高压旋喷桩在某工程软基处理中的设计应用

高压旋喷桩在某工程软基处理中的设计应用

许文斌（ XUWenBin） 吴三（ WUSan）

安徽省交通勘察设计院有限公司 安徽合肥 230000

Design and application of high pressure rotary jet pile in

soft foundation treatment of a project

摘要：本文通过对高压旋喷桩在某二级公路兼城市道路提升改造设计时路基处理中路堤沉降计算、稳定验算、复合地基承载力、处理方案、施工工艺、材料要求的实例分析与探讨，为今后填料为碎石土路基的既有道路提升改造设计提供一定的借鉴。

This paper analyzes and discusses the settlement calculation, stability checking calculation, bearing capacity of composite foundation, treatment scheme, construction technology and material requirements of high-pressure jet grouting pile in the design of a secondary highway and urban road upgrading, so as to provide some reference for the upgrading design of the existing road of gravel soil subgrade。

关键词：提升改造；路基处理；高压旋喷桩；设计

本项目为二级公路兼城市道路^{[1] [2]}功能，于2017年7月通过竣工验收。由于项目所在区域软土厚度大，承载力低，且施工期未完全按照设计方案进行路基处理，加之通车后载重车辆较多，通车不久路基便产生大面积沉降，从而导致桥头沉陷、跳车，路面拥包推移、龟裂、纵横裂缝等病害。为减小社会影响、降低道路提升改造成本、提出科学合理且安全可靠的路基处理方案，我们对原老路基标准横断面、填料物理力学指标及稳定性、路面结构层及道路排水（非机动车道布置有市政雨水管）进行调查与分析，对沿线地质进行重新勘察，对其病害产生的原因进行分析研究，从而结合竣工资料、地质资料、施工可操作性、便利性进行路基处理设计。

1、老路现状

1.1老路横断面

据现场实地调查，该工程路基存在四种断面形式，其中：

K3+760～K3+800 : 3m人行道+4.5m非机动车道+2m侧分带+0.5m路缘带+3×3.5m机动车道+1m中分带+3×3.5m机动车道+0.5m路缘带+2m侧分带+4.5m非机动车道+3m人行道，路基宽度为42m。

K3+800～K4+055: 0.75土路肩+3m人行道+4.5m非机动车道+2m侧分带+0.5m路缘带+3×3.5m机动车道+1m中分带+3×3.5m机动车道+0.5m路缘带+2m侧分带+4.5m非机动车道+3m人行道+ 0.75土路肩，路基宽度为43.5m。

K4+055～K4+300: 0.75土路肩+4.5m非机动车道+2m侧分带+0.5m路缘带+3×3.5m机动车道+1m中分带+3×3.5m机动车道+0.5m路缘带+2m侧分带+4.5m非机动车道+ 0.75土路肩，路基宽度为37.5m。

K4+300～K5+220: 0.75土路肩+0.5m路缘带+3×3.5m机动车道+0.5m路缘带+6m中央分隔带+0.5m路缘带+3×3.5m机动车道+0.5m路缘带+ 0.75土路肩，路基宽度为30.5m。

1.2老路基填料物理力学指标及稳定性

据现场勘察及查阅相关设计文件，填土主要为填筑土，分布于勘察范围内公路沿线，稍密～中密，以碎石回填为主，局部为块石，以砂充填层，厚度为3.30～7.40m。为更好的掌握既有路基填土的物理力学性质，本次在既有老路路基内共布置9处勘探点并进行取样试验，结果详见表1：

老路基填筑土层物理力学指标表 表1

注：经试验，该层填筑土设计可合理选择利用。

1.3道路病害及成因分析

经调查，根据调查现状道路存在路基沉降、桥头深陷跳车、路面纵向裂缝、路面横向裂缝、路面坑槽、路面拥包推移、路面龟裂、路面车辙沉陷等病害。究其原因，路基施工时软基处理未按设计的粉喷桩进行地基处理，只进行了简单的换填处理，致使处理后地基承载力过低，达不到设计要求，路基产生不均匀沉降，从而导致上述病害发生。

1.4桥梁现状

经调查，设计路段内有4座桥梁，根据检测报告，现状桥梁上下部结构良好，仅对桥梁上面层铺装进行铣刨重铺，桥梁具体情况如下：

（1）双峰大桥桥梁中心桩号为K3+419,桥梁布置为[3×25m+4×25m]预应力板梁+[3×30m+（3×30m+2×28.5m）]预应力砼T型梁+[（2×22.5m+2×25m）+4×25m]预应力板梁，桥梁总长为607m。

（2）鹏上1号中桥桥梁中心桩号为K4+075，3×13m后张法预应力混凝土板梁，桥梁总长为45.84m。

（3）鹏上2号中桥桥梁中心桩号为K4+435，3×13m后张法预应力混凝土板梁，桥梁总长为45.84m。

（4）鹏上3号中桥桥梁中心桩号为K4+662，3x13m后张法预应力混凝土板梁，桥梁总长为45.84m。

2、地质概况

根据现场地勘及查阅相关地勘资料，全线分布有不同深度的软土，主要土层分布为①层填筑土，稍密～中密，以碎石回填为主，局部为块石，以砂充填，工程性质一般；②层粉质粘土，可塑状态，工程性质一般；③层淤泥，流塑状态，工程性质极差；③1层粉质黏土，可塑状态，工程性质一般；④层粉质黏土，可塑状态，工程性质一般；⑤层角砾，稍密～中密状态，工程性质较好，各岩土层地基设计参数详见表2。

各岩土层物理力学指标表 表2

注：表中数值为平均值，带*为经验值。

3、高压旋喷桩设计

3.1沉降控制标准

根据规范^[3]及查阅相关资料，软基段设计年限工后沉降必须满足表3要求：

容许工后沉降　　　　　 　　　　　表3

鉴于本项目为二级公路兼具城市主干道功能，综合考虑该项目交通量较大、运营期行车舒适度及城市道路景观要求及相关类似项目^[4]的经验,本次设计工后沉降标准参照高速公路、一级公路沉降标准控制。桥涵段工后沉降控制标准不变，一般路段工后沉降控制标准为从“≤0.30m”提高至“≤0.20m”,主要原因如下:

（1） 该项目已实施雨水和照明管线，根据规划，远期该项目定位为城市主干道，势必市政道路管网较多，若地基沉降变形过大，抗变形能力较弱的管网可能产生变形甚至断裂^[5]。

（2） 该项目桥涵等构造物较多，若路堤段与桥涵等构造物之间的差异沉降较大，势必造成行车舒适度差及产生跳车现象，且对景观造成影响。

（3）适当提高一般路堤段工后沉降控制标准，可以缩小与桥坡段及小型结构段的差异沉降，从而延长路面使用寿命，减少养护成本。

3.2计算分析

（1）沉降计算

高压旋喷桩的沉降计算是根据复合地基理论进行计算的，总沉降量_S∞是由加载后的瞬时沉降S_d、主固结沉降S_c和次固结沉降S_s三部分组成。瞬时沉降是荷载施加以后立即发生的那部分沉降，它是由剪切变形引起的；固结沉降指的是由于主固结而引起的沉降量，在它固结过程中，沉降速率是由水从孔隙中排出的速率所控制的；而次固结沉降是土骨架在持续荷载下发生蠕变所引起的。

_S∞=S_d+S_c+S_s根据国内外建筑物实测沉降资料的分析结果，可将_S∞改写成_S∞=m_s×S_c，综合考虑地基剪切变形及其它影响因素（包括S_d和S_s）。对正常固结土或超固结土m_s =1.1～1.4。本项目设计中取m_s =1.2。地基土的主固结沉降Sc根据e－p曲线应用单向压缩分层总和法计算。

（注：公式中字母含义参见相关规范^[6]。）

根据以上公式计算，考虑该项目已建路基及路面层，本次计算将已建路基及路面层作为持力层参与计算，该项目采用高压旋喷桩处理后计算的路基施工期沉降量约为0.23m～0.35m，设计使用期末沉降量约为0.41m～0.54m，总沉降量约为0.50m～0.65m。

（2）稳定性分析

稳定性分析是路堤以稳定为控制的工程设计中的一项重要内容。在路堤加载预压过程中，每级荷载下地基的稳定性必须进行验算以保证工程安全、经济、合理，达到预期的效果。本该项目稳定计算的方法采用有效固结应力法(快剪与固结快剪切指标，允许稳定最小安全系数Fmin=1.2)。

稳定计算安系数F：

（注：公式中字母含义参见相关规范^[6]。）

结合该项目软土试验的相关物理力学指标，本次采用了有效应力法对路堤稳定性进行了验算，安全系数取1.207～1.713之间，满足规范规定的考虑固结情况下允许稳定最小安全系数不小于1.2的要求。

（3）复合地基承载力计算

通过查阅相关规范^[4]和资料^[7]，高压旋喷桩复合地基承载力计算可参阅下列计算公式：

（注：公式中字母含义参见相关规范^[6]。）

结合该项目的地质资料，计算出该项目的复合地基承载力特征值为130KPa～148KPa。

3.3设计方案

根据软土路基的设计主要原则和工程地质条件，并结合该项目路基的填土高度和设计标准而进行的路基沉降、路堤稳定性、复合地基承载力等指标的计算结果，综合考虑社会影响、施工可行性及造价等因素经多方案的技术经济比较后确定采用“加筋垫层+高压旋喷桩”进行软土地基的处理设计。搅拌桩布设长度为L，间距为L1米，以梅花形布置（布置时充分考虑了高压旋喷桩施工对既有雨水管道的安全距离，通过布设应力释放孔、调整施工顺序及施工工艺参数^[8]等措施，确保施工时雨水管道安全）。加筋垫层为“20cm碎石垫层+一层土工格栅+路面底基层”形成加筋垫层（见图1）。

图1 高压旋喷桩布置图

（1）桥头路基段设计方案

① K3+760-K3+770桥头段下挖1m整平地面后进行旋喷桩处理地基，桩径0.6m，间距1.0m，梅花形布置，桩长18m；桩顶设置0.2m碎石垫层，垫层顶设置一层土工格栅。

② K4+045-K4+055、K4+094-K4+104、K4+405-K4+415、K4+454-K4+464、K4+632-K4+642、K4+681-K4+691桥头段下挖1m整平地面后进行旋喷桩处理地基，桩径0.6m，间距1.1m，梅花形布置，桩长17m；桩顶设置0.2m碎石垫层，垫层顶设置一层土工格栅。

（2）一般路基段设计方案

① K3+770-K3+937、K3+937-K4+045、K4+104-K4+147、K4+147-K4+405、K4+545-K4+632、K4+770-K4+900、K5+060-K5+220段整平地面后进行旋喷桩处理地基，桩径0.6m，间距1.3m，梅花形布置，桩长14m；桩顶设置0.2m碎石垫层，垫层顶设置一层土工格栅。

② K4+464-K4+545、K4+691-K4+770、K4+900-K5+060段整平地面后进行旋喷桩处理地基，桩径0.6m，间距1.3m，梅花形布置，桩长15m；桩顶设置0.2m碎石垫层，垫层顶设置一层土工格栅。

（3）设计具体施工步骤

① 步骤一：从现状道路路基坡脚处到路基内部宽度1.5m范围按1:1坡比对路基边坡进行削坡,削坡完成后再进行旋喷桩施工，坡脚最外侧的旋喷桩超出坡脚100cm，及保证坡脚外有一排桩，施工长度不宜过长，一般为20m-30m（见图2）。

图2 步骤一设计图

② 步骤二：待坡脚处施工完成后恢复边坡，在道路边缘处施工一排旋喷桩（见图3）。

图3 步骤二设计图

③ 步骤三：待步骤二施工完成后，在坡脚处按1:1坡比填挖出施工平台,然后进行边坡旋喷桩施工（见图4）。

图4 步骤三设计图

④ 步骤四：待步骤三施工完成后，进行剩余部分的旋喷桩施工（见图5）。

图5 步骤四设计图

⑤ 步骤五：待步骤四施工完成后，通过挖填至垫层底高程处，再施工碎石垫层和铺设土工格栅, 最后进行路面结构层施工（见图6）。

图6 步骤五设计图

4、高压旋喷桩施工技术要求及施工工艺

4.1施工技术要求

依据本项目设计要求，并查阅相关资料^[9]，确定本项目高压旋喷桩施工技术要求：

（1）水泥浆液：压力20MPa～40MPa，流量80L/min～120L/min，喷嘴孔径2mm～3mm，喷嘴个数1个。

（2）注浆管：提升速度20cm/min～25cm/min，旋转速度约20r/min，外径φ42mm或φ50mm。（3）桩身强度不小于3MPa（28d）。

4.2施工工艺

高压旋喷桩施工工艺流程: 施工准备→测量定位→机具就位→钻孔至设计标高→旋喷开始→提升旋喷注浆→旋喷结束成桩。

5、材料要求

5.1碎石垫层

碎石垫层需要采用级配良好的干净碎石，要求碎石垫层不得受泥土、杂物等污染。

5.2土工格栅

土工格栅技术指标：每延米纵、横向拉伸屈服力≥80KN/m，凸结点高度≥5mm，结点极限剥离力＞400N，屈服伸长率≤3%，且土工格栅应符合相关规范^{[9] [10]}要求。

5.2水泥及外加剂

水泥采用42.5号普通硅酸盐水泥，水灰比为0.75∶1，桩每延米水泥用量230kg～270kg，掺外加剂（水玻璃）1%（水泥质量比）。

6、结束语

1）从 “高压旋喷桩”处理地基沉降量、稳定性计算分析及现场复合地基承载力、桩身水泥土强度、单桩承载力、抗压静载等试验检测结果看，均达到设计要求及预期效果，具有很好适应性。

2）“高压旋喷桩”具有社会影响小、对既有路面破坏小、处理深度大、成桩速度快、复合地基承载力高、对碎石土地基加固效果好等优点，因此该处理方案可广泛应用于路基填料为碎石土的既有道路提升改造路基加固处理。

参考文献

[1] JTG B01—2014《公路工程技术标准》〔S〕

[2] CJJ 37-2012 《城市道路工程设计规范》[S]

[3] JTG D30-2015《公路路基设计规范》〔S〕

[4] 唐振忠 江南产业集中区凤鸣大道软土路基处理方案设计[J] 工程与建设 2012年01期 95-97

[5] 郝身群,郭敏 城市道路地下综合管线设计探讨[J] 城市道桥与防洪 2009年08期  228-229

[6] JTG/T D31-02-2013《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》〔S〕

[7] 黄春霞,张鸿儒,桂国庆 水泥土搅拌桩复合地基承载力公式中折减系数β取值的分析[J] 工程地质学报;2003年04期　385-389

[8] 朱锦峰 高压旋喷桩对周边管线的影响[J] 山西建筑 2011年10月 37卷29期  57-58

[9] 刘爱荣，李小斐，高压旋喷桩在高速公路软土地基处理中的应用探讨[J]，中外建筑，2011年05期

[10] JTG／T D32-2012《公路土工合成材料应用技术规范》〔S〕

作者简介：许文斌（1978-），男，安徽枞阳人，安徽省交通勘察设计院有限公司，高级工程师。

吴三（1992-），男，安徽怀宁人，安徽省交通勘察设计院有限公司，助理工程师。