噴射距離加上滲透部分或壓縮部分的長度為半徑的圓柱體。一部分細小的土粒被噴射的漿液所置換，隨著液流被帶到地面上(俗稱冒漿)，其余的土粒與漿液攪拌混合。在噴射動壓力、離心力和重力的共同作用下，橫斷面上土粒按質量大小有規律地排列起來，小顆粒在中部居多，大顆粒多數在外側或邊緣部分，形成了漿液主體攪拌混合、壓縮和滲透等部分，經過一定時間便凝固成強度較高、滲透系數較小的固結體。

1.2 固結機理

水泥與水拌和后，首先產生鋁酸三鈣水化物和氫氧化鈣，它們可溶于水中，但溶解度不高，很快就達到飽和，這種化學反應連續不斷地進行，就會析出一種膠質物體。這種膠質物體有一部分混在水中懸浮，形成一層膠凝薄膜。硅酸二鈣水化物幾乎不溶于水，只能以無定形體的膠質包圍在水泥微粒的表層，另一部分滲入水中。由水泥各種成分所生成的膠凝膜，逐漸發展起來成為膠凝體，從而產生下列現象:1)膠凝體增大并吸收水分，使凝固加速、結合更密。2)由于微晶(結晶核)的產生進而生出結晶體，結晶體與膠凝體相互包圍滲透并達到一種穩定狀態，這就是硬化的開始。3)水化作用繼續深入到水泥微粒內部，使未水化部分再參加以上的化學反應，直到完全沒有水分以及膠質凝固和結晶充盈為止。但無論水化時間持續多久，很難將水泥微粒內核全部水化，所以水化過程是一個漫長的過程。

1.3 高壓旋噴樁的適用范圍

高壓旋噴樁主要適用于處理淤泥、淤泥質土、黏性土、粉土、黃土、砂土、人工填土和碎石土等地基。當土中含有較多的大粒徑塊石，堅硬黏性土、大量植物根莖或有過多的有機質時，應根據現場試驗結果確定其適用程度。

2 PTC管樁

預應力混凝土薄壁管樁PTC處理法使用靜壓式樁機或錘擊式樁機將預制管樁打入地基，地面荷載主要通過管樁向深層硬土層或基巖傳遞，同時樁間土也承擔部分荷載。PTC管樁加固軟弱地基主要有兩種作用:樁體作用和擠密作用。用PTC管樁法處理地基可達到有效消除沉降和提高地基承載力的雙重目的。該方法主要適用于軟基性質很差、軟土層深厚等情況下的橋頭連接路段的地基加固。預應力管樁，是由專業廠家采用先張法預應力工藝和離心成型，蒸汽養護而成，是一種細長空心等截面預制混凝土構件。預應力管樁的種類較多，中國管樁按品種可以分為PC管樁混凝土強度大于C60，PHC管樁混凝土強度大于C80，PTC管樁混凝土強度大于C60，ACCS管樁混凝土強度大于C80。另外還有許多非標準管樁。

3 素混凝土鉆孔灌注樁

素混凝土鉆孔灌注樁是一種常見的施工方法，其復合地基效應主要如下。

1)置換作用。樁體材料的組成決定復合地基置換作用的大小，土被素混凝土鉆孔灌注樁置換是復合地基承載力得到提高的主要原因之一。

2)排水作用。素混凝土鉆孔灌注樁樁體的滲透系數一般在10-3cm/s～10-1cm/s范圍內，而樁間自然土層的滲透系數一般在10-6cm/s～10-4cm/s，遠比樁體的滲透性小，所以樁體具有良好的透水性，樁體的排水作用，有利于孔隙水壓力消散，有效應力增長，加速樁周土的固結過程。

3)樁間土的改良作用。經過對素混凝土鉆孔灌注樁復合地基加固前后樁間土的物理力學性質的試驗分析表明，樁間土的物理力學性質得到了較大提高，一般含水量降低14%～19%，天然容重增加1.03%～2.2%，孔隙比降低13%以上，壓縮系數減小11%～52%，而靜力觸探貫入阻力提高30%以上。同時發現，在加固范圍內，素混凝土鉆孔灌注樁對黏性土或粉土的工程性質改善較明顯，而對砂類土基本沒有改變，但振密效果比較顯著。

4)樁對土的約束作用。由于樁對土體側向變形的限制，相同荷載水平條件下，復合地基抵抗垂直變形的能力有所加強。

5)施工中振動擠密作用。由于施工過程中振動的影響，將會對樁間土產生擾動和擠密，短期內會使其強度有所降低。成樁結束后，隨著恢復期的增長，結構強度逐漸恢復，新的結構強度的形成，樁間土的承載力有所提高。

4 結論與展望

針對滬寧高速公路改擴建工程，軟土地基段新舊路基間銜接技術，從理論上的分析到設計方案的研究、施工工藝的探討以及試驗觀測數據的總結，得出結論如下:

滬寧高速公路采用的幾種軟土地基處理方法，都有相應的適用范圍，我們進行了系統的總結。

高壓旋噴樁主要用于加固地基，提高地基土的抗剪強度，改善土的變形性質，也可組成閉合的帷幕，用于截阻地下水流和治理流砂。高壓旋噴樁主要適用于處理淤泥、淤泥質土、黏性土、粉土、黃土、砂土、人工填土和碎石土等地基。

PTC管樁主要適用于軟基性質很差、軟土層深厚等情況下橋頭連接路段的地基加固。

素混凝土鉆孔灌注樁承載能力在碎石復合地基和鋼筋混凝土鉆孔灌注樁之間，這樣有利于充分發揮樁體材料的潛力，降低地基處理費用。對砂土、粉土和松散填土或地下水位高，地下水豐富等地基的處理作用尤為突出。

通過對各種軟基處理方案的研究、施工質量和經濟對比后，建議處理方案按三類情況進行選擇:1)軟土深度小于8 m時，可選用水泥攪拌樁處理，并考慮地基土的含水量而確定水泥用量;2)當軟土深度大于8 m小于25 m時，宜采用高壓旋噴樁、PTC管樁或素混凝土鉆孔灌注樁處理的方法;3)軟土深度大于25 m時，可選擇素混凝土鉆孔灌注樁和PTC型疏樁方案，通過經濟性和施工處理效果比選后確定。

本文主要研究新老路基沉降量大小的問題。通過相應的有限元計算得到，在拼接拓寬后，一般情況下沉降最大位置出現在拼接拓寬斷面的形心位置，呈反盆形分布，與實際觀測和理論分析是一致的。但是，通過一定技術措施降低新老路基之間的位移差顯然是解決問題最經濟和直接的工程技術措施，但無論采取何種技術措施都不可能完全消除新老路基之間的差異。高速公路改擴建工程中軟土地基處理，從理論到實踐尚有較多不完善的地方，有待進一步研究和完善。

[1] 馬小鋒.淺談軟土地基處理方法[J].山西建筑，2008，34(1):121-122.