挤扩支盘桩在高速公路桥头软土地基处理中的应用

吴晓龙，孙克强，林泽航

(广东潮汕环线高速公路有限公司，广东 汕头 515000)

0 引言

软土是一种高含水率、高压缩性、低承载力和抗剪强度的呈软塑或流塑状态的黏性土，广泛分布于我国广东、浙江、上海等沿海地区[1-4]。在沿海地区的公路工程建设过程中，软土地基极易造成地基失稳，路基沉降不均匀，进而引发路面开裂、桥头跳车、路基垮塌等病害，严重影响行车安全。为了满足工程建设需求，必须对软土地基进行有效的工程处理。随着我国地基处理技术的不断改进和发展，目前已形成很多有效的软土地基处理方法，常用的处理方法如换土垫层法、深层挤密法、强夯法、排水固结法等，但受现场地质条件、材料供应、施工设备等条件的约束，这些方法都有其自身的局限性[5-10]。支盘桩是一种变直径的灌注桩，是在原灌注桩基础上通过增设承力盘或分支而成，桩身由主桩、数个承力盘及数个分支组成。支盘桩的承力盘和分支增加了桩身与土体的接触面积，从而提高了单桩的承载力，与普通等直径桩相比，支盘桩的承压、抗水平荷载、抗拔能力均有不同程度的提高，因此支盘桩广泛应用于各种工程建设领域中，尤其是建筑工程领域。挤扩支盘桩在桥梁建设中也有很多应用，但在公路桥头路段地基处理中应用研究相对较少，尤其是软土地区桥头过渡段的地基处理。

本文以广东潮汕环线高速公路西胪互通A匝道桥桥台软基处理为依托工程，将支盘桩应用于高速公路桥头过渡段的软基处理，通过研究支盘桩设计方案、施工质量检测及路基沉降变化，分析挤扩支盘桩在高速公路桥头深层软基中的加固效果，以期为类似的公路建设提供技术参考和指导。

1 挤扩支盘桩加固机理

挤扩支盘桩复合地基由支盘桩和桩间土组成，由桩侧摩阻力和桩端阻力来承担基础荷载。挤扩支盘桩的施工工艺是由钻机成孔后，放入挤扩支盘机等专用设备，按地层的地质情况，在地质情况较好的土层进行侧向挤压，形成支状(单支、双支或六星支)或盘状腔体，提离挤扩支盘机设备，放入预制的钢筋笼，灌注成桩，形成带支盘形式同孔腔土体共同受力的混凝土灌注桩。支盘桩通过桩身、承力分支、承力盘及桩端与土体的接触，提高地基承载力。

挤扩支盘桩主要根据桩基承载力和沉降特性来确定设计参数。现有研究成果主要集中在挤扩支盘桩承载力特性方面，提出了一些半理论半经验的计算公式，这些公式的表达形式基本相同，主要的差别在于修正系数的取值有所不同。《桥梁挤扩支盘桩》(JT/T 855-2013)给出了一种较常用的支盘桩单桩承载力容许值计算公式[11]。

由于支盘桩本身相对一般混凝土灌注桩而言承载力较大且变形较小，使得支盘桩复合地基受力与常规复合地基受力略有区别，但在初步设计中仍可按《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》[12]估算复合地基承载力特征值fspk。

式中：m—桩土面积置换率；

fsk—处理后桩间土承载力特征值(kPa)，宜按当地经验取值，当无经验可参考时，可取天然地基承载力特征值；

β—桩间土承载力的折减系数。

2 工程应用

2.1 工程概况

广东潮汕环线高速公路西胪互通立交位于潮阳区西胪镇，立交主要服务于潮阳区西胪镇、关埠镇、金灶镇及周边地区，设计行车速度为60km/h，双向四车道。挤扩支盘桩软基处理试验段范围为：AK1+190～AK1+255，平均填土高度为7m。试验段软土路基挤扩支盘桩处理路段，该路段靠近S234省道，交通便利，原地面进行换填处理，并进行碾压，使其满足大型机械进场施工条件。

西胪互通A匝道桥桥台路段为沉积平原地貌，根据静力触探结果和钻孔资料显示，该路段上覆人工填土、淤泥、淤泥质土、粉质粘土、残基粉质粘土，下伏基岩为侵入花岗岩。该区域发育一层深厚软土，厚度15～16m，埋深17～18m。各土层的物理力学性质参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

2.2 挤扩支盘桩地基处理方案设计

一般软土地区公路路堤的极限填土高度为3～5m。根据该路段天然地基稳定性的验算结果，该软基路段设计的最大填土高度约7.0m，路堤的安全系数为0.83，不满足路堤稳定系数1.2的规范要求。如果采用天然地基进行沉降计算，该软土路堤总沉降量达到了1.67m，工后沉降达到了0.84m，也不满足桥梁与路基相邻过渡段工后沉降的规范要求。

2.2.1 挤扩支盘桩设计方案

为了使该路堤沉降满足设计规范要求，软基处理方法采用支盘桩加固的方式。设计桩基直径为60cm，支盘直径为140cm，盘高为80cm，支盘均设置于地质情况较好的土层中。支盘桩桩长32m，桩身上部22m范围内均匀布置8根φ12mm钢筋。桩顶设置高为80cm、宽为60cm的地连梁，并覆盖60cm厚的碎石垫层，结构层间采用土工格栅进行衔接。支盘桩按等边三角形布置，桩间距为4.5m，桩体采用C30混凝土。挤扩支盘桩单桩及软基加固横断面布置如图1和图2所示。

图1 挤扩支盘桩单桩

图2 挤扩支盘桩加固横断面布置

2.2.2 桩间距和复合地基承载力的合理性验算

根据地质钻孔勘测报告，支盘桩六星盘位于标高-19m(第1盘表体积为0.67m3)，承力盘(第2盘)、(第3盘)和(第4盘)标高分别在-22.3m、-25.5m和-28.7m(且2～4盘的表体积均为1.26 m3)，γ2加权平均重度取9g/cm3，修正系数λ取0.6，清底系数m0取0.95(桩底取0.7)，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》给定的计算公式，计算得到支盘桩单桩承载力特征值[13]：

Ra=侧壁摩阻力合计+端阻力合计+桩底承载力=1106+1415.1+88.1=2609.2kN，取Ra=2600kN。

该路堤复合地基上最大荷载按填土高度7m计算为Pmax=γh=7×20=140kPa，根据上述复合地基承载力计算公式，Ap=0.283m2，fsk取50 kPa，β取0.1，估算得到不同置换率(不同桩间距)下支盘桩复合地基的承载力，如表2所示。从表2中可以看出，当设计桩间距小于4.5m，复合地基承载力均大于最大填土荷载Pmax，因此，设计方案中桩间距取4.5m满足地基承载力的要求。

表2 不同置换率下复合地基承载力

3 挤扩支盘桩处理效果分析

3.1 成桩效果检测

由于挤扩支盘桩的桩径为60cm，桩身钢筋笼布设长为22m，无法按普通桩基安装检测声测管来检测成桩质量。为了检测该挤扩支盘桩的桩身完整性，判定桩身施工质量情况是否缺陷及缺陷的程度、位置，并判断桩端的嵌固情况，本路堤的挤扩支盘桩采用低应变反射波法进行检测，共测试8根。检测结果显示，根据《建筑基桩检测技术规范》[14]，桩身完整性Ⅰ类为6根，Ⅱ类为2根。图3为低应变检测桩身完整性检测时域曲线，从图中可以看出，时域信号(2L/2时刻信号)特征无明显缺陷反射波，桩底有反射波，混凝土波速处于正常范围，成桩效果较好。

图3 基桩反射波法检测时域曲线

3.2 路堤填土沉降观测

为检验支盘桩复合地基处理的加载效果，在AK1+210设置1个沉降观测断面，分别在路中与路中底部和左、右幅路肩、中桩顶各设置一组，共设4个沉降板。沉降观测工作从完成第一层填土后开始，每天观测一次，填土完成后前三个月每周一次，三个月后每两周一次。如遇特殊情况可加强测试频率。目前该路堤段填土高度已达5.6m，整个路堤填筑完毕，各监测点的沉降变化如图4和图5所示。

图4 累计沉降量随填土高度、时间的变化曲线

图5 沉降速率随填土高度、时间的变化曲线

由上述累计沉降量和沉降速率变化曲线可以发现：

(1)该路段的路基沉降量在路堤第一层填土填筑完成后，初期沉降量较大，沉降量增长较快，尤其是路基中间和左路肩位置处，增长明显，沉降速率较大。随着时间增长，沉降量逐渐趋于稳定，沉降速率较小。

(2)路堤第2～7层填筑时间间隔短，累计沉降量增长迅速，沉降速率大，最大沉降速率约为3.5mm/d，位于中桩顶位置处，最大累计沉降量约为66mm，位于路基中部。

(3)当路堤填土达到第8、第9层时，各监测点的沉降量增长均较缓慢，最大累计沉降量约为75mm。工后各监测点的沉降量变化均较小，整个路基沉降逐渐趋于稳定。

(4)路堤填筑过程中，路基中部与路肩沉降存在一定差异，沉降量差值约为16mm，路基约90%沉降量在施工过程中完成。

(5)桩顶与桩间土沉降存在一定差异，平均沉降差约为35mm，说明桩间土压力入侵碎石垫层，受力较为合理。

通过上述分析可知，挤扩支盘桩复合处理完成后，路基累计沉降量和差异沉降量均不大，约90%沉降量发生在施工过程中，路基沉降及工后沉降满足桥路过渡段沉降的要求，路基处于稳定状态。

4 结论

(1)利用复合地基承载力计算公式对挤扩支盘桩的设计参数进行复核验算，该设计方案满足地基承载力要求，设计方案合理。

(2)采用低应变反射波法对挤扩支盘桩进行检测，检测结果显示桩身完整性较好，成桩效果良好。

(3)路基沉降量随着填土高度的增加逐渐增长，初期增长较明显，沉降速率较大，后期随着填土时间间隔变短，沉降量增长迅速；路基中部与路肩存在一定的差异沉降，但沉降差不大；路基累计沉降量和差异沉降量均不大，约90%沉降量发生在施工过程中，路基沉降及工后沉降满足桥路过渡段沉降的要求，路基处于稳定状态。

(4)对于深层软基桥头采用挤扩支盘桩进行复合地基处理取代常规施工工艺，在承载力提高的同时，通过增加桩间距，降低工程规模，具有良好的经济效益。