高压旋喷桩处治高速公路路基沉陷技术及应用

吴晓红

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

1 工程概述

路基沉陷是运营高速公路病害中最为常见的病害类型之一，其严重影响行车的舒适性同时对行车安全造成隐患，为了确保行车安全、提高行车舒适性，需对路基沉陷进行处治。目前，工程实践中对路基沉陷的处治往往采用加铺路面的方法，但是对于压缩性较高的软土地基，地基的工后沉降延续时间较长，加铺方案不能根本上解决路基沉陷。随着工程技术的发展，采用复合地基方法对路基沉陷越来越成熟，高压旋喷桩处治路基沉陷也成为一种常用的路基沉陷处治手段[1-3]。

2 工程背景

2.1 工程地质情况及沉陷原因分析

某运营高速公路通车运营至今已将近8年，随着运营时间的增长，部分路基的桥涵台背、填挖交界等部位出现了不同程度的沉陷病害，其中某段路基沉陷见表1。运营单位为保证行车安全性，采用了加铺方案进行应急处治，但未能彻底解决沉陷病害，每年的沉降量可达7 cm左右，现已累计加铺30 cm左右。

表1 路基沉陷现状表

图1 路基沉陷现状图

填方路基沉陷主要由两部分组成：一是地基土在自重压力或附加压力作用下的沉陷；二是路堤填土自身的沉陷。根据钻孔资料，该段路基地质资料具体如下：

a）第①层 素填土，厚约5 m，为填方段路基填土，土质为粉土，局部混有粉细砂，填筑年限大于5年，基本上已完成自身固结。

b）第②层 粉土，厚约8 m，为原地基上部，土质以粉土、粉质黏土为主，局部混有砂粒，黄褐色，很湿- 饱和状，具有中- 高压缩性。

c）第③层 粗砂，厚约10 m。为原地基下部，土质以粗砂为主，黄褐色，中密结构，呈湿- 饱和状，颗粒级配良好，分选性差，混有粉土。

根据以上地勘资料，路基沉陷主要是由于高压缩性粉土含水量增大引起的地基沉降。结合现场调查，该填方路段坡脚处存在地表水汇聚、排泄不畅的现象，导致了路基范围内地基土含水量局部增大，强度降低，在重载车辆的反复碾压下，地基土体压密变形，最终导致路基发生沉陷。

2.2 方案设计

根据以上分析结果，需对路基段进行加固处治以提高路基整体强度，考虑到沉陷段地基填料以粉土为主，且含水量大、密实程度一般、处治深度大等因素，设计采用单管高压旋喷桩进行加固处治，旋喷桩处治深度根据地勘资料确定需穿嵌入粗砂层不小于1 m。同时需对坡脚排水系统进行完善，修复破损、渗漏排水沟，填平压实坡脚处积水洼地，确保坡脚排水顺畅。

2.2.1 设计参数计算

2.2.1.1 地基承载力计算

旋喷桩喷射直径（桩径）为500 mm，由于桩体基本均位于土体中，故固结土强度要求为5 MPa。桩体平面布置采用分离桩，桩间距按桩径的2～3 倍控制，为确保桩和土体共同作用达到最佳效果，采用梅花型布置，孔间距1.5 m。面积置换率为：

式中：d为桩平均直径，m；de为一根桩分担处理地基面积的等效圆直径，m。

经过计算面积置换率为0.101。根据复合地基承载力式（2）～式（4）[4-5]估算加固后地基承载力值。

式中：Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；up为桩的周长，m；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa；lpi为桩长范围第i层土的厚度，m；qp为桩端端阻力特征值，kPa；Ap为桩的截面积值，m2。

式中：fcu为桩体试块标准养护28 d 的立方体抗压强度平均值，kPa；fspk为复合地基承载力特征值，kPa；β 为桩间土承载力发挥系数；fsk为处理后桩间土承载力特征值，kPa。

根据现场试验结果，原地基承载力为80.0 kPa，土层计算参数详见表2。经计算加固后地基承载力为242.8 kPa，较原地基承载力提高了3.04 倍。

表2 土层计算参数表

2.2.1.2 地基变形计算

粉土层的高压缩性是沉陷的主要原因，采用旋喷桩可以提高压缩层的刚度，减小下沉量，从根本上解决沉陷。压缩模量提高系数ζ=3.04。

式中：s为地基最终变形量，mm；n为地基变形计算深度范围内所划分的土层数；p0为相应于作用的准永久组合时基础底面处的附加压力，kPa；Esi为基础底面下第i层土的压缩模量，MPa；zi、zi-1为基础底面至第i层土、第i-1 层土底面的距离，m；ai、ai-1为基础底面计算点至第i层土、第i-1 层土底面范围内平均附加应力系数；沉降计算采用分层总和法如式（5）[4-5]，经计算旋喷桩加固后地基总变形量为62.13 mm。

采用加铺方案时，除了路堤填土重量产生的附加应力，加铺沥青层也作为附加荷载施加在地基上，若考虑30 cm 沥青加铺层，沥青混合料重度γ=23.7 kN/m3，计算得地基总变形量为202.99 mm。

分析计算结果可以看出，对比加铺方案，旋喷桩方案能显著地提高地基承载力，有效地减少地基沉降变形。

2.2.2 经济效益分析

沉陷发生在上行特重交通方向，处治宽度为11.5 m，处治长度为95 m，加铺平均厚度为10 cm，沥青混合料单价约为1 300 元/m3，每次加铺费用：11.5 m×95 m×0.1 m×1 300 元/m3=14.21 万元。

采用旋喷桩处治时，根据设计孔径与间距，沉陷路段需要打设560 根旋喷桩，每根桩长14 m，费用为：560 根×14 m/根×180 元/m=141.12 万元。

从短期看，旋喷桩处治费用较高，但旋喷桩处治的优势在于一次处治，不留后患，可彻底解决路基沉陷；加铺方案最大的问题在于频繁地封闭施工影响高速公路的通行效率，同时沉陷还会对过往车辆带来较大安全隐患，引发交通事故，产生不良的社会影响，故随着加铺沥青处治次数的增加，旋喷桩处治经济效益开始凸显。综合经济社会环境影响效应，对原地基湿软地层较厚的路基采用旋喷桩加固是科学合理的。

3 高压旋喷桩加固施工方案

3.1 旋喷桩设计施工材料参数

3.1.1 施工工艺参数浆液压力25 MPa，浆液流量80 L/min，喷嘴孔径2～3 mm；提升速度0.25 m/min，旋转速度20 r/min。

3.1.2 注浆材料及用量

选用速凝浆液，水泥选用42.5 级硅酸盐水泥，为防止喷射过程中路基产生附加变形，造成路基脱空，另加入3%早强剂（水玻璃）。水泥浆液配合比为0.8∶1。根据以上工艺参数，每米计算喷浆量为0.264 m3，每米水泥用量为195 kg，水玻璃用量为5.85 kg。

3.2 旋喷桩施工程序

a）正式进场施工前，进行管线调查确保施工过程不破坏公路下面敷设的管线及涵洞等构造物，做好施工组织计划，确保施工场地整齐有序。

b）高压旋喷桩的施工流程为：桩位放样→修建排污和灰浆拌制系统→钻机就位→钻机钻进→喷射管安装→喷浆材料及制浆→喷射提升→回灌→记录。

4 结论

a）根据地质勘察结果，由于地基土压缩性较高，路侧排水不畅导致了路基范围内土体含水量局部增大，强度降低，这是引起路基发生沉降变形的主要原因。

b）对比加铺方案，采用高压旋喷桩方案可以大大提高地基承载能力，增加地基刚度，减少地基变形，有效减少路基下沉量，长期来看，社会经济效益优势明显。