粉喷桩技术在高速公路软土地基中的应用

粉喷桩技术在高速公路软土地基中的应用

毛荣华1 伍万军2 吴婷婷1
（1 江西省交通设计院 南昌 330002）
(2 中铁十四局集团三公司 兖州 272000)

摘 要：高速公路软土地基，经粉体搅拌桩处理后，桩体范围内土体沉降减少较多，路基土侧向位移量很少，能承受较快的加荷速率，对解决软土地基高填路基的稳定、沉降及加快施工进度等很有碑益。文章结合京福高速公路的施工实例，对上述问题进行探讨。
关键词：道路工程；高速公路；软土地基；粉喷桩；处理。


0 前 言
北京至福州国道主干线江西境内温家圳至沙塘隘段高速公路路线全长178km,设计速度80km/h，路基宽24.5m．路线位于江西省东部，地处武夷山余脉，高填路基较多，且山间多软基。
本文介绍的为B7合同段中的一段软基处理，中心桩号为K163+860-K164+000，设计为高填路基，

填土高度为17-21.55m。此段工程地质属剥蚀低山丘陵地，地形起伏大，发育冲沟洼地，冲洪积物为灰色，淡黄色淤泥质粘土，局部砾粘土，可塑-软塑状。地表软土厚度2-6m不等，下伏全风化花岗岩，中密，呈高岭土状。该软土具有高含水量、高孔隙比、低强度、固结缓慢、沉降大、稳定性差的特点，经土样试验和检测，结果见表1：
表1

编号 ZK-1 ZK-2 ZK-3 ZK-4 ZK-5
物
理
性
质
指
标 含水量 w % 96.3 106.5 92.6 46.7 41.0
容量 湿 p g/cm3 1.44 1.42 1.47 1.73 1.82
干 pd g/cm3 0.73 0.69 0.76 1.18 1.29
比重 Gs 2.57 2.59 2.57 2.60 2.59
孔隙比 e % 2.520 2.754 2.382 1.203 1.008
孔隙率 n % 71.6 73.4 70.4 54.6 50.2
饱和度 Sr % 98.2 100.0 99.9 100.0 100.0
液限 WL % 57.3 55.8 56.7 43.4 44.8
塑限 Wp % 32.2 32.0 33.0 24.8 25.1
塑性指数 Ip % 25.1 23.8 23.7 18.6 19.7
液性指数 Il 2.554 3.130 2.515 1.177 0.807
室内定名 淤泥质高液限粘土 淤泥质高液限粘土 淤泥质高液限粘土 淤泥质低液限粘土 低液限粘土
力学
性质指标 抗剪
强度 剪切方法 快剪 快剪 快剪 快剪 快剪
内磨擦角 度 4.0 2.0 4.0 2.5 6.0
凝聚力 C Kpa 2.0 2.0 2.0 4.9 9.8
压缩 压缩系数 a1-2 Mpa-1 1.47 1.44 1.88 1.24 0.8
压缩模量 Es Mpa 1.6 1.8 1.3 1.4 2.1

1 处理方案
根据现场情况，考虑填土高度较高，软基压缩系数较大而软土层厚多在6m以内，可采用穿越软土层的粉喷桩加固，桩尖直接作用于全风化岩层上，因此，避免了桩尖未处理土体沉降量过大的隐患。由于路基施工工期要求较短，而填土高度达20m以上，考虑粉体搅拌桩加固后地基的承载力将大为增强，因此，施工时不按照软基的加荷速率进行施工，只按照一般路基施工考虑，加荷速率可达3.92KPa/d，即20cm/d，同时也不考虑加载预压。
按照复合地基承载力的要求，填土20m的路基地基承载力应达到400KPa，我们认为由于路基的整体下沉，只要不产生被处理层的极限破坏，被处理层能将荷载传递到风化岩层即可。因此，本处理方案主要考虑路基的稳定和工后的沉降量。
基于以上的考虑，我们采用粉喷桩处治此段路基，桩长6m，桩径0.5m，桩间距1.5m，根据试验每m灰剂量选50kg，为加速软土层的固结，便于排水，在桩顶铺垫50cm的砂垫层。
沉降量的计算：粉体搅拌桩可以作为复合地基来计算其沉降量，在施加的荷载不超过水泥桩的徐变极Qc时，其总沉降量S计算公式为:
S=S1+S2
式中：S1—被加固土体桩长范围内的沉降量（cm）即S1 =(σc×L)/(m×Ec+(1-m)Es)
S2—被加固土体以下未加固土的沉降量，本例固桩尖位于风化岩层不予考虑，即S2=0
m—置换率 A桩/A =(0.252×π)/(1.5×1.5×cos30°)=10%
L—搅拌桩桩长 L =600cm
σc—路基表面所受外加荷载力（KPa）
σc =20m×1.9KN/m3=380KPa
Ec—水泥桩的弹性模量，由试验平均值取
30Qc =30×1.8=54MPa
Es—桩间土的侧限变形模量（KPa）
根据试验平均值取1640Kpa
则S =S1 =（380×600）/（0.1×54000+0.9×1640）=228000/6876=33.16cm
如果不作处理，而现场软土层厚度按6m计算，则当填土高度达20m时，沉降量计算如下：
S1 =（σc×L）/Es=（380×600）/1640=139cm
从计算结果可以看出，对于可穿透的软土层，采用粉喷桩对沉降控制效果非常明显。
高速公路对地基变形量的要求很高，一般要求在使用期内路堤的工后沉降量不超30cm。本例中计算总沉降为33.16cm，而其中大部分在施工时已产生，其工后沉降能满足高速公路对地基变形量的要求。
2 方案的实施
搅拌法加固软粘土技术是利用水泥等作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械在地基中将软粘土和水泥强制拌和，使软粘土硬结成具有整体性、水稳性和足够强度的地基土。加固的基本原理，是基于水泥加固土的物理化学反应过程，因此，本例主要注重实效，进行沉降观测，并与理论计算对比。












图1 施工工艺流程
2.1 软土基底处理准备工作
处理前，事先开挖临时排水沟，纵向开挖临时降水沟，用以降低地表水，便于基底草皮清除施工，草皮清除完毕后，整个软土处理区填筑80cm山渣土，整平并轻度碾压，以保证粉喷桩机及其配套设施的进场，以及所需材料的进场、堆放。然后根据设计需要，进行处理面积等放样和桩位布点。
2.2粉喷桩施工
根据设计要求，桩位呈等边三角形布置，中心间距1.5m，桩径为50cm，桩长6m。设计喷粉量为
36 kg/m-58kg/m，根据路基平均填土高度自重计算天然土重，经室内配合比选定，按50kg/m喷粉量施工。
施工前首先要进行成桩试验，数量不宜少于5根，以取得满足设计喷入量的各种技术参数，掌握下钻和提升的阻力情况。施工中要控制瞬时喷粉量和搅拌均匀性，且一气呵成，每根桩开钻后连续作业，不得中断喷粉。为满足搅拌达到强度均匀性，上部3m进行复搅，速度控制1.0-1.2m/min，桩头搅拌时间应适当延长，以保护桩头均匀密实，地面80cm填土不计入桩长。
粉喷桩施工过程中，还要注意桩距控制、垂直度，施工完毕后，分别进行一定数量的桩体开挖，取芯进行抗压检验，必须满足设计要求。
2.3路基填筑施工
填筑前铺设一层50cm砂砾垫层并碾压密实，路基填筑所需土石方材料来自附近山头路基挖方段，每层不超过30cm。为确保沉降后的路基宽度和设计边坡坡率，施工时两侧加宽各50cm，并留出路拱和横坡，采用40T重型压路机振动压实。
3 沉降和稳定观测
在路基设计中心线和路肩基底同时埋设沉降杯，沉降和稳定观测同步进行。在施工期间，每填筑一层，观测一次，填土间歇期间每天观测一次，每一区域填筑完毕后每周观测二次，在整个观测期间，要注意观测桩的保护，发现问题及时处理，确保测量数据的连续性，观测数据可直接用于计算由于沉降而补加的填方量。
3.1沉降杯埋设位置
选定K163+950处路基中心和右侧设计路肩位置。平面位置见下图：




3.2沉降杯制作
沉降观测杯是以内径d＝20㎝的钢管制成，上下封口。外部焊接两根内径为2-3cm的小钢管，一端通至沉降杯内，另一端接进水管和出水管。进、出水管采用质地较硬的塑料管，以防被周围土体挤
(下转第40页)
扁，影响通水。进、出水管的另一头引至路基坡脚外，并在进水管接一根玻璃管，玻璃管外径与塑料管内径尺寸相同，并将玻璃管固定于一竖杆上。
填土前，先将沉降杯埋植处用砖砌一个槽，将沉降观测杯放于槽中，周围用砂回填密实。
建立考证表，将埋设各情况记录详细，备查。
3.3沉降观测
每次观测时，先用水自进水管注水，自出水管有水流出时抄测进水管水面高程hi，与上次所测值差即为此时段沉降量△h。（此差值可从玻璃管水位差上直接读出）
3.4沉降观测设备示意图




3.5沉降观测结果






图4 沉降量及时间曲线
3.6沉降结果分析
从沉降量及时间曲线可以看出，沉降量初期增加很快，40天之后基本趋缓，匀速下沉，且沉降量

较小，说明路基沉降比较稳定。与理论计算相比，误差较小，基本相符，说明本处理方案较为成功，软土地基得到了有效的控制。
在整个施工期间，沉降和稳定正常，基本上无边坡隆起和侧向位移等现象。路基整体沉降均匀，从基底处理至今已有6个月，总体沉降情况日趋稳定。现路基填土已达标高，沉降量已不明显，证明基底的处理效果较好，能够满足设计要求。
4 结 语
粉体搅拌桩可以有效地减少被加固土体的压缩量，能有效地调整横断面差异沉降，有助于控制不均匀沉降。粉体搅拌桩有较高的刚度、抗侧向变形能力较强，对本例中山间的软基尤为适用。粉体搅拌桩处理过的路基能承受较快的加荷速率，能较好地满足工期要求较严的工程。
路基填土过程中，不宜使用冲击力过大的压路机，可适当增加碾压遍数，尽量使处理后的基底桩间土相对固结稳定，增加抗剪能力。
粉体搅拌桩不能改善地基排水条件，但通过吸水固结可提高桩间土的结构性，同时桩顶铺垫砂层可便于地基排水，从而可适当加速桩间土的固结，减少工后沉降。

参考文献：
[1] 张诚厚,袁文明,戴济群.高速公路软基处理[M]北京: 中国建筑工业出版社.
[2] 地基处理手册[Z]北京:中国建筑工业出版社.
[3] 钱家欢等,土力学[M].河海大学出版社.