高壓旋噴樁處治高速公路路基沉陷技術及應用

吳曉紅

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

1 工程概述

路基沉陷是運營高速公路病害中最為常見的病害類型之一，其嚴重影響行車的舒適性同時對行車安全造成隱患，為了確保行車安全、提高行車舒適性，需對路基沉陷進行處治。目前，工程實踐中對路基沉陷的處治往往采用加鋪路面的方法，但是對于壓縮性較高的軟土地基，地基的工后沉降延續時間較長，加鋪方案不能根本上解決路基沉陷。隨著工程技術的發展，采用復合地基方法對路基沉陷越來越成熟，高壓旋噴樁處治路基沉陷也成為一種常用的路基沉陷處治手段[1-3]。

2 工程背景

2.1 工程地質情況及沉陷原因分析

某運營高速公路通車運營至今已將近8年，隨著運營時間的增長，部分路基的橋涵臺背、填挖交界等部位出現了不同程度的沉陷病害，其中某段路基沉陷見表1。運營單位為保證行車安全性，采用了加鋪方案進行應急處治，但未能徹底解決沉陷病害，每年的沉降量可達7 cm左右，現已累計加鋪30 cm左右。

表1 路基沉陷現狀表

圖1 路基沉陷現狀圖

填方路基沉陷主要由兩部分組成：一是地基土在自重壓力或附加壓力作用下的沉陷；二是路堤填土自身的沉陷。根據鉆孔資料，該段路基地質資料具體如下：

a）第①層 素填土，厚約5 m，為填方段路基填土，土質為粉土，局部混有粉細砂，填筑年限大于5年，基本上已完成自身固結。

b）第②層 粉土，厚約8 m，為原地基上部，土質以粉土、粉質黏土為主，局部混有砂粒，黃褐色，很濕- 飽和狀，具有中- 高壓縮性。

c）第③層 粗砂，厚約10 m。為原地基下部，土質以粗砂為主，黃褐色，中密結構，呈濕- 飽和狀，顆粒級配良好，分選性差，混有粉土。

根據以上地勘資料，路基沉陷主要是由于高壓縮性粉土含水量增大引起的地基沉降。結合現場調查，該填方路段坡腳處存在地表水匯聚、排泄不暢的現象，導致了路基范圍內地基土含水量局部增大，強度降低，在重載車輛的反復碾壓下，地基土體壓密變形，最終導致路基發生沉陷。

2.2 方案設計

根據以上分析結果，需對路基段進行加固處治以提高路基整體強度，考慮到沉陷段地基填料以粉土為主，且含水量大、密實程度一般、處治深度大等因素，設計采用單管高壓旋噴樁進行加固處治，旋噴樁處治深度根據地勘資料確定需穿嵌入粗砂層不小于1 m。同時需對坡腳排水系統進行完善，修復破損、滲漏排水溝，填平壓實坡腳處積水洼地，確保坡腳排水順暢。

2.2.1 設計參數計算

2.2.1.1 地基承載力計算

旋噴樁噴射直徑（樁徑）為500 mm，由于樁體基本均位于土體中，故固結土強度要求為5 MPa。樁體平面布置采用分離樁，樁間距按樁徑的2～3 倍控制，為確保樁和土體共同作用達到最佳效果，采用梅花型布置，孔間距1.5 m。面積置換率為：

式中：d為樁平均直徑，m；de為一根樁分擔處理地基面積的等效圓直徑，m。

經過計算面積置換率為0.101。根據復合地基承載力式（2）～式（4）[4-5]估算加固后地基承載力值。

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；up為樁的周長，m；qsi為樁周第i層土的側阻力特征值，kPa；lpi為樁長范圍第i層土的厚度，m；qp為樁端端阻力特征值，kPa；Ap為樁的截面積值，m2。

式中：fcu為樁體試塊標準養護28 d 的立方體抗壓強度平均值，kPa；fspk為復合地基承載力特征值，kPa；β 為樁間土承載力發揮系數；fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa。

根據現場試驗結果，原地基承載力為80.0 kPa，土層計算參數詳見表2。經計算加固后地基承載力為242.8 kPa，較原地基承載力提高了3.04 倍。

表2 土層計算參數表

2.2.1.2 地基變形計算

粉土層的高壓縮性是沉陷的主要原因，采用旋噴樁可以提高壓縮層的剛度，減小下沉量，從根本上解決沉陷。壓縮模量提高系數ζ=3.04。

式中：s為地基最終變形量，mm；n為地基變形計算深度范圍內所劃分的土層數；p0為相應于作用的準永久組合時基礎底面處的附加壓力，kPa；Esi為基礎底面下第i層土的壓縮模量，MPa；zi、zi-1為基礎底面至第i層土、第i-1 層土底面的距離，m；ai、ai-1為基礎底面計算點至第i層土、第i-1 層土底面范圍內平均附加應力系數；沉降計算采用分層總和法如式（5）[4-5]，經計算旋噴樁加固后地基總變形量為62.13 mm。

采用加鋪方案時，除了路堤填土重量產生的附加應力，加鋪瀝青層也作為附加荷載施加在地基上，若考慮30 cm 瀝青加鋪層，瀝青混合料重度γ=23.7 kN/m3，計算得地基總變形量為202.99 mm。

分析計算結果可以看出，對比加鋪方案，旋噴樁方案能顯著地提高地基承載力，有效地減少地基沉降變形。

2.2.2 經濟效益分析

沉陷發生在上行特重交通方向，處治寬度為11.5 m，處治長度為95 m，加鋪平均厚度為10 cm，瀝青混合料單價約為1 300 元/m3，每次加鋪費用：11.5 m×95 m×0.1 m×1 300 元/m3=14.21 萬元。

采用旋噴樁處治時，根據設計孔徑與間距，沉陷路段需要打設560 根旋噴樁，每根樁長14 m，費用為：560 根×14 m/根×180 元/m=141.12 萬元。

從短期看，旋噴樁處治費用較高，但旋噴樁處治的優勢在于一次處治，不留后患，可徹底解決路基沉陷；加鋪方案最大的問題在于頻繁地封閉施工影響高速公路的通行效率，同時沉陷還會對過往車輛帶來較大安全隱患，引發交通事故，產生不良的社會影響，故隨著加鋪瀝青處治次數的增加，旋噴樁處治經濟效益開始凸顯。綜合經濟社會環境影響效應，對原地基濕軟地層較厚的路基采用旋噴樁加固是科學合理的。

3 高壓旋噴樁加固施工方案

3.1 旋噴樁設計施工材料參數

3.1.1 施工工藝參數漿液壓力25 MPa，漿液流量80 L/min，噴嘴孔徑2～3 mm；提升速度0.25 m/min，旋轉速度20 r/min。

3.1.2 注漿材料及用量

選用速凝漿液，水泥選用42.5 級硅酸鹽水泥，為防止噴射過程中路基產生附加變形，造成路基脫空，另加入3%早強劑（水玻璃）。水泥漿液配合比為0.8∶1。根據以上工藝參數，每米計算噴漿量為0.264 m3，每米水泥用量為195 kg，水玻璃用量為5.85 kg。

3.2 旋噴樁施工程序

a）正式進場施工前，進行管線調查確保施工過程不破壞公路下面敷設的管線及涵洞等構造物，做好施工組織計劃，確保施工場地整齊有序。

b）高壓旋噴樁的施工流程為：樁位放樣→修建排污和灰漿拌制系統→鉆機就位→鉆機鉆進→噴射管安裝→噴漿材料及制漿→噴射提升→回灌→記錄。

4 結論

a）根據地質勘察結果，由于地基土壓縮性較高，路側排水不暢導致了路基范圍內土體含水量局部增大，強度降低，這是引起路基發生沉降變形的主要原因。

b）對比加鋪方案，采用高壓旋噴樁方案可以大大提高地基承載能力，增加地基剛度，減少地基變形，有效減少路基下沉量，長期來看，社會經濟效益優勢明顯。