高速公路改擴建深層軟基管樁施工工法研究

何龍江，楊澤涵

(1.貴州省公路勘察設(shè)計院有限公司，貴州 貴陽 550000；2.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430100)

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的進一步發(fā)展，區(qū)域間互聯(lián)互通更加密切，前期雙向四車道高速公路運輸能力問題更加凸顯，特別是沿海地區(qū)道路擴容提升需求迫切，四改八等高速擴建如火如荼，擴建中各種問題突出，如交通保通復(fù)雜、用地受限、跨線凈空不足的路基抬升、深層軟基段的路基拼接處治困難、廢料利用等。

對于拼寬段的深層軟基，特別是沿海地區(qū)沖積平原地貌，軟土層性狀復(fù)雜、夾層較多、含水量高、孔隙率大、有機質(zhì)含量高、老高速公路路基施工原因?qū)е碌难鼐€土雜填石嚴重，土質(zhì)很不均勻，導(dǎo)致目前對地基處理方案的選擇極其困難，后期變更較多，目前拼寬深層軟基路段常用處治方案有換填、水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、預(yù)應(yīng)力管樁、輕質(zhì)土+復(fù)合地基等。水泥攪拌樁在含水量高、有機質(zhì)含量高及地基雜填石路段適用性不強，高壓旋噴樁適合一些凈空受限路段，由于高速擴建一般情況下工期緊張，考慮雨季施工等各種不利影響，需要在地基處理快捷并且保證工程質(zhì)量，所以預(yù)應(yīng)力管樁在高速公路改擴建中得以大規(guī)模的應(yīng)用，目前深層軟基的研究及設(shè)計主要采用有限元如ABAQUS等，分析知道新拼寬路基寬度不同情況下新舊路基總體沉降曲線形狀及最大沉降點位置，為了盡量減小新舊路基的差異沉降，控制填筑后導(dǎo)致的差異橫坡，地基處理的范圍應(yīng)盡量靠近老路基硬路肩邊緣，覆蓋盆型沉降影響較大的范圍，這樣勢必產(chǎn)生在老路坡體上的樁體施工，目前在拼寬高速公路的管樁施工中產(chǎn)生了很多工藝工法。

1 目前國內(nèi)高速公路擴建軟基管樁施工工法介紹

在總結(jié)如廣佛、佛開等擴建高速的基礎(chǔ)上，目前的管樁施工工法有低填方一次平臺施工和高填方二次及多次平臺施工。同時針對性的在如橋頭路段配合采用輕質(zhì)土填筑，加速工期的堆載預(yù)壓的復(fù)合處治方案等，盡量減小后期的工后差異沉降，此工法在理論上是可行的，從實際來看，對于原地表本身存在硬土殼層、原老路邊坡土填筑質(zhì)量較好開挖不存在老路垮塌風(fēng)險路段及大段落施工中是可行的，這樣機械進場及運輸?shù)炔淮嬖趩栴}，且由于管樁量大，設(shè)備進場費用等可以分攤消耗掉。

2 廣東開陽擴建項目管樁施工關(guān)鍵問題分析

(1)本項目由于沿線魚塘多、表層淤泥化，缺乏管樁機械設(shè)備進場的條件。

(2)本項目老路邊坡經(jīng)開挖發(fā)現(xiàn)表層土土質(zhì)疏松、部分路段存在黏土包邊的吹填砂路基，路基開挖存在老路邊坡塌方的風(fēng)險，對運營狀態(tài)的高速公路不可取。

(3)本項目進場施工處于雨季且雨季較長，開挖老路邊坡遇水滑塌風(fēng)險較高。

(4)本項目軟基段落比較零碎，大規(guī)模施工困難，高填方較多且工期緊張，采用二次平臺施工管樁設(shè)備進場費用高且嚴重影響工期。

(5)即便是一次平臺施工，由于坡腳較遠，最靠老路側(cè)一排樁需要開挖老路坡腳，且最內(nèi)排管樁受管樁施工設(shè)備影響施工困難。

3 本擴建項目管樁施工處治對策

選擇以不能減弱管樁處治路基差異沉降的功能為前提，同時能夠壓縮工期、減少設(shè)備的投入、能連續(xù)化施工、提高老路運營安全為研究重點。為此確定了以下方案。

對于填方高度高于7 m的深層軟基路段，考慮填筑高施工平臺導(dǎo)致后期由于管樁樁帽下部填方與樁帽處差異沉降造成的樁帽底與下部填土脫空以及管樁的高樁穩(wěn)定性，可視情況采用管樁矩形布置并在樁頂設(shè)置聯(lián)系梁形成高樁承臺，加強管樁間整體受力，避免管樁壓曲及維持復(fù)合地基處理效果。同時對于超低填方路段也應(yīng)進行矩形管樁布置+系梁，避免管樁+土工格柵土拱效應(yīng)造成的路面波浪形狀，其采用的機理如下。

常規(guī)的管樁柱網(wǎng)復(fù)合地基的傳荷機理為：上部碎石層通過應(yīng)力擴散將上部荷載均勻的傳遞到土工格柵上，當(dāng)上部荷載較小時，土工格柵變形較小，此時傳遞到樁上的力也小，此時樁土應(yīng)力比比較小，管樁沒有發(fā)揮多大的作用，隨著上部荷載的增加，土工網(wǎng)變形增大，撓曲成網(wǎng)兜狀，拖拽管樁往下，此時樁土應(yīng)力比增加，管樁承載力得以有效發(fā)揮，反過來減小上部沉降。但是這種傳荷路徑是以上部大變形為代價的。

對于本項目這種先填筑高平臺施工且上部填方較高時，由于前期填筑施工平臺的先期下沉與后期管樁施工上部填土的時效差復(fù)合沉降影響，會導(dǎo)致管樁樁帽底土脫空，進一步加劇上部填土下沉，土工格柵可能受力過大斷裂導(dǎo)致復(fù)合地基處理失效，因此應(yīng)設(shè)置剛度不太大的管樁間系梁，協(xié)調(diào)這種變形差，通過系梁強化土工格柵將樁間土受力傳遞到樁上，樁再將力傳入下部土層，當(dāng)然對于系梁不能設(shè)置過于剛性，這樣才能產(chǎn)生介于復(fù)合地基與樁基處理之間的一種過渡方案，充分利用樁間土受力，形成復(fù)合地基處治效果，不然就會形成樁直接受力而樁間土沒有參與作用，形成樁基結(jié)構(gòu)，不符合復(fù)合地基的原理。

通過分析可知由于框架系梁+管樁的樁筏模型復(fù)合地基處治方案比管樁+土工格柵的柱網(wǎng)模型的樁土共同受力模型更加剛性，樁土應(yīng)力比更大，這樣能減小樁間土的受荷分擔(dān)，能夠在一定程度上克服先期填土的時效影響導(dǎo)致的樁帽底脫空導(dǎo)致的上層填土下沉影響。

同時這種方案對上部低填的深層軟基段也有很好的用處，因為管樁+土工格柵的柱網(wǎng)模型以土工網(wǎng)大變形為發(fā)揮作用前提，這樣可能導(dǎo)致路面波浪狀，設(shè)置系梁能避免這種路面波浪狀病害。

4 先填筑施工平臺后一次施工管樁工法效果評價

(1)此管樁施工工法簡化了施工步驟，避免了設(shè)備多次進場，同時先期填筑的平臺可以兼做管樁等的運輸通道，便于連續(xù)化施工，極大的縮減了施工工期，雖然增加了管樁長度，但總體而言降低了工程綜合成本。

(2)通過選擇2處先期施工的實驗段監(jiān)測資料，對施工工法進行佐證。

表1 K3218+943～K3219+090右幅(魚塘段)地質(zhì)鉆孔資料

圖1 K3218+900～K3219+080拼寬路基右側(cè)累計沉降曲線

圖2 K3218+900～K3219+080拼寬路基右側(cè)累計位移曲線

表2 K3233+370～K3233+440右幅，地質(zhì)鉆孔資料

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，該2段軟基監(jiān)測斷面沉降、位移均小于預(yù)警值，經(jīng)過一段時間的沉降穩(wěn)定，后期沉降斜率趨于零，且通過深層測斜管測量未發(fā)現(xiàn)深層滑動面， 綜合判斷該路基處于穩(wěn)定狀態(tài)， 對后期路面結(jié)構(gòu)鋪筑不存在影響，因此此工法是可行的。

圖3 K3233+370～K3233+440拼寬路基右側(cè)累計沉降曲線

圖4 K3233+370～K3233+440拼寬路基右側(cè)累計位移曲線

同時應(yīng)根據(jù)淤泥層位及厚底，淤泥下臥層的不同土質(zhì)，通過實驗段研究不同樁長、下臥層土質(zhì)類別、需求承載力與錘擊標準的關(guān)系。本項目下臥層根據(jù)統(tǒng)計主要為：全風(fēng)化花崗巖層、強風(fēng)化花崗巖層和砂層等，在進行大規(guī)模施工之前進行分下臥層土類別、 分施工工藝如靜壓樁還是錘擊樁、 分填土高度、分樁距的的實驗段研究，研究不同情況下的樁土應(yīng)力比、復(fù)合地基承載力、下臥層貫入度、錘擊法收錘標準、靜壓法油壓控制標準等的相關(guān)關(guān)系，這樣為大規(guī)模施工、控制后期的差異沉降提供了實驗基礎(chǔ)，避免了人為為保險起見的過于提高收錘標準等，避免管樁打入過長造成的浪費。

5 結(jié) 語

高速公路擴建拼寬的深層軟基處理中，需要綜合考慮如工期成本、方案可靠及可操作性、實驗檢測的便利性、地層條件、減小施工干擾等各種因素，注重地基處治方案的工法研究，這樣才能使方案能順利落地，通過本項目的實驗研究：先期填筑施工平臺+后期管樁施工的方案是可行的，值得推廣，這種方案極大的縮短了工期成本和便于施工作業(yè)，極具可操作性。不足之處即對先期填土平臺與管樁樁帽底脫空這個弊病及樁+系梁地基處理模型需進一步研究，便于理論指導(dǎo)設(shè)計施工。