干拌水泥碎石樁在公路路基加固中的應用

吳 淵

(安徽升建工程管理有限公司，安徽 合肥 230001)

0 引言

某高速公路路基典型病害為嚴重不均勻沉降，自該公路建成通車后，樁號為S1K13+400～S1K14+950共1.55 km的路段處于軟基路段，沉陷病害發展明顯，數次通過路面調平后仍不斷惡化，路基呈波浪起伏狀,2010年，主管部門在S1K13+765～S1K14+506段新建了紅柳灣大橋，嚴重沉陷病害得到改善，但是，大橋通車后，在橋頭兩側各400 m左右范圍內路基沉降病害仍在不斷加重，針對這種情況，現場進行了工程地質勘察，查明沉陷的主要成因，通過對地質勘查結果的分析研究，提出了采用干拌水泥碎石樁處治該軟弱路基及地基的處治方案，[1]并通過力學分析計算確定了合理的樁距及樁長，并在實際應用中達到了較好地加固處治效果。

1 地質勘察結果分析

針對紅柳灣大橋兩側沉陷明顯，且病害不斷發展的路段進行了地質勘察,在大橋兩側的路基及平行路基坡腳處分別布置了4個孔位，利用路基鉆探探明了地下土層，為方案確定提供巖土工程參數。[2]

1.1 土層分布

(1)雜填土：雜色至灰褐色，稍濕至濕，中密。淺部以瀝青、混凝土及粉土為主，0～1.39 m為高速公路路基，以下為素填土，主要為粉土。土質混雜。在高速公路路基有分布，厚度3.50 m～4.70 m,平均4.10 m,層頂為現路面，層底埋深3.50 m～4.70 m。

(2)耕種土:稍濕至濕，稍密，以粉土為主，多見植物根系，成分復雜，分布不均勻，全場地分布，厚度為1.5 m～1.7 m,層頂為現地面，層底埋深1.50 m～1.70 m。

(3)黃土狀粉土：飽和，稍密，沖洪積成因為主,土質較均勻，淺部可見植物根系，具大孔隙,含小礫石等垂直節理發育。分布穩定，全場地分布，層厚是0.8 m～3.9 m,平均2.30 m，層面埋深1.50 m～4.70 m，層底埋深3.90 m～8.60 m。

(4)飽和黃土狀粉土[3]：稍濕至濕，稍密，沖洪積成因為主，土質較均勻，含小礫石等垂直節理發育,流塑至軟塑狀。分布穩定，全場地分布，層厚5.3 m～9.4 m，層底埋深9.60 m～18.00 m。

(5)粗砂:褐黃色，顯灰白色調，飽和，中密，局部見層理，成分以長石、石英為主，見少量云母，沖積成因，局部地段相變為中細砂，在底部夾有薄層粉土及黏土夾層。分布較穩定，層厚2.0 m～4.2 m。

(6)細砂:褐黃色，顯灰白色調，飽和，中密，局部見層理，成分以長石、石英為主，見少量云母，沖積成因，局部地段相變為粉砂，粒徑大于0.005 mm的約占50%以上，局部含粉土，在底部夾有薄層粉土及黏土夾層。分布不穩定，層厚2.30 m，平均2.30 m，層面埋深9.60 m，層底埋深11.90 m。

(7)粉質黏土:褐黃色，局部發紅、發褐，沖積成因，局部風積，飽和，中密，土質不均勻，局部見水平層理，夾有粉砂薄層和鈣質結核，可塑至硬塑。分布較穩定，層厚2.2 m～7.6 m。

(8)強風化砂巖泥巖:褐紅色至棕紅色，泥質結構，層狀構造，泥質膠結,具層理，巖質較松軟，成因作用差，飽和，巖石結構大部分遭破壞，巖心遇水或暴露在地表易風化，屬軟巖。[4]分布穩定，全場地分布，層厚2.4 m～3.9 m。

1.2 地下水的腐蝕性評價

依據《公路工程地質勘察規范》(JTG C20—2011)附錄的評價標準和《巖土工程勘察規范(2009年版)》(GB 50021—2001)有關規定，環境類型為Ⅰ類，地下水對混凝土的腐蝕性評價見表1。

表1 地下水對混凝土的腐蝕性評價表

從評價結果可以看出，當地地下水對混凝土的腐蝕性均達到中等，設計時按有關標準設防。

1.3 特殊性巖土

(1)濕陷性黃土

場地分布的濕陷性黃土主要由黃土狀粉土(Q4al)，主要分布于場地淺部，巖性多為粉土，含大孔隙及蟲孔等，質地均勻，稍密狀，稍濕。濕陷特征見表2。

表2 黃土狀粉土濕陷特征表

(2)季節性凍土

場地分布季節性凍土，沿線標準凍結深度為146 cm。當地大部分路段淺部土層含水量大于10%，地下水水位埋藏深度在1.50 m～8.90 m，判定為凍脹土，經評價為Ⅲ級凍脹。

1.4 場地土易溶鹽測試分析

當地易溶鹽含量為3 657 mg/kg～3 701 mg/kg，評價為弱鹽漬土，兩處場地土硫酸鈉含量均小于1%，可不考慮鹽脹性。

1.5 飽和黃土狀粉土

場地中部發育有飽和黃土狀粉土，該土雖然已被水充分浸潤，不具濕陷，但由于含水量高，使土的力學性質產生很大變化，其強度降低，承載力變小。

1.6 巖土參數的分析評價

1.6.1 原位測試成果

外業勘察在鉆孔內對①層填土、③層黃土狀粉土、④層飽和黃土狀粉土、⑤層粗砂、⑥層細砂、⑦層粉質黏土和⑧強風化砂巖進行標準貫入測試，對⑤層粗砂N63.5進行重型動力觸探測試，測試修正統計結果見表3所列：

表3 原位測試修正統計結果表

從修正數據可以看出：①層填土標準貫入平均值在9.8擊，比較大，數值較集中；③層黃土狀粉土的標準貫入平均值在4.6擊，比較小，數值較集中；④層飽和黃土狀粉土的標準貫入平均值在2.8擊，特別小，數值較集中，標準差和變異系數均比較?。虎輰哟稚暗臉藴守炄肫骄翟?6.6擊，大,數值不太集中；⑦層粉質黏土的標準貫入12.7擊，比較大，數值較集中；⑧強風化砂巖的標準貫入平均值在38.3擊，特別大，數值較集中，說明地層在原始狀態下比較密實。上述標準貫入測試除④層飽和黃土狀粉土的準貫入測試值特別小外，其它的測試數據基本正常。⑤層粗砂N63.5進行重型動力觸探擊數值較為集中在13.8擊左右，平面和剖面上擊數變化較小，說明該層在動探段結構比較均一。

1.6.2 土工試驗

(1)土常規測試

對淺部①層填土、③層黃土狀粉土和④層飽和黃土狀粉土?、蚣壨翗臃治鰷y試，主要物理力學性質統計見表4、表5、表6所列。

表4 ①層填土物理力學性質評價表

表5 ③層黃土狀粉土物理力學性質評價表

表6 ④層飽和黃土狀粉土物理力學性質評價表

(2)顆粒分析測試

對⑤層粗砂進行顆粒分析測試,指標統計見表7所列。

表7 ⑤層粗砂顆粒成分統計表

(3)巖石單軸抗壓測試

在強風化砂巖進行單軸抗壓測試，測試結果單軸抗壓數值為0.20 MPa，屬極軟巖石。

(4)地震效應

建筑抗震地段劃分:屬抗震一般地段；抗震設防烈度為8度第三組,設計基本加速度值為0.20 g；場地特征周期為0.45 s。

地震液化評價：場地中地下水水位埋深比較淺，飽和黃土狀粉土標準貫入測試修正擊數為2.8擊,初判存在液化，經計算液化程度為中等—嚴重。

1.7 工程地質條件評價[5]

(1)地基土的均勻性評價：從地質剖面上看，淺部第四系地層沉積厚度較大，結構比較緊密，埋藏深度適中；基巖沉積厚度較大，結構較完整，埋藏深度大。整體穩定性好，可視為均勻性場地。

(2)其它地質現象：場地沖溝調查呈沖刷狀態。場地內土層的含水量會不斷增加，會降低地層的承載力，加速地基沉降現象。

(3)地基承載力值[6]：根據場地工程地質特征、原位測試成果、室內土工試驗成果，結合規范及參照當地經驗，該區地層承載力建議表8所列。

表8 地層承載力值一覽表

2 路基沉陷原因分析

綜上，對該軟基段的地質調繪及地質勘察,查明路基及路基各土層分布并進參數分析，同時，結合場地地層發育情況、高速公路運行情況，分析路基沉降的主要原因有以下幾種：

(1)場地地層含水量的不斷增加，破壞了土層的原有結構，降低了地層的承載力，加速了路基的沉降。

(2)高速公路大型貨車超載行駛，超過了高速公路原有的設計標準，受長期車輛荷載作用，加劇了路基的進一步變形沉降。

(3)紅柳灣大橋基礎是穩定的,但由于周邊沖溝呈沖刷狀態，高速公路通過的地段，沖溝兩側的邊坡存在失穩現象，使路基的整體穩定性變差，從而導致路基沉降。

(4)高速公路的路基和路肩及兩側的場地地層含水量的不斷增加，降低了地層的承載力，從而導致高速公路邊坡失穩而增加了路基的沉降。

(5)由于氣溫的不斷變化導致路基沉降開裂。

(6)地下水在豐水期和枯水期變化幅度較大導致土層原有結構破壞，從而使路基產生變形沉降。

(7)由于飽和粉土和砂土存在嚴重-中等液化程度,路基在較大振動下產生液化，致使道路沉降。

3 路基加固方案設計

根據以上資料分析，擬定了干拌水泥碎石樁、灰土樁、水泥攪拌樁、以橋代路四種路基、地基加固方案進行技術經濟比較,最終確定采用干拌水泥碎石樁方案，由于該方案適用于高含水量、低密度的軟土地基處理，且具有高強度、大樁長,對地基承載力提高幅度較大，且在路面表面打孔，設備簡單、操作方便等優點。

3.1 加固方案的計算確定

(1)路基土回彈模量

已建成高速公路土基回彈模量難以測定，因此，設計中利用土的實測含水量、液塑限計算地基土的稠度，采用土基回彈模量與地基土稠度關系回歸公式(1)估算該段土基回彈模量：

(1)

(2)加固路基復合回彈模量

利用回歸公式(2)計算復合路基回彈模量：

(2)

通過以上兩式計算得到復合路基回彈模量為35.1 MPa。

(3)置換率

目前,根據我國公路施工機具及設備情況，擬定樁徑d為20 cm時,通過式(3)計算置換率m:

m=(Eof-Eot)/(Eoz-Eot)

(3)

得到m為0.0267。

(4)樁間距的確定

經大量實際工程驗證證明，正三角形布置可以獲得最佳的擠密疊加效果，因此，選擇正三角形布置,根據公式(4)進行樁間距計算:

(4)

得到L=1.2m。

故設計方案樁徑d=0.2 m,樁間距取1.2 m。

上述各式符號所代表意義及取值Wc為土基稠度，取0.6～0.62；K為壓實度,取0.4～0.6；Eot為土基回彈模量,MPa；E′為等效路基土回彈模量，取38 MPa～40 MPa；hof為復合路基土厚度，取20 m；EOZ為樁體抗壓模量，600 MPa～1 000 M；Eof為復合路基土回彈模量,MPa；m為置換率；L樁間距,m；d為樁徑取值,m。

4 材料及施工要求

碎石樁施工配合比為:水泥;石屑：碎石=1∶2.6∶3.3(重量比)。碎石樁[7]施工根據不同的地質結構情況，可采用螺旋鉆機成孔與振動沉管成孔相結合的復合成孔成樁方式，樁體需進入持力層1 m～2 m。

由于被加固地基的含水量往往比較大,為了防止樁身縮孔，部分夯擴樁頂部出現松散現象，除可在成孔過程中適量加入少量水泥，多次沖擊以保證成孔質量，成孔后立即回填的辦法外，還應采取下列施工質量控制措施：

(1)打樁時采取隔排隔樁跳打的順序,這樣有利于保護已打入的樁不被擠壓破壞或不產生較大的樁位偏差；

(2)成樁后做好保護工作，盡量避免樁體強度不足通車而破壞樁體結構。

5 施工中存在的問題及解決方案

紅柳灣大橋橋頭沉陷段干拌水泥碎石樁設計平均樁長為16 m、18.5 m,施工中出現的主要問題有以下幾點：

(1)SK13+800～SK13+836段原地面7 m以下有2 m～4 m淤泥層、SK13+600～SK13+800段原地面以下6 m～12 m之間有泥漿層，厚度為2 m～3 m,原有施工方案容易出現塌孔、縮孔現象，嚴重制約施工進度。

(2)部分段落在原路面以下10 m～15 m見持力層，持力層為紅砂巖，厚度2.3 m～3 m。按照設計方案進入持力層1 m～2 m不再下鉆，故無法按照設計樁長施工。

針對以上問題，具體采用的解決方案為：

(1)進一步完善了軟弱層含水率、空隙率、液塑限等各項試驗資料；針對飽和黃土軟弱層縮孔問題,考慮采用螺旋鉆穿透該軟弱層，干拌料護壁,用邊鉆邊填的方法解決塌孔、縮孔問題；如該層含水量較大、孔隙率較高，采用上述方法解決效果不明顯時，在該層施工時調整施工機械,采用振動沉管樁機成孔，振沖法擠密，要求振沖器功率≥30 kW；

(2)針對有的位置樁長與設計不符的，在飽和黃土軟弱層下遇砂礫層時，確保該砂礫層厚2 m以上時可作為持力層，樁長以實際樁長為準；

(3)嚴格按照施工圖要求,按工序施工隔排打樁，防止塌孔[8]發生，確保工程質量；

(4)監理單位要加強現場監管力度，嚴格執行監理旁站制度；

(5)樁頂處理必須要用冷補料填補,做到成孔一個，填補一個；

(6)嚴格遵守報驗程序，做到每根樁必報驗，監理、施工單位要做好原始資料的收集、整理工作。

6 結語

該高速公路紅柳灣大橋路基沉陷段的路基加固于2015年施工結束，至今已運營6年，路基沉降小，路基穩定,經實踐驗證,得出以下結論:

(1)干拌水泥碎石樁處理高含水量低密度的飽和黃土路基及軟土地基，可有效提高路基承載力，減小路基不均勻沉降。

(2)樁徑及樁距通過理論計算確定，避免出現單純靠經驗確定可能造成過度保守或加固措施偏弱等弊端。

(3)相對于其它路基加固方法，干拌水泥碎石樁操作相對簡單,不需開挖路基，工期短，加固效果好。