高壓旋噴樁處治運營高速公路沉降效果分析

劉惠麗

（山西交通控股集團有限公司 運城北高速公路分公司，山西 運城 044000）

0 引言

濕陷性黃土地基是高速公路地基處治的重點，如果處治不當很容易在運營使用后造成路基路面結構出現較大的沉降變形，不僅破壞了路基路面整體結構，還會影響行車安全，引發交通事故[1]。因此，運營后的高速公路如出現較大沉降變形，且較長時間仍不能達到穩定，分析原因一般是由于地基沉降造成的，必須采取措施對地基進行加固[2]。結合右芮高速河運段沉降處治施工實踐，對路面沉降情況開展調查后制定方案采取高壓旋噴樁進行處治，布置測點進行監測，分析監測結果確定加固效果。

1 沉降情況調查

1.1 依托項目簡介

右芮高速河運段全長80.319 km，設計時速100 km/h，設計采用雙向四車道，整體式路基設計寬度為26 m。該高速公路右幅K36+393—K36+443段、K39+835—K39+885段、K40+835—K40+855段，左幅K36+600—K36+650段、K39+845—K39+895段、K40+830—K40+880段等6處地基為Ⅱ級自重濕陷性黃土，運營后出現了嚴重的橋梁臺背回填下沉和臺背脫空現象，經調查發現地面以下15 m范圍內含水量較大，地基承載能力差。該高速公路于2012年建成通車，沉降脫空路段由于道路兩側澆地管道破裂，大量水分滲入地基，造成地基出現不均勻沉降。沉降監測發現路面出現了10～15 cm的沉降變形，導致路基路面結構出現嚴重沉降變形。養護過程中曾對路面進行過修補，但并沒有達到預期的處治效果，修補后不久又出現了沉降開裂。為了快速恢復道路使用性能，徹底解決路基沉降變形問題，擬采用高壓旋噴樁對地基沉降進行處理。

1.2 沉降變形情況調查

右芮高速河運段于2012年12月建成通車，運營后不久就出現了橋梁臺背回填和涵洞臺背沉降變形的情況，進而造成路面出現大量裂縫。沉降量每年可達到3～5 cm，且沉降始終處于發展狀態，沒有達到穩定。為了保證高速公路安全通行，每年都采用加鋪瀝青層的方式修補路面病害。但由于沉降變形始終沒有穩定，路面修補后不久又出現了沉降開裂等病害。因此，采用加鋪瀝青層的方式不能徹底修復道路沉降病害，要保證道路結構穩定必須對地基進行徹底處治。為了制定合理的地基處治方案，對該段高速公路沉降變形情況進行調查，監測路面中線處沉降變形情況，并收集數據繪制沉降變形曲線如圖1所示。

圖1 路面中線處累積沉降變形曲線

分析路面中線處累積沉降變形監測結果，隨著監測時間的增長，路面中線處的累積沉降變形不斷增加，且呈現不斷增長的趨勢。在監測期間，每半年沉降量大概增加1～2 cm，且路面結構的開裂情況也不斷趨于嚴重，說明該路段沉降變形一直沒有達到穩定狀態。結合施工路段的工程地質情況，分析是由于在運營期間道路兩側澆地管道破裂，大量水分滲入地基導致地基產生了較大的沉降變形，必須重新制定措施對地基進行加固處治，以控制該路段沉降變形。

2 高壓旋噴樁處治方案

結合右芮高速河運段現場沉降監測情況，設計采用高壓旋噴樁對地基進行處理。高壓旋噴樁設計樁徑0.6 m，樁長15 m，樁間距2.0 m，采用正三角形布置。樁體選用42.5普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比為1∶1，比重控制在1.48。施工機械選用MGJ-50型旋噴樁機，噴設壓力20 MPa，鉆頭旋轉速度為25 r/min。

鉆孔前，使用MGJ-50型旋噴樁機在原路面上鉆孔，鉆入加固土層后，通過注漿管、噴嘴將水泥漿高壓噴射到加固土體內部，隨著鉆機的攪拌充分混合并凝固硬化[3]。為了確定水泥攪拌樁地基沉降處治效果，完工后在試驗路段布置沉降監測點，對地基沉降變形和深層土體側向位移進行監測，收集監測數據分析處治效果[4-5]。地基處治完成且確定沉降穩定后，對路面面層結構進行銑刨，重新鋪筑復合式路面結構。

3 高壓旋噴樁處治沉降效果分析

3.1 沉降監測方案

為了分析高壓旋噴樁對該路段地基處治的效果，在施工現場布置測點，安設觀測儀器，進行沉降變形和土體水平位移監測。觀測儀器主要包括沉降釘、孔壓計和測斜儀，沉降釘布設在試驗路段中部和邊緣部位，主要用于監測道路沉降變形；孔壓計布置在路面邊緣位置，用于監測孔隙水壓力，埋設深度分別為5 m、10 m以及15 m處；測斜儀布置在距離路堤坡腳1 m處，用于監測路基土體的側向位移，監測斷面觀測儀器布置如圖2所示。

圖2 監測斷面觀測儀器布置圖（半幅）

3.2 現場試驗質量監測數據

高壓旋噴樁施工完成后，待樁體固結達到一定強度后，對試驗路段進行鉆孔取芯，開展無側限抗壓強度試驗，確定成樁質量。分別在試驗段左幅和右幅鉆孔取芯，每幅確定3個檢測點，每個檢測點鉆孔深度為15 m，從4 m處開始取芯，每米取芯一個，每個鉆孔取芯11個。為了驗證樁體成型質量，將芯樣送至實驗室開展無側限抗壓強度試驗，樁身不同深度芯樣試驗結果如圖3所示。

圖3 樁身不同深度芯樣無側限抗壓強度試驗結果

分析無側限抗壓強度試驗結果，大部分試驗28 d無側限抗壓強度均高于1.5 MPa，僅1號孔有部分芯樣無側限抗壓強度低于1.5 MPa，所占比例為9.1%。大部分芯樣無側限抗壓強度分布在1.5～3.5 MPa之間，占芯樣總數的81.8%，少數試樣高于3.5 MPa。所有芯樣28 d無側限抗壓強度平均值為2.52 MPa，滿足設計要求不低于1.5 MPa的要求，說明芯樣成型質量滿足要求。

3.3 沉降監測結果分析

試驗路段高壓旋噴樁施工完成后，分別在試驗段左幅和右幅路面上布置沉降釘，使用精密水準儀和銦鋼尺進行觀測，進行了長達1年的沉降監測。選取5個測點的監測數據，繪制沉降量隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 完工后1年各測點沉降變化曲線

分析圖4各測點沉降量隨時間變化曲線，各測點1年內累計沉降量監測值分布在0.5～3 cm，且僅有測點5累計沉降量超過2 cm，為2.9 cm，其余4個測點累計沉降量最大值為1.9 cm。分析測點5累計沉降量較大的原因，主要包括兩個方面：一是由于測點5所在位置地基附加應力較大；二是由于施工破壞了原地基結構，高壓旋噴注漿后由于漿液固化造成地基土結構產生較多的骨架孔隙，進而導致公路整體結構下沉造成的沉降量變大。總之，分析高壓旋噴樁完工后12個月的監測結果，地基總體沉降量明顯下降。通過分析累積沉降量隨時間的變化曲線，監測前期沉降速度快，后期路面沉降已逐步趨于穩定，說明采用高壓旋噴樁對地基處治后有效減少了地基土的固結變形，控制了地基差異沉降。

3.4 深層水平位移監測結果分析

為了確定不同深度路基土的水平位移變化情況，分別在路基兩側埋設測斜儀，選取K39+850監測斷面作為研究對象，收集監測數據繪制不同深度土體水平位移變化曲線如圖5所示。

圖5 不同深度土體水平位移變化曲線

分析圖5路基土深層水平位移變化曲線，可以得出隨著土層深度的增加，路基土水平位移呈現先減小再增大，最后又減小的變化趨勢。路基土最大水平位移發生在深度為0～2 m的路堤土層上，最大水平位移分別為17.97 mm。隨后路基土水平位移隨深度增加不斷減小，當深度達到3～5 m時，又出現了增大的趨勢，最大值達到14.06 mm。出現這種情況的主要原因是由于澆地管道漏水造成的涵頂脫空，受到施工荷載的影響產生了較大的水平位移。分析圖5曲線變化趨勢，不同深度的路基土水平位移總體變形量不大，且隨著時間的增加呈現變小的趨勢。完工后3個月內深層水平位移值增加速度較快，后期逐步趨緩，趨向穩定。

3.5 路基沉降跟蹤監測結果分析

為了進一步確定高壓旋噴樁施工效果，完工后3年內在上述5個測點持續開展沉降監測工作，對路基沉降進行跟蹤監測。該路段于2017年9月完工，第1年數據選用上述監測數據，第2～3年每4個月監測1次，收集監測數據繪制沉降量隨時間變化曲線如圖6所示。

分析圖6曲線變化情況，完工后1年內沉降量增加速度較快，隨后逐步放緩，第3年和第4年基本趨于穩定。大部分的沉降量都是完工后1年內的沉降變形，隨后3年沉降量很小。結合路面基本情況，未發現出現明顯的開裂和沉降變形。因此，分析沉降量跟蹤監測結果，得出采用高壓旋噴樁對地基進行加固處治后，路基沉降變形已基本穩定，說明處治效果較好，達到了預期目的。

圖6 完工后3年路基沉降跟蹤監測曲線

4 結語

以右芮高速河運段沉降處治為研究背景，對高壓旋噴樁加固運營高速公路的現場調查、施工方案進行闡述，并布置測點開展沉降監測、深度水平位移監測和沉降跟蹤監測，分析監測結果得出以下結論：

a）高壓旋噴樁完工后，在施工現場進行鉆孔取芯，開展28 d無側限抗壓強度試驗，試驗結果表明絕大多數芯樣抗壓強度超過了1.5 MPa，滿足設計要求，施工質量合格。

b）分析沉降監測結果，各測點累積沉降量較小，監測前期沉降速度快，后期趨緩，說明采用高壓旋噴樁加固后有效減少了地基土的固結變形，控制了地基差異沉降。

c）分析路基土深層水平位移監測結果，得出隨著土層深度的增加，路基土水平位移變化呈現先減小再增大，最后又減小的變化趨勢，總體位移值較小，主要為完工后前3個月的變形，后期逐步趨于穩定。

d）分析沉降跟蹤監測結果，得出完工后1年內沉降量增加速度較快，為總沉降量的主要組成，隨后沉降變形逐步放緩，3年后已基本穩定，說明高壓旋噴樁處治效果較好，達到了預期目的。