粉噴樁加土工合成材料在軟基加固工程中的應用

李 艷，周慶華

（陜西交通職業技術學院公路與鐵道工程學院，陜西西安710018）

在國民經濟飛速發展的背景下，我國既有交通網絡的通行壓力越來越大，基于這一現實因素的驅動，相關部門急需對現有的公路網進行改擴建。在高速公路拓寬工程中，直接加寬與分離式加寬是兩種重要的施工方式[1]，前者的應用更加廣泛。高速公路拓寬工程涉及的問題較之新建工程而言要復雜得多[2]，其中，軟土路基的差異沉降[3]問題是需要重點考慮的一個因素。在我國，軟土有非常廣泛的分布，特別是在沿海地區、長江與珠江三角洲等濱海與湖沼地帶更多，表現出含水量高、壓縮性強、滲透性弱、靈敏度高、強度小、土層厚且不均勻等特點，在其上進行高速公路拓寬會由于新、舊軟基固結狀態的不同而出現不均勻沉降，如果差異沉降量太大，會使新、舊路面的結合位置出現縱向裂縫，造成路面結構的損壞。

粉噴樁施工技術可以減少總的沉降量，承受的加荷速率也較大，此外，有比較突出的抗側向變形能力，能夠有效將施工周期縮短，在高速公路、鐵路以及市政工程等多種類軟基加固工程中應用廣泛[4]。另一方面，土工合成材料抗拉性能強，通過將其在軟基底部埋設，能夠優化軟基土體的整體受力情況，將路堤與路基的整體穩定性提升，減少側向變形量與豎向沉降量。通過聯合使用粉噴樁技術與土工合成材料處理方法，能夠將它們各自的特點發揮出來，加強對高速公路拓寬工程軟基的加固效果。

1 粉噴樁加土工合成材料加固軟土路基的構想

在用粉噴樁[5-7]技術對高速公路拓寬工程軟基進行處理之時，粉體是主要的加固材料，整個施工作業無需添加水，粉體在注入軟基之后，會對軟土中的水分進行吸收，以此形成有較大剛度的樁體。在加固處理之后，軟基的強度與抗剪強度會在較大程度上被增加，不必預壓，有較高的安全性，且能實現對環保要求的滿足，可明顯提高加固區承載力以及軟基的整體穩定性。雖然目前此方法有十分廣泛的應用，但并不表明它是適用于任何環境的，對于地下水與土質成分會侵蝕水泥的情況，粉噴樁加固技術并不適用。工程實踐顯示，受到外荷載的影響，粉噴樁體同樁間土之間有較為明顯的沉降差異，這會引發不均勻沉降的問題；而當粉噴樁樁體的強度與承載力存在差異時，亦會有相應的沉降差出現。

土工合成材料[8-10]強度等力學性能優異，與土顆粒之間的摩擦力比較大，同時，透水性能好，連續且柔韌，在高速公路拓寬工程軟基加固中可發揮以下作用：（1）加筋作用，材料可對軟基土的應力進行擴散，同時，增加土體模量，減少土體側向位移現象的發生，通過與筋形成一個整體，土工合成材料可賦予軟基相應的抗拉、抗剪、抗壓與抗彎能力，在增強軟基承載力與增加軟基整體穩定性方面表現出較好的效果；（2）排水作用，土工合成材料可制作土工格柵，并進一步與軟土中的粗料體、排水管等構成排水系統，匯聚軟土中的水分，并沿材料平面將它們排出；（3）隔離作用，土工合成材料制成的土工格柵能夠隔離不同級配的土、砂、石料、地基或其他建筑物，避免相互混雜、各材料完整性降低以及土粒流失等現象發生。

雖然土工合成材料的作用比較多，但單純用其進行軟基的加固，并不能發揮出很好地控制沉降的功效，而如果只是使用粉噴樁技術，必須對樁進行緊密地布置，不然會因為樁與樁間土之間沉降量的不同使得路堤頂面出現高低不平的情況，對其使用性能產生影響，將拓寬的高速公路的使用壽命縮短。其實，作為復合地基中的豎向加固體，水泥粉噴樁可有效分擔外荷載壓力，并將它們傳至深層土中，而土工復合材料作為水平加固體，通過在粉噴樁上平鋪，能夠形成復合土體墊層，適當增大樁間距并促進樁土的共同作用，將群樁的整體效果以及軟基的承載力強化，而對于軟基土體的側向滑移，效果亦比較明顯。

2 粉噴樁加土工合成材料在軟基加固工程中的應用

2.1 工程概況

某高速公路原設計的是4車道，在交通量大規模增加的影響下，先前的4車道已經無法與經濟的飛速增長所需相適應，故需將其拓寬為8車道。拓寬工程施工之前，地質勘探人員通過勘察確定此段路基地層由上至下一共有四層，其中，第一層為素填土層，厚度約為1.4～3.0 m，有比較好的物理力學性質；第二層為淤泥層，厚度約為3.3～6.0 m，顏色表現為灰黑色，流塑，內有一些腐殖物，中間夾著比較薄的粉砂，有較高的含水量以及較大的可壓縮性，抗剪強度比較弱，此次加固處理與變形控制主要以該層為對象；第三層為粉質粘土層，厚度約為3.4m，顏色為灰色，中間夾著中砂，壓縮性能為中等；第四層為全風化砂巖層。

2.2 施工工藝

（1）施工放樣。粉噴樁加土工合成材料施工的第一步應先做好打樁的準備工作，亦即以路基拓寬方案及其設計參數等為依據進行剖面圖的繪制。具體地，此次施工作業選擇用粉噴樁加一層土工格柵[11-13]與一層土工布[14-16]對高速公路拓寬位置的新軟基進行加固處理，為了能夠將淤泥層打穿，粉噴樁樁長設為7.0～8.0 m，樁徑大約為50cm，樁與樁之間的間隔為1.2m，布置形狀為三角形。此外，在土工格柵與土工布之間，用厚度為50cm的砂性土進行填充。圖1所示為此次高速公路拓寬位置開挖與軟基加固方案剖面示意圖。上述工作完成之后，借助全站儀等測量工具，通過對施工里程樁號的參考，進行具體施工區域的放樣。最后，測量現場地面與樁頂標高，并編號樁位，為后期施工管理提供便利。

圖1 高速公路拓寬位置開挖與軟基加固方案剖面示意圖（單位：m）Fig.1 Schematic diagram of the cross section of the excavation at the widening position of the expressway and the reinforcement of the soft foundation (unit: m)

（2）施工場地。在進行打樁作業之前，先整平處理打樁區域，清理干凈地面塊石與垃圾等雜物，同時，精準定位打樁具體位置。若打樁區域內出現地勢較低的地段，則用素土將其填平，如果低洼地段含有積水與淤泥，還需先將水與淤泥排出。另外，對于一些地質較差的區域，需采取填鋪砂礫石墊層等方式適當將這些地段加固，以保證施工的正常進行。而為了避免打樁所用水泥被雨水浸濕等引起水泥受潮或結塊現象的發生，還應設置水泥堆放臺，高度應在原地面0.5m之上。

（3）施工機械。試樁過程中，粉噴樁樁機需具備自動記錄與打印功能，為保證較短的工期，選用雙向水泥攪拌樁，其施工為在下鉆的同時進行噴粉作業，當到達底標高之后向上升高，待升至與地面相距0.5m時不再噴粉，樁機鉆頭到達地面之后，結束樁施工。圖2為雙向水泥攪拌樁。

圖2 雙向水泥攪拌樁Fig. 2 Two-way cement mixing pile

（4）樁機對位。結合圖1剖面圖，明確樁機加固位置。施工過程中，樁機同確定好的樁位偏差不宜超過5cm。在完成一個樁后，移動打樁機械繼續進行下一個樁的施工作業，為避免機械移動破壞定位好的樁位情況的發生，在樁機上綁定一根垂直于樁機的長竹竿，并在其上量取與鉆桿中心到同排樁之間相等的間距作記號，最后，用細繩在竹竿記號處懸掛一個小物體，如此便能為樁機作業人員樁位對準提供便利。

（5）下鉆與噴粉。待樁機移動至指定位置且鉆機就位之后，進行送氣作業，當鉆頭與地面之間距離大于0.5m后，進行送粉作業，此環節需密切觀察鉆頭是否被封堵。鉆機破土速度應一致于外鉆桿旋轉速度，在地質較好的土層中，內鉆桿的鉆進速度不宜過快。噴粉時，需均勻送粉，若打樁環節出現送粉量不足或者是停電狀況，需要重新打樁，保證新打的樁的水泥漿用量。

（6）鋪設土工格柵與土工布。在結束粉噴樁施工之后，繼續鋪設土工格柵（第二層）與土工布（第一層），兩層之間進行厚度為50cm的砂性土的填充。土工格柵與土工布的鋪設方式對橫向鋪設予以采用，搭接寬度不小于20cm。在進行土工布鋪設作業時，先將一端錨固，保證土工布鋪設的平整性，之后錨固另一端。在新、舊路基的交界位置，土工格柵與土工布均以縱向方式進行鋪設，用于過渡銜接，過渡的長度為伸入沒有打粉噴樁的老路基10m，在橫縱向的銜接位置，用直徑為6cm的鋼筋加固成的U型扣錨固土工布與土工格柵，整個鋪設作業結束之后盡快填土隱蔽。

3 軟基加固效果分析

3.1 實測土壓力

該高速公路拓寬工程典型軟基路段經粉噴樁加土工合成材料加工處理之后的土壓力實測曲線如圖3所示。根據圖3，當填土高度不超過4.0m，且其荷載不大于80kPa時，粉噴樁同土工合成材料的受力情況并沒有明顯的差異，但是在填土高度不斷增加的過程中，粉噴樁承受的土壓力呈現出逐漸增加的態勢，由比較陡的樁上土壓力曲線可知，在增加的初期階段，土壓力以一個比較快的速度在增加，之后，樁上土壓力曲線變得比較平緩，這又表明與荷載的不斷增加相伴隨，樁與土中的土壓力增加速度呈現出逐漸減慢之勢。在土工布與土工格柵的共同作用之下，若荷載未超過80kPa，土工布與土工格柵所受之力是相對充分的，但是，與荷載的不斷增加相伴隨，雖然土工布與土工格柵依舊能發揮相應的作用，但在其自身延伸率的束縛之下，對變形的抵抗能力會逐漸趨弱，這種情形下，大部分的填土荷載會隨著條件的改變而轉為由粉噴樁承擔。具體來看，土工布與土工格柵的作用是對加固涂層中樁土應力的分配情況作相應的調整，以此實現對不均勻沉降現象的減少，將軟基的抗滑穩定能力加強，同時，降低軟基中土的側向擠出量。

圖3 粉噴樁加土工合成材料加固處理后典型路段土壓力實測曲線Fig.3 Measured curve of soil pressure in a typical road section after DJM piles and geosynthetics are strengthened

3.2 路基地表沉降

高速公路拓寬工程典型軟基路段經粉噴樁加土工合成材料加工處理之后的荷載與沉降變化實測曲線如圖4所示。根據圖4，拓寬新路基邊坡中部較之拓寬新路肩的沉降量要小，究其原因，在于邊坡中部的填土高度相對較低。在拓寬工程中，路基的填土具有連續性，中間就算有停歇，時間也不會很長，因而其沉降過程中會表現出比較大的曲線斜率。經測試，在整個填土期，沉降速率最大值只有8.0mm/d，意味著經過粉噴樁加固處理之后，路基穩定性與安全性可以得到保證，該加固技術可將快速加載的作用較為有效地發揮出來，有利于施工填土周期的縮短。

圖4 粉噴樁加土工合成材料加固處理后典型路段荷載與表面沉降實測曲線Fig. 4 Measured curve of load and surface settlement of typical road section after DJM pile plus geosynthetic material reinforcement treatment

4 結語

為解決高速公路中迅猛增長的交通量所帶來的巨大通行壓力，進行公路拓寬是一種常見的方法。而由于拓寬過程中新老路基有不同的固結狀態，故需要基于對不同路基軟土情況的考慮，采用適當的地基處理方法，達到協調新老路基變形情況的目的。通過使用粉噴樁加土工復合材料技術進行軟土路基的處理，可形成復合地基，對加固土層中樁土應力的分配情況作相應的調整，以此實現對不均勻沉降現象的減少，將軟基的抗滑穩定能力加強，同時，降低軟基中土的側向擠出量。此外，還可將快速加載的作用較為有效地發揮出來，有利于施工填土周期的縮短。