變樁間距高壓旋噴樁聯合土工格柵加固橋頭黃土路基沉降監測與規律分析

張培澤

（山西省公路局 太原分局，山西 太原 030012）

0 引言

隨著山西經濟的發展，高速公路作為一種重要的基礎設施，得到了大力建設。根據山西省高速公路網布局規劃，開工建設的高速公路項目大多穿行在山區，橋隧比較高[1]。山西省大部分地區分布著深厚的黃土，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人員需要解決的一個重要難題。

目前許多學者針對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處理黃土地區橋頭沉降。申俊敏等[4]通過理論研究和數值模擬計算分析了土工格柵加筋對黃土地區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路橋過渡段的效果。郭建博等[6]分析了濕陷性黃土地區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橋頭跳車中的應用。史軍強[8]以黃土地區某高速公路橋臺過渡段為例，計算了各個影響因素對路基沉降的影響。

本文結合山西省某高速公路路橋過渡試驗段的現場試驗，介紹了一種變樁間距高壓旋噴樁聯合土工格柵加固橋頭黃土路基的工程技術，并對試驗段進行沉降監測，分析沉降規律，研究此工程技術對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，部分呈堅硬狀，土質不均勻；3.2～9.6 m為非濕陷性黃土層，呈黃褐色，含鐵銹斑點，呈硬塑狀，土質不均勻；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，各土層物理力學性質如表1所示。路橋過渡試驗段縱向長為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 土層物理力學性質表

圖1 路橋過渡段俯視圖（單位：m）

2 黃土路基加固技術

過渡試驗段的黃土路基分A、B、C、D四個區域，其中A區域寬為3.3 m，B區域寬為3.6 m，C區域寬為4.5 m，D區域寬為4 m。黃土路基采用高壓旋噴樁加固，樁徑d為0.5 m。復合地基質量由容許工后沉降值和復合地基承載力兩個指標控制[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下部巖層等持力層。根據工程地質情況，樁體長取9.6 m，貫穿輕微濕陷黃土層和非濕陷黃土層，直到砂礫層。經驗算，樁長為9.6 m滿足容許工后沉降值的要求。復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。本過渡試驗段不同區域的樁間距不同，A區域為1 m，B區域為1.2 m，C區域為1.5 m，D區域為2 m。經驗算，樁間距滿足復合地基承載力要求。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。面對橋臺，左側路堤有4層土工格柵作為加筋體，右側路堤沒有土工格柵。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30 d，填筑完成后監測期長360 d，路堤高度隨時間的變化關系如圖4所示。所有沉降觀測點從路堤填筑完成后開始監測，監測期為360 d。前2個月每4 d觀測一次，隨后的2個月每10 d觀測一次，之后的8個月每月觀測一次。

圖2 路橋過渡段縱斷面示意圖（單位：m）

圖3 C區域路橋過渡段橫斷面示意圖（單位：m）

圖4 路堤填筑高度隨時間的變化圖

3 沉降觀測點的布置

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

圖5 路橋過渡段縱向觀測點平面布置圖（單位：m）

過渡試驗段的C區域內延橫向在墊層下方樁頂上方布置Z3和Z5共2個樁頂沉降觀測點；在墊層下方兩樁中心的黃土路基表面布置T3和T5共2個樁間土沉降觀測點。沉降觀測點延橫向的平面布置如圖6所示。

圖6 C區域路橋過渡段橫向觀測點平面布置圖（單位：m）

路面沉降觀測采用在觀測點上放置尺墊的方法，樁頂沉降觀測和樁間土沉降觀測采用在觀測點埋設沉降板的方法。

4 沉降數據及規律分析

為研究變樁間距高壓旋噴樁聯合土工格柵加固橋頭黃土路基的工程技術對路橋過渡段的處理效果，本節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個方面介紹監測數據并分析沉降規律，所有沉降觀測點從路堤填筑完成后開始監測，監測期為360 d。

4.1 縱向路面沉降數據及規律分析

縱向路面沉降觀測點隨時間的變化規律如圖7所示。從圖7可以看出，各個路面沉降觀測點的沉降都隨時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后趨于穩定。當時間為360 d時，不同沉降觀測點的沉降不同，各個沉降觀測點與距橋臺距離的關系如圖8所示。從圖8可以看出，隨著距橋臺距離的增加，沉降逐漸增大，且沉降的增大具有連續性。這是因為，地表沉降主要來自于加固區的復合地基的壓縮，隨著距橋臺距離的增大，樁間距逐漸增大，復合地基壓縮模量逐漸減小，沉降逐漸增大。取樁間距的對數為橫坐標，沉降為縱坐標，作圖9。

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

圖7 縱向路面沉降隨時間的變化圖

圖8 t=360 d時路面沉降隨距橋臺距離的變化圖

圖9 t=360 d時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據及規律分析

A、B、C、D四個區域的樁頂與樁間土沉降隨時間的變化分別如圖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，隨時間的變化規律與路面沉降隨時間的變化規律相似。隨著距橋臺距離的增加，時間為360 d時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四個區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，樁的荷載分擔比變小，土的荷載分擔比變大，土拱效應減弱。

圖10 A區域樁頂與樁間土沉降隨時間的變化圖

圖11 B區域樁頂與樁間土沉降隨時間的變化圖

圖12 C區域樁頂與樁間土沉降隨時間的變化圖

圖13 D區域樁頂與樁間土沉降隨時間的變化圖

4.3 橫向樁頂與樁間土沉降數據及規律分析

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

圖14 橫向樁頂與樁間土沉降隨時間的變化對比圖

5 結論

本文介紹了變樁間距高壓旋噴樁聯合土工格柵加固橋頭黃土路基的工程技術，并對路面沉降、樁頂沉降、樁間土沉降進行監測，分析工程技術的效果，變樁間距和土工格柵對沉降的影響，具有以下結論：

a）變樁間距高壓旋噴樁聯合土工格柵加固橋頭黃土路基的工程技術可以實現橋臺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，土拱效應減弱。

c）土工格柵可以提高樁土荷載分擔比，減小差異沉降。