高壓旋噴樁處理公路橋臺軟基沉降長期監測分析

張志明，張軒溥

(廣州公路工程集團有限公司,廣東 廣州 510075)

0 引言

橋臺路堤連接部位工后不均勻沉降是深厚軟土地層公路橋梁常見的質量通病,如處理不當將引起橋臺錐坡下沉、路面開裂和橋頭跳車等問題,目前主要采用CFG樁、攪拌樁和預制管樁等方法進行軟土路基加固。但受加固區域軟土層厚度不均和性質差異大等因素影響,采用均勻布樁的方式雖然能夠減小路基工后總沉降量,但加固處理費用高、經濟性差,且處理后仍有可能產生不均勻沉降。

國內學術界和工程界針對公路橋臺軟基沉降控制問題進行了大量研究。如:趙瑋[1]等通過有限元法研究了不同樁長和樁距組合條件下公路橋臺軟基沉降的變化規律;顧紅偉[2]等對某高速公路軟土路基的地質情況和病害情況進行調查,探討了不同通車使用時間后攪拌樁加固與瀝青路面加鋪兩種處理方法的技術效果與維護成本;田攀[3]等采用三維數值方法研究高壓旋噴樁的樁位布置、幾何尺寸和加載時間等因素影響對工后沉降的作用機理;廖璐璐[4]等依托某高速公路軟基路段開展指導高壓旋噴樁施工的試樁試驗,總結了旋噴樁旋轉提升速度、注漿泵工作壓力和水泥用量等參數的確定依據和施工質量問題的成因;時林軍[5]結合高壓旋噴樁在某高速公路軟基處理中的應用案例,對比單管高壓旋噴樁與其他地基處理方法在節約投資和縮短工期方面的應用優勢,提出質量控制和現場工作協調管理是該類地基加固方法的工作重點;Borges[6]等建立了二維高壓旋噴樁模型,分析了填土高度、樁間距、樁體彈性模量對高壓旋噴樁加固效果的影響。文獻[7-9]結合實際的高壓旋噴樁加固軟基橋臺工程實例,歸納總結了在該類場地條件下旋噴樁路基加固設計、施工與監測應注意的問題。

根據已有研究資料可知,現有文獻主要圍繞軟基處理方法進行數值分析和試驗研究,通過現場長期變形監測分析軟基加固效果的研究成果尚不多。本文依托廣東某高速公路高壓旋噴樁處理軟基路段項目,持續進行了長達8年的路基沉降工后監測,評價試驗段橋臺高壓旋噴樁軟基處理對工后沉降的控制效果,并進一步分析了不同樁距、樁徑等因素對高壓旋噴樁處理效果的影響,以期為今后類似高等級公路橋臺軟基段的加固設計提供實踐經驗。

1 工程概況

本文軟基試驗路段位于廣東省東部某高速公路,通車后發現未采用樁基加固的橋頭軟基段出現跳車嚴重、路面開裂破壞等情況,工后最大沉降量超過50cm且沉降速率發展較快。為此,本項目選取5處橋臺采用高壓旋噴樁進行處理。為適應橋頭軟基段的不均勻沉降,沿縱向按不同樁距進行漸變過渡。樁的布置以近似等腰三角形為主,樁距以0.5m的增量進行漸變。樁端穿過軟土層深度至少大于1m,樁頂位于路基填土層底部,樁徑包括600mm、800mm和1 000mm等三種。表1為各軟基路段采用的高壓旋噴樁加固處理方案。

表1 高壓旋噴樁軟基處理方案

2 軟基監測方案

由于5處橋臺均采用類似的沉降監測方法,本文以路段A為例進行分析。橋臺布置2個監測縱斷面,各縱斷面設7個監測點,分別位于路緣帶和硬路肩位置。其中:XC1、XC14位于樁距為2m的處理區域段,XC2、XC13位于樁距為2.5m的處理區域段,XC3、XC12位于樁距為3m的處理區域段,XC4、XC11位于樁距為3.5m的處理區域段,XC5、XC10位于樁距為4m的處理區域段,XC6、XC9位于樁距為4.5m的處理區域段,XC7、XC8位于處理區域的尾端外側。高壓旋噴樁位置的布設情況如圖1所示,橋臺地質剖面如圖2所示。由橋頭往路基方向路基填砂的厚度變化不大,約為7.5～7.9m;軟土分布厚度及深度在XC1～XC5范圍均變化不大,底層埋深約為22.5m,厚約15m,但在XC6點附近變厚、變深,底層埋深達26.1m,厚約19m。

圖1 橋臺沉降監測點平面布置(路段A)

圖2 橋臺軟基段工程地質剖面(路段A)

3 監測結果分析

3.1 整體沉降速率

表2和表3為橋臺軟基段年度沉降速率分析匯總。各監測點軟基沉降速率受軟土層分布厚度的影響有所不同,但逐年總體均呈減小的趨勢。2018年K2540+948通道橋3處橋臺的沉降速率為0.002～0.003mm/d,鄰近軟基的沉降速率為0.005～0.015mm/d,經軟基處理后汾臺右幅的沉降速率降為0.003mm/d。2018年度,經處理后的橋臺軟基與鄰近軟基的沉降相比,沉降速率下降2～5倍,與處理前2010年度的軟基沉降速率相比,降低約17倍。

表2 橋臺段各年度常規監測沉降速率(單位:mm/d)

表3 鄰近軟基段各年度常規監測沉降速率(單位:mm/d)

3.2 樁間距的影響

由圖3可知,2011年度監測到的沉降速率比處理前降低不明顯,但自2012年開始沉降速率顯著降低,且下降幅度與樁間距的大小關系密切。在旋噴樁加固處理前,2010年度監測的平均沉降速率為0.051mm/d。在2018年樁間距2m的處理區域內沉降速率下降至0.001mm/d,樁間距5m的處理區域內沉降速率也下降至0.005mm/d,分別下降了51倍和10倍,表明軟基加固采用的樁間距越小(樁數越多)、地基處理對工后沉降的控制效果越理想。

圖3 高壓旋噴樁間距與沉降速率的關系

圖4給出了采用不同樁間距加固的路基沉降速率曲線。橋臺軟基由于受高壓旋噴樁施工擾動和水泥凝結過程的影響,在工后1年內(2011年9月)的軟基沉降速率均較大,普遍達到0.400～0.438mm/d。在工后第8年(2018年)監測到的沉降速率已逐漸趨于平穩,樁間距2.0m、2.5m、3.0m、3.5m處理區域內的軟基沉降速率均小于0.02mm/d。其它樁間距處理區域內的沉降速率也可見較明顯的收斂。

圖4 不同樁距橋臺沉降速率與時間關系曲線

3.3 工后累計沉降

如圖5所示,橋臺軟基段工后約8年時間產生的累計沉降為56.4～125.6mm。第一年累計沉降為17.2～84.3mm,約占27%～66%;第二年累計沉降為11.9～20.6mm,約占12%～27%;第三年累計沉降為7.8～17.1mm,約占7%～18%;第四年累計沉降為4.6～12.1mm,約占4%～13%;第五年累計沉降為4.6～12.1mm,約占5%～13%;第六年累計沉降為2.9～8.8mm,約占3%～9%;第七年累計沉降為58～128mm,約占1%～3%;第八年累計沉降為59.7～128.3mm,總體小于1%。大部分沉降在工后3年時間內完成,后期隨著沉降速率的降低,監測累計沉降量趨于穩定。

圖5 橋臺軟基處理工后累計沉降-時間關系曲線(開始時間:2010年9月)

圖6為自2015年9月開始記錄的各監測點的累計沉降量。在樁間距為2m的處理區域段,旋噴樁加固后第八年的沉降量僅1.2mm,沉降已處于較低水平,軟基處理取得了良好效果。樁間距5m的旋噴樁加固區域路基累計沉降量最大,可達10mm以上。路基沉降隨樁間距和樁徑的減小而減小,最小沉降量為5mm,線路縱向差異沉降控制較好。

圖6 橋臺軟基處理工后累計沉降-時間關系曲線(開始時間:2015年9月)

4 結論

本文通過歷時8年的軟土路基沉降現場持續監測,分析了典型橋臺軟基路段經高壓旋噴樁處理后的沉降發展規律。主要結論:

(1)高壓旋噴樁處理后累計沉降量約49.9～179.1mm,大部分沉降發生在前3年,約占總沉降量的45%～70%,之后沉降量逐年緩慢減小,第8年累計沉降已趨于較低的水平,軟基沉降基本得到控制。

(2)在地質情況相對均勻的情況下,采用2.0～2.5m的小樁距更有利于控制路基的沉降。在投入費用允許的前提下,采用樁基變剛度設計的理念進行橋頭軟基處理,即按0.5m增量向路基方向逐漸增大樁距,并進行漸變過渡,可有效控制橋頭跳車。

(3)采用本文方法處理的橋臺軟基路段,能有效克服橋臺縱向不均勻沉降和沉降速率過大等問題。從現場實踐經驗來看,軟基處理的總投入比路面調平攤鋪的總投入少,可降低道路管養成本和工作量,充分發揮項目運營的社會效益和經濟效益。