變樁間距高壓旋噴樁聯(lián)合土工格柵加固橋頭黃土路基沉降監(jiān)測(cè)與規(guī)律分析

張培澤

（山西省公路局 太原分局，山西 太原 030012）

0 引言

隨著山西經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速公路作為一種重要的基礎(chǔ)設(shè)施，得到了大力建設(shè)。根據(jù)山西省高速公路網(wǎng)布局規(guī)劃，開工建設(shè)的高速公路項(xiàng)目大多穿行在山區(qū)，橋隧比較高[1]。山西省大部分地區(qū)分布著深厚的黃土，由于黃土的承載力較差，在高速公路的修建過程中，橋頭跳車問題是工程技術(shù)人員需要解決的一個(gè)重要難題。

目前許多學(xué)者針對(duì)這一難題開展了研究。胡幼常等[2]提出了黃土摻砂和土工格柵加筋兩種方法降低橋頭路堤沉降。俞永華等[3]介紹了一種楔形柔性搭板處治技術(shù)處理黃土地區(qū)橋頭沉降。申俊敏等[4]通過理論研究和數(shù)值模擬計(jì)算分析了土工格柵加筋對(duì)黃土地區(qū)路橋過渡段沉降的影響。閆茜等[5]用ADINA有限元軟件研究了土工格室處理黃土地區(qū)路橋過渡段的效果。郭建博等[6]分析了濕陷性黃土地區(qū)的橋頭跳車病害類型、影響因素，并提出了具體整治建議。高東升[7]介紹了灰土擠密樁在處理黃土地區(qū)橋頭跳車中的應(yīng)用。史軍強(qiáng)[8]以黃土地區(qū)某高速公路橋臺(tái)過渡段為例，計(jì)算了各個(gè)影響因素對(duì)路基沉降的影響。

本文結(jié)合山西省某高速公路路橋過渡試驗(yàn)段的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，介紹了一種變樁間距高壓旋噴樁聯(lián)合土工格柵加固橋頭黃土路基的工程技術(shù)，并對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，分析沉降規(guī)律，研究此工程技術(shù)對(duì)路橋過渡段的處理效果，具有重要意義。

1 工程概況

山西省某高速公路路橋過渡試驗(yàn)段位于山西省中南部，地貌為丘陵地貌，地層分為3層：0～3.2 m為輕微濕陷性黃土層，呈淡黃色，具有較大孔隙，部分呈堅(jiān)硬狀，土質(zhì)不均勻；3.2～9.6 m為非濕陷性黃土層，呈黃褐色，含鐵銹斑點(diǎn)，呈硬塑狀，土質(zhì)不均勻；9.6～17.4 m為砂礫層，主要為石英砂巖，分選性一般，粒徑2～40 mm，各土層物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。路橋過渡試驗(yàn)段縱向長(zhǎng)為15.4 m，路堤頂面寬為17 m，高為4.5 m，邊坡寬為7 m，黃土路基的處理范圍為坡腳線外1.5 m，如圖1所示。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)表

圖1 路橋過渡段俯視圖（單位：m）

2 黃土路基加固技術(shù)

過渡試驗(yàn)段的黃土路基分A、B、C、D四個(gè)區(qū)域，其中A區(qū)域?qū)挒?.3 m，B區(qū)域?qū)挒?.6 m，C區(qū)域?qū)挒?.5 m，D區(qū)域?qū)挒? m。黃土路基采用高壓旋噴樁加固，樁徑d為0.5 m。復(fù)合地基質(zhì)量由容許工后沉降值和復(fù)合地基承載力兩個(gè)指標(biāo)控制[9]，高速公路橋頭與路基相鄰處容許工后沉降值為不大于100 mm[10]。高壓粉噴樁的長(zhǎng)短取決于道路容許工后沉降值，且最好貫穿濕陷性黃土層到達(dá)下部巖層等持力層。根據(jù)工程地質(zhì)情況，樁體長(zhǎng)取9.6 m，貫穿輕微濕陷黃土層和非濕陷黃土層，直到砂礫層。經(jīng)驗(yàn)算，樁長(zhǎng)為9.6 m滿足容許工后沉降值的要求。復(fù)合地基承載力取決于置換率，而置換率取決于樁徑和樁間距。本過渡試驗(yàn)段不同區(qū)域的樁間距不同，A區(qū)域?yàn)? m，B區(qū)域?yàn)?.2 m，C區(qū)域?yàn)?.5 m，D區(qū)域?yàn)? m。經(jīng)驗(yàn)算，樁間距滿足復(fù)合地基承載力要求。路堤高為4.5 m，最底層為砂石墊層，厚度為0.5 m，上方為填土層，厚度為4 m。面對(duì)橋臺(tái)，左側(cè)路堤有4層土工格柵作為加筋體，右側(cè)路堤沒有土工格柵。第一、二、三層土工格柵分別位于路堤表面以下1 m、2 m、3 m位置處，第四層土工格柵位于砂石墊層中央。過渡段的縱斷面圖和橫斷面圖分別如圖2、圖3所示。

路堤填筑期長(zhǎng)30 d，填筑完成后監(jiān)測(cè)期長(zhǎng)360 d，路堤高度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖4所示。所有沉降觀測(cè)點(diǎn)從路堤填筑完成后開始監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)期為360 d。前2個(gè)月每4 d觀測(cè)一次，隨后的2個(gè)月每10 d觀測(cè)一次，之后的8個(gè)月每月觀測(cè)一次。

圖2 路橋過渡段縱斷面示意圖（單位：m）

圖3 C區(qū)域路橋過渡段橫斷面示意圖（單位：m）

圖4 路堤填筑高度隨時(shí)間的變化圖

3 沉降觀測(cè)點(diǎn)的布置

過渡試驗(yàn)段延縱向在樁頂上方的路面布置S1～S5共5個(gè)路面沉降觀測(cè)點(diǎn)；在墊層下方樁頂上方布置Z1～Z4共4個(gè)樁頂沉降觀測(cè)點(diǎn)；在墊層下方兩樁中心的黃土路基表面布置T1～T4共4個(gè)樁間土沉降觀測(cè)點(diǎn)。沉降觀測(cè)點(diǎn)延縱向的平面布置如圖5所示。

圖5 路橋過渡段縱向觀測(cè)點(diǎn)平面布置圖（單位：m）

過渡試驗(yàn)段的C區(qū)域內(nèi)延橫向在墊層下方樁頂上方布置Z3和Z5共2個(gè)樁頂沉降觀測(cè)點(diǎn)；在墊層下方兩樁中心的黃土路基表面布置T3和T5共2個(gè)樁間土沉降觀測(cè)點(diǎn)。沉降觀測(cè)點(diǎn)延橫向的平面布置如圖6所示。

圖6 C區(qū)域路橋過渡段橫向觀測(cè)點(diǎn)平面布置圖（單位：m）

路面沉降觀測(cè)采用在觀測(cè)點(diǎn)上放置尺墊的方法，樁頂沉降觀測(cè)和樁間土沉降觀測(cè)采用在觀測(cè)點(diǎn)埋設(shè)沉降板的方法。

4 沉降數(shù)據(jù)及規(guī)律分析

為研究變樁間距高壓旋噴樁聯(lián)合土工格柵加固橋頭黃土路基的工程技術(shù)對(duì)路橋過渡段的處理效果，本節(jié)分別從縱向路面沉降、縱向樁頂與樁間土沉降和橫向樁頂與樁間土沉降3個(gè)方面介紹監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并分析沉降規(guī)律，所有沉降觀測(cè)點(diǎn)從路堤填筑完成后開始監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)期為360 d。

4.1 縱向路面沉降數(shù)據(jù)及規(guī)律分析

縱向路面沉降觀測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖7所示。從圖7可以看出，各個(gè)路面沉降觀測(cè)點(diǎn)的沉降都隨時(shí)間的增加而逐漸增大，前期增大速度快，后期增大速度慢，在270 d后趨于穩(wěn)定。當(dāng)時(shí)間為360 d時(shí)，不同沉降觀測(cè)點(diǎn)的沉降不同，各個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)與距橋臺(tái)距離的關(guān)系如圖8所示。從圖8可以看出，隨著距橋臺(tái)距離的增加，沉降逐漸增大，且沉降的增大具有連續(xù)性。這是因?yàn)椋乇沓两抵饕獊碜杂诩庸虆^(qū)的復(fù)合地基的壓縮，隨著距橋臺(tái)距離的增大，樁間距逐漸增大，復(fù)合地基壓縮模量逐漸減小，沉降逐漸增大。取樁間距的對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)，沉降為縱坐標(biāo)，作圖9。

從圖9可以看出，沉降與樁間距的對(duì)數(shù)成正比。以上分析表明，高壓旋噴樁的樁間距隨距橋臺(tái)距離的增大而增加，可以使路基的沉降隨距橋臺(tái)距離的增大而增加，且不發(fā)生突變，形成一個(gè)合格的過渡段。

圖7 縱向路面沉降隨時(shí)間的變化圖

圖8 t=360 d時(shí)路面沉降隨距橋臺(tái)距離的變化圖

圖9 t=360 d時(shí)路面沉降隨樁間距的變化圖

4.2 縱向樁頂與樁間土沉降數(shù)據(jù)及規(guī)律分析

A、B、C、D四個(gè)區(qū)域的樁頂與樁間土沉降隨時(shí)間的變化分別如圖10、11、12、13所示。從圖中可以看出，無論是樁頂沉降還是樁間土沉降，隨時(shí)間的變化規(guī)律與路面沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律相似。隨著距橋臺(tái)距離的增加，時(shí)間為360 d時(shí)的樁頂沉降和樁間土沉降都分別增大，樁土差異沉降也逐漸增大，A、B、C、D四個(gè)區(qū)域的樁土差異沉降分別為0.8 mm、3.1 mm、5.3 mm、7.5mm。以上分析表明，隨著樁間距的增大，樁的荷載分擔(dān)比變小，土的荷載分擔(dān)比變大，土拱效應(yīng)減弱。

圖10 A區(qū)域樁頂與樁間土沉降隨時(shí)間的變化圖

圖11 B區(qū)域樁頂與樁間土沉降隨時(shí)間的變化圖

圖12 C區(qū)域樁頂與樁間土沉降隨時(shí)間的變化圖

圖13 D區(qū)域樁頂與樁間土沉降隨時(shí)間的變化圖

4.3 橫向樁頂與樁間土沉降數(shù)據(jù)及規(guī)律分析

為分析土工格柵對(duì)沉降的影響，選取橫向有土工格柵的路基中的Z3、T3觀測(cè)點(diǎn)與無土工格柵的路基中的Z5、T5觀測(cè)點(diǎn)，作沉降隨時(shí)間的變化圖如圖14所示。從圖中可以看出，有土工格柵的路基對(duì)應(yīng)的樁土差異沉降為5.3 mm，無土工格柵的路基對(duì)應(yīng)的樁土差異沉降為13.1 mm，表明土工格柵可以重新分配樁和土上方的荷載，提高樁土應(yīng)力比，減小差異沉降。

圖14 橫向樁頂與樁間土沉降隨時(shí)間的變化對(duì)比圖

5 結(jié)論

本文介紹了變樁間距高壓旋噴樁聯(lián)合土工格柵加固橋頭黃土路基的工程技術(shù)，并對(duì)路面沉降、樁頂沉降、樁間土沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析工程技術(shù)的效果，變樁間距和土工格柵對(duì)沉降的影響，具有以下結(jié)論：

a）變樁間距高壓旋噴樁聯(lián)合土工格柵加固橋頭黃土路基的工程技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)橋臺(tái)后一段路基沉降的均勻變化，克服了橋頭跳車的難題。

b）隨著樁間距的增大，路面沉降、樁頂沉降和樁間土沉降逐漸增加，樁土差異沉降也逐漸增加，土拱效應(yīng)減弱。

c）土工格柵可以提高樁土荷載分擔(dān)比，減小差異沉降。