灰土擠密樁在處治濕陷性黃土地區(qū)公路橋頭跳車現(xiàn)象中的應(yīng)用

高東升

（聞喜至合陽高速公路建設(shè)管理處，山西 運(yùn)城 044000）

橋頭跳車指的是橋臺(tái)構(gòu)造物和與之相銜接的路基填土之間產(chǎn)生較大差異沉降，在銜接處附近形成陡坡或錯(cuò)臺(tái)，導(dǎo)致車輛行駛至這一區(qū)域產(chǎn)生顛簸跳躍的現(xiàn)象。山西省地處我國中西部地區(qū)，是典型的黃土高原地貌。在公路修建過程中，濕陷性黃土地段的橋頭路基處理是一個(gè)繞不開的話題。從目前已建成通車高速公路的運(yùn)營情況來看，因黃土的濕陷性產(chǎn)生的路基不均勻沉陷從而導(dǎo)致的橋頭跳車加劇的現(xiàn)象是一個(gè)工程上普遍存在且又比較棘手的問題。

1 濕陷性黃土地區(qū)橋頭跳車成因分析

1.1 濕陷性黃土

黃土是一種天然含水率小、孔隙率高的黃褐色粉質(zhì)黏土。濕陷性黃土是一種特殊卻普遍存在的黃土，廣泛分布于我國的黃河中游地區(qū)。濕陷性是指黃土遇水后，在黃土自重應(yīng)力或外加應(yīng)力的作用下，土體結(jié)構(gòu)中的粒子與水發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致土體組織中的骨架結(jié)構(gòu)被破壞，強(qiáng)度降低而產(chǎn)生濕陷變形。黃土的濕陷性根據(jù)黃土浸水后是在外荷載作用還是自重作用下產(chǎn)生濕陷變形可分為非自重或自重濕陷性黃土。

黃土的濕陷性可根據(jù)其壓縮性進(jìn)行判定，區(qū)分為濕陷性黃土和非濕陷性黃土。濕陷性等級(jí)依據(jù)濕陷變形量劃定為非自重濕陷Ⅰ、Ⅱ級(jí)和自重濕陷Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)。

1.2 橋頭跳車成因分析

橋頭跳車的發(fā)生原因一般認(rèn)為是因?yàn)闃蛄号c路基的剛度差異較大，橋梁段相對(duì)填方路基的沉陷量要小很多，在橋路銜接段產(chǎn)生不均勻沉陷，道路的平順性得不到保障，影響行車的安全性和舒適性。橋頭跳車的誘發(fā)因素主要有：地基沉陷、路基填料的二次固結(jié)、橋臺(tái)搭板破損、橋路銜接段排水不暢導(dǎo)致填土流失引起的路基下陷等。在進(jìn)行橋頭路基過渡段的實(shí)施時(shí)，一般要求臺(tái)后填筑水穩(wěn)定性強(qiáng)、工后變形小的砂礫、灰土、碎石等材料，并通過提高橋臺(tái)臺(tái)后路基的壓實(shí)度等措施確保臺(tái)后路基填筑的強(qiáng)度和耐久性，從而避免了因橋臺(tái)臺(tái)后路基填土的失穩(wěn)和不均勻沉降引起橋頭跳車發(fā)生的可能性。因此，在濕陷性黃土地區(qū)，地基土遇水濕陷便成為了引起橋頭跳車的一個(gè)主要因素。

在濕陷性黃土地區(qū)，自重和非自重濕陷性黃土地基沉陷的發(fā)生一般都離不開水的作用，由于黃土濕陷導(dǎo)致的不均勻沉降，降低了地基的承載力，使路基產(chǎn)生各種開裂、塌陷等破壞。由于橋梁地基沉降量相較于路基微乎其微，在車輛外荷載的反復(fù)作用下，在橋臺(tái)與路基順接段就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)而出現(xiàn)橋頭跳車現(xiàn)象。

2 灰土擠密樁加固機(jī)理分析

2.1 灰土擠密樁的概念及適用范圍

灰土擠密樁是指通過在原地基上成孔過程中的橫向擠壓作用，使樁孔內(nèi)土向四周擠密，并將灰土分層填筑于樁孔中，達(dá)到壓實(shí)度要求，夯填至設(shè)計(jì)標(biāo)高位置。

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中的相關(guān)規(guī)定，灰土擠密樁適用于處理地下水位以上的Ⅱ級(jí)及以上自重濕陷性黃土地基，可處理地基的厚度一般在3～15 m范圍內(nèi)。

2.2 灰土擠密樁的作用機(jī)理

灰土擠密樁作為一種常見的柔性樁復(fù)合地基，在工程中被普遍采用。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)及大量的研究實(shí)驗(yàn)，可知灰土擠密樁主要通過成孔過程中的樁間土橫向擠壓作用與灰土樁本身的樁體作用來增強(qiáng)地基承載力，加固地基。

灰土擠密樁在成孔過程中，原地基土體會(huì)產(chǎn)生橫向擠壓，樁孔周邊土體被擠壓密實(shí)，可顯著提高原地基土體的密實(shí)度。對(duì)于濕陷性黃土地基而言，這種樁間土之間的橫向擠壓作用不僅可以降低壓縮性，提高地基土強(qiáng)度，還可以很好地消除濕陷性。

采用摻灰量為6%～10%的石灰土進(jìn)行分層夯實(shí)擠密，形成灰土樁體。石灰土與水發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，形成膠結(jié)團(tuán)聚體，隨著時(shí)間的推移，灰土樁體的固化作用與強(qiáng)度逐漸提高。

3 工程實(shí)例

聞合高速公路采用四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度采用100 km/h，路基寬度為26 m，設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)為公路－Ⅰ級(jí)。西溝大橋0號(hào)、N號(hào)橋臺(tái)樁號(hào)分別為K4+000.5和K4+245.5，根據(jù)項(xiàng)目地勘報(bào)告中濕陷性黃土段落可知，該段路線處于自重濕陷性黃土路段，濕陷等級(jí)為Ⅲ級(jí)(嚴(yán)重)，濕陷厚度8～13 m。

3.1 灰土擠密樁設(shè)計(jì)方案

根據(jù)《路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中關(guān)于濕陷性黃土地基的處理意見，宜選用灰土擠密樁對(duì)橋頭路基進(jìn)行處理。灰土擠密樁設(shè)計(jì)方案主要因素有：灰土樁樁長、樁孔間距、樁直徑、樁位布置形式等。根據(jù)地勘揭示橋位處地質(zhì)特點(diǎn)，擬定灰土樁布設(shè)方案：灰土樁采用6%灰土，樁長為13 m，樁位布置采用等三角形布置，樁中心間距采用1 m，樁直徑為0.4 m，處理范圍應(yīng)在坡腳線外1 m，根據(jù)路基基底下濕陷性土層厚度確定灰土樁樁長。灰土樁平面布置圖如圖1所示。

3.2 灰土擠密樁施工控制

灰土擠密樁施工前需根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及地勘報(bào)告對(duì)具體工點(diǎn)的樁數(shù)、樁長進(jìn)行測算，確定地基處理范圍。在施工過程中應(yīng)注意以下施工要點(diǎn)：

圖1 灰土樁平面布置圖（單位：cm）

a）開挖基坑時(shí)應(yīng)在設(shè)計(jì)標(biāo)高以上預(yù)留20～30 cm土層，然后再確定出具體的樁孔位置，這部分預(yù)留土層應(yīng)在鋪設(shè)灰土墊層前予以挖除。

b）在選定成孔方法后應(yīng)再次確認(rèn)土的含水量是否在合理范圍內(nèi)，否則應(yīng)采取必要措施對(duì)土層進(jìn)行加濕或曬干處理[2]。

c）由于樁長較深，在成孔后應(yīng)及時(shí)對(duì)樁孔進(jìn)行清底夯實(shí)，夯擊次數(shù)不小于8擊，并及時(shí)將拌好的灰土填料分層夯實(shí)填筑，另所選夯錘最大直徑應(yīng)小于30 cm。

d）成孔和回填夯實(shí)均應(yīng)先外排后里排，同排內(nèi)應(yīng)間隔1～2孔進(jìn)行，以免縮孔或塌孔。

3.3 灰土擠密樁質(zhì)量檢驗(yàn)

灰土樁在施工過程中，應(yīng)進(jìn)行樁孔位置、成孔垂直度、樁徑和孔深的檢測，其中，樁孔位置允許偏差為50 mm，成孔垂直度允許偏差為1.5H/100，其中H為擠密樁長度。樁徑和孔深則根據(jù)不同的成孔方法檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不同，本文不再贅述。灰土樁施工結(jié)束后，對(duì)于一般路基工程可通過檢測灰土樁樁間土的干密度、承載力檢驗(yàn)灰土擠密樁的擠密效果。

在灰土樁施工完畢14～28 d后對(duì)其承載力及樁間土的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，具體檢測結(jié)果見表1和表2。

表1 灰土擠密樁承載力檢測結(jié)果

表2 樁間土物理力學(xué)指標(biāo)檢測結(jié)果

4 結(jié)語

橋頭跳車是由于橋臺(tái)與路基填土的不均勻沉降引起的，是橋路銜接段最常見的病害。本文通過具體工程實(shí)例，論述了在濕陷性黃土地區(qū)防治橋頭跳車的工程措施，即采用灰土擠密樁來處理濕陷性黃土地基、用6%灰土來填筑臺(tái)背以及選用合適的橋頭搭板來防治路面損壞。該方案處理過的西溝大橋0號(hào)、N號(hào)橋臺(tái)處橋頭路基，在建成初期進(jìn)行的沉降與穩(wěn)定觀測結(jié)果顯示，累計(jì)沉降值分別是9 mm（圖2）和9 mm（圖3），滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范要求》[1]。經(jīng)過兩年的運(yùn)營期之后，橋路銜接段縱坡平順，路面完好無損，成功地防止了橋頭跳車的發(fā)生。

圖2 西溝大橋0號(hào)橋臺(tái)臺(tái)背時(shí)間－沉降曲線圖

圖3 西溝大橋N號(hào)橋臺(tái)臺(tái)背時(shí)間－沉降曲線圖