素混凝土桩在高速公路改扩建工程中的应用

刘尚俊

(广西北部湾投资集团有限公司，广西 南宁 530028)

0 引言

随着近年交通流量的迅猛增长，众多既有高速公路的通行能力和服务水平已趋于饱和状态，导致交通运输成本提高，在一定程度上制约着经济的发展，急需进行加宽改造。对于实施拼接加宽方案的改扩建工程，由于旧路基一般沉降已稳定，对新路基沉降控制要求高，特别是软基段，选择经济合理的地基处理方式控制拼接加宽新路基的沉降，是高等级公路拼接加宽工程中的一个难题。南钦防改扩建工程中，部分拼接加宽段路基位于软基上，软土层多为软塑-流塑状，物理力学特征较差。由于改扩建工程工期紧张，为满足施工沉降及施工工期要求，通过经济技术比选，采用素混凝土桩施工方案，成孔与灌注混凝土同时完成，施工速度快，满足了工期要求，后期地基沉降小，拼接加宽部分与旧路基没有出现差异沉降。

1 工程概况

南钦防改扩建工程设计为双向4车道改8车道高速公路，项目位于广西南部，与茅岭江平行，沿线地形起伏较大，段落内冲沟、洼地发育，呈条带状分布，局部路段分布密集。经钻探表明，拼接软基土层分布为：表层以淤泥质粉质黏土为主，含有机质，深黑色，软塑-流塑，摇振反应迅速，埋深为1.8～16 m；下卧层为粉质黏土、砂砾、全风化花岗岩，力学性质较好。

2 软基处理方案

目前在高速公路加宽工程中一般采用的地基处理方法有：预应力管桩、EPS轻质路堤、钻孔灌注桩、CFG桩、干喷或湿喷深搅桩、排水固结兼堆载预压、薄壁管桩、钻孔灌注桩等。由于南钦防高速软基拼接加宽工程工期紧张，软基处理点多量大，采用预应力管桩、EPS轻质路堤、钻孔灌注桩相对费用过高；采用CFG桩施工工艺较为复杂；采用粉喷桩方案由于软土过深无法使用；采用排水预压的地基处理方案无法满足工期要求。通过经济技术比较，决定在软基深度>2.5 m的路段采用素混凝土桩处理。

3 素混凝土桩的设计

3.1 计算方法

由于扩建工程旧路基沉降已趋于稳定，对拼接新路基沉降要求较高，软基按沉降量进行控制设计，并验算复合地基的稳定性和承载力。由于南钦防改扩建工程路线范围内拼接路基主要为一级坡，最高填土为8 m，沉降满足要求，承载力一般能满足要求。

素混凝土桩作为高粘结强度桩，桩身、褥垫层、桩间土共同形成复合地基，故采用复合地基的沉降理论进行计算，计算时把复合地基变形分为加固区的变形量S1和下卧层的变形量S2(下卧层变形量可忽略不计)。笔者借助宋法宝先生提出的复合模量方法，该方法将加固区中的桩和土体视为一种复合土体，将加固区土层分成n层，采用分层总和法计算。加固区土层变形量S1表达式为：

式中：ΔPi——第i层复合土上的附加应力增量；

Hi——第i层复合土层的厚度。

Ecs通常近似采用面积加权平均法计算，即：

Ecs=mEPS+(1-m)Ess

式中：m——复合地基置换率；

EPS——桩体压缩模量，EPS受各种因素影响相对较小，该工程近似取为固定值60 MPa；

Ess——桩间土压缩模量，由土工试验压缩曲线根据不同的土层和压力大小进行取值。

对于拼接加宽路段，沉降控制标准要满足规范要求，同时要求新旧路基工后沉降基本一致。旧路基由于有新的附加荷载，需要进行工后沉降校核，新路基采用复合地基处理，处理得当，后期沉降量小，新路基的加宽对旧路基的变形影响非常小。

3.2 设计方案

根据上文计算方法，结合软基钻探资料，对素混凝土桩进行设计，方案如下：

(1)桩径、桩长：素混凝土桩的桩径设计为50 cm，根据软基深度控制桩长，并要求桩长进入持力层1～2 m，持力层取稳定的坚硬土层或风化基岩，采用长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩。其它施工数据通过试桩确定。

(2)桩距和平面布置：桩体平面布置形式采用等边三角形，桩距d主要由承载力计算决定，一般取1.2 m，复合地基承载力根据路基填土高度而定，要求>150 kPa。平面布置详见图1～2。

(3)桩体强度：桩体强度室内按混凝土标号C15进行配制。

(4)褥垫层设计：采用双层砂砾垫层共50 cm和双向土工格栅，首先回填25 cm砂砾垫层，用压路机压实后，再铺设一层双向土工格栅，土工格栅上还需回填一层25 cm砂砾垫层。土工格栅采用TGSG40-40双向塑料土工格栅，强度应≥50 kN/m。采用良好的砂砾，含泥量≤3%，砂砾垫层设置1%外倾坡度，采用震动压路机碾压密实。土工格栅采用铁丝绑扎连接。叠合长度>15 cm，铺设时不允许有褶皱。

(5)新旧路基连接：将原旧路堤边坡开挖成台阶状，台阶宽度≥2.5 m，新旧路基搭接时需严格控制压实度。

图1 素混凝土桩处理断面图

图2 素混凝土桩处理平面布置示意图

3.3 素混凝土桩检测

素混凝土桩的检测包含桩身质量检测、单桩承载力检测、复合地基承载力检测。桩身质量检测采用低应变法，单桩承载力检测采用平板荷载试验法，素混凝土桩复合地基承载力检测按《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)执行。

3.3.1 检测频率

低应变法检测数量为素混凝土桩总数的10%，静载荷检测数量为素混凝土桩总数的0.5%～1.0%，且不少于3点。

3.3.2 检测方法

(1)桩距和桩径采用钢尺现场测量。成桩后3 d，按检测频率浅层开挖素混凝土桩，从地面向下开挖50 cm，然后测量素混凝土桩的桩径。

(2)桩身垂直度通过钻进时控制长螺旋管的垂直度进行控制，钻进过程中每钻进2 m检查长螺旋管的垂直度，发现垂直度超出范围后应停机进行检查，查明原因进行修正后可继续进行施工。

(3)桩长的控制方法：在钻机做醒目标注，量测桩长，作为控制桩长的依据。

(4)按每台班制作检查试件，进行28 d强度检验。

4 质量控制要点

4.1 试桩

素混凝土桩正式施工前应进行试桩，以确定正式施工时的各项参数：

(1)桩机就位，在试桩过程中要注意调整桩机平整度和导向架的垂直度，保证素混凝土桩的垂直度偏差不得超过1%桩长，桩位偏差应≤50 mm。泵料时，钻杆提升速度控制在3.0 m/min，严禁先提钻后泵料，确保成桩质量。

(2)试桩施工过程中详细记录地层变化时电流变化以及进尺速度，作为日后正式施工参考。进尺速度按1 m/s、1.2 m/s、1.5 m/s进行控制，以确定合理钻进速度；每进尺1 m记录一次电流，最后记录达到设计标高的瞬时电流及钻进时间。

(3)钻孔至设计深度，泵送混合料，记录混合料坍落度、混合料充盈系数。边压灌混合料边拔管，拔管速度按2.0 m/min、2.5 m/min、3.0 m/min控制，确定合理拔管速度。

(4)每根桩混合料制作6组试块，4组分别做3 d、4 d、5 d、6 d强度检测，确定截桩头时间；1组做7 d强度检测，1组做28 d强度检测。如有必要，应对桩身进行低应变试验检测。

4.2 桩头的保护

(1)素混凝土桩施工完成之后，用粒状材料或湿黏性土封顶，为了保护桩体不受扰动，同时为了防止人员掉入桩体中造成事故，需在桩体上方覆盖长和宽各为1 m的红木板。桩体终凝以后方可移走。

(2)桩体达到一定强度后(一般3～7 d)，方可进行清土。

(3)禁止重物横向击打桩体。

4.3 褥垫层施工

(1)素混凝土桩完成28 d后，进行上部土方清除，清土时注意当接近素混凝土桩顶面附近时，应采用人工或小型机械施工，严禁因为施工不当导致桩身断裂或严重位移。

(2)找出桩顶标高位置，在同一水平面按同一角度对称放置钢钎，用大锤同时击打将桩头击断；桩头截断后，用钢钎、手锤将桩顶从四周向中间修平至桩顶设计标高。

(3)清土及桩头处理完成后，在桩间先用砂砾虚铺，然后静压至设计厚度，压实度不应小于设计值。

4.4 可能发生的质量问题及处理措施

(1)缩径和断桩：提钻速度过快或采用连打作业时，新打桩对已打桩产生的挤压作用，产生缩径和断桩。处理措施：严格控制提钻和灌注速度，素混凝土桩施工采用间隔跳打法避免发生断桩或缩径现象；在跳打施工时应及时清除成桩时排出的弃土，清土和截桩时，不得造成桩顶标高以下桩身断裂和扰动桩间土。

(2)桩体强度不均匀：拔管太慢或太快，都会使桩的端部桩体水泥含量较少，桩顶浮浆过多，而且混合料也容易产生离析，造成桩身强度不均匀。处理措施：钻孔到位，停机后立即向管内投料，直到混合料与进料口齐平。混合料按设计配合比要求配制，坍落度控制在3～5 cm之间，成桩后混凝土超灌50 cm，施工时严格控制钻杆提拔速度和混合料泵的泵送量，混合料泵送量应与拔管速度相配合，保证连续提拔，保证桩体连续、均匀密实。

(3)桩身掺土：提钻速度与活瓣打开宽度不匹配，混凝土下落不充分，使用反插法，导致桩身掺土等缺陷。处理措施：禁止使用反插法，通过试桩确定活瓣打开的宽度和提钻速度。

5 结语

南钦防高速公路拼接加宽工程处于较为深厚的软基路段，经过经济技术比较，采用了长螺旋施工素混凝土桩地基处理方案，施工后沉降小，路基稳定性高。在南钦防高速软基拼接施工中表明：长螺旋钻孔素混凝土桩是软基处理的一种有效方法，可适用于软基深度≥2.5 m，填土高度>8 m，对地基承载力要求比较高的路段，施工后沉降小，路基稳定性高，从技术层面能有效解决软基处理不彻底造成的不均匀沉降及出现的纵向、横向裂缝等质量通病，避免了耗费大量人力、物力、财力来进行注浆等二次处理，节约成本，提高经济效益。