控制模量桩在江六高速公路拓宽道路中的应用研究

岳辉 李剑 王志强

【摘 要】通过拼宽道路利用CMC桩进行地基处理的研究，掌握CMC桩施工工艺及施工控制要点。通过拼宽道路CMC桩研究，了解道路荷载与地基变形间的关系，解决新老路基间的地基不均匀沉降问题；解决拼宽道路中静压管桩布置缺陷问题；为今后拼宽道路地基处理提供一种科学、有效、经济的地基处理方案。通过CMC桩的研究，有助于提高公司在该领域内的市场竞争力；有助于公司在工程建设领域整体形象的提升。

【关键词】控制模量桩；软土地区；拓宽工程；不均匀沉降；整体稳定性

一、课题来源及研究意义

（一）课题来源

目前我国经济正步入工业化、信息化和跳跃式发展阶段，私家车的迅速增加，物流业的快速发展均需要方便、快捷、安全的交通服务。

老路的通行能力，行车安全性，舒适性逐渐无法满足日益增长的社会发展需要。土地资源的日益紧张，建设成本的逐年增加，也制约着道路工程建设。

为了满足这些地区交通量增长的需要，对已有道路的扩建、升级显得十分必要。道路扩建既能充分利用原有道路，又能缩短建设周期，还能有效减少建设用地。因此道路扩建对经济发达、人口密集、土地紧张的地区显得尤为重要。

道路扩建面临的最大技术问题就是拼接新老路间的不均匀沉降。拼宽道路不均匀沉降的外在表现便是路面开裂。为了有效降低新老路基间的沉降差异，通常需对拼宽路基进行二方面处理。一、地基加固处理，减小拼宽路基基础沉降量；二、提高路基压实度，减小拼宽路基自身沉降。

道路工程根据地质条件的不同，地基加固方法众多，本文结合胜建集团2009年中标的“江都至六合高速公路邗江二标”道路加宽工程，对拼宽道路采用控制模量桩（CMC桩）进行地基处理进行部分研究。

CMC桩全称为：Controlled Modulus Columns 译为中文即为“控制模量桩”。

（二）研究意义

通过拼宽道路利用CMC桩进行地基处理的研究，掌握CMC桩施工工艺及施工控制要点。

通过拼宽道路CMC桩研究，了解道路荷载与地基变形间的关系，解决新老路基间的地基不均匀沉降问题；解决拼宽道路中静压管桩布置缺陷问题；为今后拼宽道路地基处理提供一种科学、有效、经济的地基处理方案。

通过CMC桩的研究，有助于提高公司在该领域内的市场竞争力；有助于公司在工程建设领域整体形象的提升。

二、国内外现状

CMC桩理念最早由法国提出，上世纪90年代在欧洲用于实际施工，最初应用在英吉利海峡隧道，大型储油罐、发电厂的基础中。

目前国内外高速公路建设水平较为成熟，但在道路拓宽领域的研究较少。自1997年国内首条高速公路加宽工程：广佛高速公路扩建工程动工以来，国内先后有海南环岛东线、沪杭甬、沈大、沪宁、南京绕城等高速公路相继局部或全线扩建加宽。受制于道路扩建研究及理论的制约，工程建设往往采用高额投资换取相应的安全及使用要求，尤其是的地基处理方面，目前仍然没有很成熟的设计理念出现，大多数的设计是通过部分理论加部分经验进行设计。

2008年东南大学在国内最早提出CMC桩理念，并在江六高速公路拼宽道路地基处理中首次应用。

该工程是国内首次在拼宽道路中进行CMC桩研究。随着，今后道路交通量的快速提升，拼宽道路的逐步增加，拼宽道路的新老地基间不均匀沉降问题及新拼宽道路地基沉降研究也将会日益增多。

三、主要成果

通过CMC桩的研究，掌握了该项目的施工工艺及工程施工过程中的质量控制要点；了解拼宽道路中CMC桩对地基变形的影响；通过CMC桩的运用能够解决，拼宽道路工程中受静压管桩工艺缺陷造成的桩位布置不合理问题；初步掌握了CMC桩的经济性能，为今后同类工程施工能够取得较好的经济效益打下了基础。

四、研究内容

此次控制模量桩施工选取在江六高速公路邗江二标路基填方最高段落进行实施，施工长度232.6m，最大填土高度7.34m，老路基宽26.5m，拓宽后路基宽42m，双侧各拓宽7.75m。

桩径40cm，桩长16m，桩体为C20的素混凝土，桩间距3.0m，梅花形布置，桩帽1.4×1.4×0.3m，桩帽顶设40cm碎石垫层，碎石垫层内设双层双向钢塑格栅。

地质条件：①-素填土2m，②1-粉土层5m，②2-粉土夹粉砂层8m，②3-粉砂夹粉土层12m，②4-粉土夹粉砂层10m，②5-粉土层7m，②6-粉细砂层6m。

具体设计图纸如下。

图1 控制模量桩拓宽路基横断面图

图2 控制模量桩拓宽路基平面布置图（梅花型布置）

（一）施工工艺

CMC桩施工工艺介绍：通过具有大扭矩的钻机设备，将一个特殊设计的中孔正反螺旋钻头在钻进地基的过程中侧向挤压土体，达到预定深度时，在提升过程中通过钻头内腔以低压喷出预制好的水泥混凝土形成桩体，与土体形成复合地基。

1、主要施工设备

CMC桩主要施工设备有：正反螺旋钻孔机、混凝土泵。本项目选用ZKL800BD型步履式螺旋钻机1台、HBTD60-09-90混凝土泵1台，混凝土采用集中场拌，混凝土运输车运送混凝土。

2、施工工艺流程图

3、施工工艺

（1）施工前利用测量设备准确测放出桩位，并标明。

（2）钻机就位，保持平整、稳固，在机架或钻杆上设置标尺，以便控制和记录孔深。

（3）下放钻杆，使钻头对准桩位点，调整钻杆垂直度，然后启动钻机钻孔，达到设计深度后空转清土，在喷注前不得提钻。

（4）成孔后，钻杆反螺旋预提 200 mm左右，然后启动高压泵送灌注混凝土，边喷注水泥混凝土边提钻杆，提升速度要与泵送速度相适应，确保中心管内有 0.1 m3以上的混凝土，喷注时根据泵送量及时调整提速，直至成桩。

（5）清理孔口，封护桩顶。按施工顺序放下一个桩位，移动桩机进行下一根桩的施工。

4、混凝土配制要求

（1）混凝土强度满足设计要求，及其他相关规范、标准要求。

（2）混凝土具有较好的和易性。现场搅拌混凝土坍落度宜控制在80～120mm，集中厂拌混凝土坍落度宜控制在160～200mm。

（3）尽量降低混凝土坍落度损失，避免因坍落度损失过大造成混凝土泵送困难。

（4）混凝土中宜添加适当的粉煤灰以提高混凝土和易性及施工性能。

（二）施工注意事项及质量控制要点

1、试桩

工程施工前进行试桩，验证施工机械性能，混凝土性能，确定最佳钻进速度，最佳提升速度，混凝土泵送压力，混凝土充盈系数等控制参数。

2、钻进

钻进前需检查钻机支撑是否牢固，钻杆是否垂直，钻头是否对准桩位。为防止螺旋钻进时有地基土堵塞喷浆孔，在钻进过程中应在钻杆内预压混凝土平衡。

3、提钻喷注混凝土

在软弱土层内的提钻速度宜为 0.6～0.8 m/min，在松散或稍密砂土层内宜为 1.0～1.2 m/min，在软硬交替处，应降低提钻速度，不宜大于 1.0 m/min，并停提10s。

管腔内灌满混凝土后，施加较低的泵送喷浆压力（一般不超过 1.0Mpa）后即可开始提钻，边提边泵送喷注，每提1m应停拔5～10s，如此反复，直至钻杆全部拔出。

在提钻过程中应根据土层的实际情况二次添加混凝土，以满足桩顶混凝土标高。

钻头提升距离桩顶5.0m时宜一次性成桩。

在提钻喷注过程中，若遇到特殊情况停止施工，应及时下沉钻头20～50cm，使混凝土埋住钻头防止断桩。恢复喷注前应停留喷注5～10S。

在提钻喷注过程中，若长时间停钻无法提升，应重新钻孔成桩。

桩基注浆系数不宜小于1.0.

4、打桩顺序

（1）如桩基较密集且离建（构）筑物较远，施工场地较开阔，宜从中间向外进行；

（2）如桩基较密集且场地较长，宜从中间向两端进行；

（3）若桩较密集且一侧靠近建（构）筑物，宜从靠近建（构）筑物一侧由近向远进行；

（4）在打较密集的群桩时，为减少桩的挤土现象，可采用控制打桩速率、优选打桩顺序等措施。在相邻桩间距太近时进行跳打，保证混凝土不串孔，参见图4.3。

（5）根据桩的长短，宜先长后短；根据桩径大小，宜先大后小；

（6）靠近边坡的地段，应从靠近边坡向远离边坡方向进行。在边坡坡肩施工应采取可靠的防护措施，防止边坡失稳，保证机械的施工安全。

（三）控制模量桩与地基变形分析

1、CMC桩复合地基受力状态

控制模量桩是由刚性的素混凝土桩体与桩间土共同作用形成的复合地基处理形式。

复合地基在上部荷载不断增大时的桩、土受力状况大致可分为三个阶段：第一阶段，上部荷载较小时，荷载主要由桩体承担，桩间土承担荷载较少，桩顶荷载主要由桩体侧摩擦阻力作用，桩端几乎不承担荷载；第二阶段，当荷载进一步增加时，桩体承担荷载虽然也在增加但增加速度减缓，在垫层的作用下桩间土开始发挥作用，与桩体共同承担上部荷载；第三阶段，当荷载不断增加达到极限值时，桩端应力迅速增加，桩底持力层无法承担桩底荷载，桩体穿入持力层，复合地基破坏。

设计理想的复合地基，应该是上部荷载全部施加后，地基处于第二阶段末端，桩基处于单桩极限承载力状态。该状态下的复合地基在桩体和桩间土的共同作用下承担上部荷载，地基承载力满足要求且地基沉降量要小于天然地基沉降。

2、CMC桩复合地基参数对加宽路基性状影响分析

（1）桩顶设置桩帽降低地基沉降量

CMC桩复合地基中，在桩顶设置桩帽+土工格栅+碎石垫层比桩顶无桩帽+土工格栅+碎石垫层的沉降量要小的多。

两者的主要差别体现在桩间土的沉降不同，而桩基的沉降则基本相同。即在桩顶无桩帽时，更多的上部荷载应力附加在桩间土上，致使表层土体沉降量较大，而桩体沉降量小，出现桩体刺入上层结构部位的现象。

桩顶设置桩帽后，桩基承担了等多的上部荷载，桩间土承受应力相对降低，地基变形就小，即地基沉降较小。

所以说，在CMC桩顶设置桩帽能够降低地基沉降量。

（2）桩体模量与沉降的关系

当桩体强度达到一定数值后，再增加桩体强度或者提高桩体模量对地基承载力的提高和地基变形的减小基本无用处。

混凝土强度等级对应的弹性模量

CMC桩复合地基中，由于桩间土承担了部分上部荷载，相应的减小了桩体压力。此时可以适当降低桩体模量以节约工程成本。即，较低的CMC桩混凝土强度即可满足实际需要。

（3）桩长、桩径对沉降的影响

桩长对复合地基沉降的影响较大，原因是复合地基的沉降分为两部分，即加固区的沉降与桩底持力层的沉降，针对于一定深度的土层，桩长越长，提供的装侧摩阻力越大，荷载向更深处土层传递，加固区厚度增加意味着桩底持力层厚度减小，持力层的压缩模量也就减小。因此，增加桩长对于减少路基沉降作用较明显。

增加桩径能够提高桩侧摩阻力，提高地基土体置换率，有效增加桩基承载力，减小地基沉降。

虽然，提高桩长、桩径能够有效降低地基沉降，提高地基承载力，但出于经济考虑，能够满足承载力和沉降要求且能有效降低经济投入的桩长、桩径方案才是最适合的。

（4）桩间距对沉降的影响

桩间距的适当增大减少了桩基设置数量，桩检土体沉降量增大，桩基沉降基本不变。在设置了桩帽+土工格栅+碎石垫层后，能够使更多的上部荷载集中在桩基上，可以有效的减小桩间土的受力和沉降。

所以说，适当的增加桩间距，即能有效的利用模量高的桩基，发挥桩基极限承载力的作用，又能达到控制沉降的目的，还能有效的降低工程造价。

（5）垫层模量对沉降的影响

由于CMC桩复合地基的垫层是碎石+土工格栅的散粒体材料构成，对复合地基表面桩土应力起到调节作用，协调桩土变形；另一方面垫层材料的高强度还能防止由于桩顶应力集中过大而刺入上层路基。

所以说，在本着满足拼宽道路CMC桩复合地基承载力及沉降要求的同时，能够有效的降低建设成本是本次研究的一个方面。采用CMC桩+桩帽+土工格栅+碎石垫层并适当加大桩间距的设计思路，充分有效的减小桩间土体荷载，将荷载转移至承载力高的刚性桩基上，在满足了地基承载力、沉降的同时还减少了桩基数量，降低了建设费用。

（四）拼宽道路中控制模量桩替代管桩施工

目前拼宽道路刚性复合地基设计中，国内普遍采用PTC管桩处理，江苏省高速公路扩建工程也基本如此，沪宁高速公路、南京绕城高速公路加宽施工均采用上述方案。

PTC管桩施工工艺成熟，在工程建设领域应用广泛，但在道路拼宽工程中运用该工艺还存在着一定的问题。

1、拼宽道路管桩施工存在问题分析

拼宽道路中均采用静压工艺进行PTC管桩施工，该工艺施工过程中产生振动较小，利于老路边坡或老路边坡开挖台阶后的稳定性。道路加宽工程中通常不选用锤击施工工艺，避免锤击打桩产生的振动影响老路边坡稳定性。但目前国内的管桩静压设备大多为中心报压或中心顶压施工，静压设备体积庞大，移动困难，这些问题同时也影响和制约了拼宽道路管桩的设计及施工。

图四：拼宽道路管桩布置示意图

（1）桩体材料强度高，建设费用高。

PTC管桩，桩体混凝土强度C40，强度较高的桩体是为了满足静压施工时管桩承受压力要求，而对于地基承载力和沉降没有帮助，显得过于浪费，材料成本高。

（2）施工设备体型庞大，中心静压工艺导致边、角部位桩基施工困难。

由图四可以看到，位于边坡开挖台阶附近的桩基，距离边坡较近或恰好位于台阶立面处，以抵抗新老路连接部位，即抵抗拼宽道路受力最薄弱部位的竖向应力及剪切变形，但受静压管桩设备体积庞大及中心压入工艺影响，该部位管桩无法施工，在众多道路加宽工程中均对该位置管桩进行外移，但管桩外置外移后将影响拼宽道路地基承载力及沉降。

拼宽道路坡脚外侧若存在距离较近的河塘、障碍物也将影响该部位管桩施工。

（3）静压设备移动困难，进出场费用高。

由图四可以看到，拼宽道路桩顶高度不同，设备需要多次进出场施工，受制于静压设备自重及体积影响，所需进出场费用较高。

2、控制模量桩替代管桩施工优势

控制模量桩采用长螺旋工艺成孔，孔内喷注混凝土形成桩体，桩体与地基土体共同作用形成复合地基的工艺。

（1）成桩质量及强度易于控制。

CMC桩，长螺旋的成孔工艺及喷注混凝土的成桩方式，使得桩基质量易于控制，混凝土强度可以根据不同需要进行调节。通常在复合地基处理中，较低强度的混凝土桩便可满足强度需要，但静压管桩受成桩工艺制约，桩体强度较高。

（2）无振动，对老路边坡及地基影响小。

螺旋钻进的成孔工艺，对地基扰动较小，不产生振动，利于拼宽道路边坡稳定。

（3）移动迅速，施工范围广。

体积较小，移动迅速，端部钻孔，适合拼宽道路边坡、台阶、坡脚等多种情况施工，施工范围广。

（4）施工工期短，经济投入小。

CMC桩桩体在施工现场形成，施工工期短，其设计理论是针对具体要求的沉降指标对复合地基的各种参数进行优化设计，体现了按沉降设计的理念，可以减少项目中地基处理的费用。

五、拼宽道路中控制模量桩复合地基处理经济性能分析

控制模量桩（CMC）进行加宽道路地基处理，桩型可采用不同强度的素混凝土桩，如采用 C15 的素混凝土桩处理，C15 的素混凝土的价格 300元/m3，处理的桩径为 40cm，桩间距为 3m，正方形布置或梅花型布置，处理桩长为 16m，若采用正方形布置则每平米的处理费用大概为 150 元，再加垫层的费用和施工费每平米的处理费用可控制在 205 元以内；梅花型布置每平米的处理费用大概为 170 元，再加垫层的费用和施工费每平米的处理费用可控制在 225 元以内。这样的处理成本较水泥搅拌桩便宜，而且质量有保障。此路段原设计中PTC管桩（单侧拼宽）总长约为7520延米，桩长16m的PTC桩市场价约为100元/m，则每平米的处理费用大概为 286 元，如再加桩帽，则每平米的造价约为365元。下表为该段落加宽道路两种地基处理技术的总价比较表。

江六高速公路拼宽道路PTC管桩与CMC桩地基处理总价比较表（单侧）

有上表可以看出，在采用CMC桩复合地基进行拼宽道路地基处理时比PTC管桩处理成本要节约40%以上。

六、结论

通过对江六高速公路拼宽道路采用控制模量桩进行复合地基处理的研究认为，该种设计理论能够有效利用桩基的极限承载力，满足拼宽道路地基沉降要求；能够很好的节约工程建设投资，具有较好的节能减排效果。是今后道路，堤坝、大型油罐基础等工程地基处理的优秀建设方案，具有较好的推广价值。