粉喷桩加土工合成材料在软基加固工程中的应用

李 艳，周庆华

（陕西交通职业技术学院公路与铁道工程学院，陕西西安710018）

在国民经济飞速发展的背景下，我国既有交通网络的通行压力越来越大，基于这一现实因素的驱动，相关部门急需对现有的公路网进行改扩建。在高速公路拓宽工程中，直接加宽与分离式加宽是两种重要的施工方式[1]，前者的应用更加广泛。高速公路拓宽工程涉及的问题较之新建工程而言要复杂得多[2]，其中，软土路基的差异沉降[3]问题是需要重点考虑的一个因素。在我国，软土有非常广泛的分布，特别是在沿海地区、长江与珠江三角洲等滨海与湖沼地带更多，表现出含水量高、压缩性强、渗透性弱、灵敏度高、强度小、土层厚且不均匀等特点，在其上进行高速公路拓宽会由于新、旧软基固结状态的不同而出现不均匀沉降，如果差异沉降量太大，会使新、旧路面的结合位置出现纵向裂缝，造成路面结构的损坏。

粉喷桩施工技术可以减少总的沉降量，承受的加荷速率也较大，此外，有比较突出的抗侧向变形能力，能够有效将施工周期缩短，在高速公路、铁路以及市政工程等多种类软基加固工程中应用广泛[4]。另一方面，土工合成材料抗拉性能强，通过将其在软基底部埋设，能够优化软基土体的整体受力情况，将路堤与路基的整体稳定性提升，减少侧向变形量与竖向沉降量。通过联合使用粉喷桩技术与土工合成材料处理方法，能够将它们各自的特点发挥出来，加强对高速公路拓宽工程软基的加固效果。

1 粉喷桩加土工合成材料加固软土路基的构想

在用粉喷桩[5-7]技术对高速公路拓宽工程软基进行处理之时，粉体是主要的加固材料，整个施工作业无需添加水，粉体在注入软基之后，会对软土中的水分进行吸收，以此形成有较大刚度的桩体。在加固处理之后，软基的强度与抗剪强度会在较大程度上被增加，不必预压，有较高的安全性，且能实现对环保要求的满足，可明显提高加固区承载力以及软基的整体稳定性。虽然目前此方法有十分广泛的应用，但并不表明它是适用于任何环境的，对于地下水与土质成分会侵蚀水泥的情况，粉喷桩加固技术并不适用。工程实践显示，受到外荷载的影响，粉喷桩体同桩间土之间有较为明显的沉降差异，这会引发不均匀沉降的问题；而当粉喷桩桩体的强度与承载力存在差异时，亦会有相应的沉降差出现。

土工合成材料[8-10]强度等力学性能优异，与土颗粒之间的摩擦力比较大，同时，透水性能好，连续且柔韧，在高速公路拓宽工程软基加固中可发挥以下作用：（1）加筋作用，材料可对软基土的应力进行扩散，同时，增加土体模量，减少土体侧向位移现象的发生，通过与筋形成一个整体，土工合成材料可赋予软基相应的抗拉、抗剪、抗压与抗弯能力，在增强软基承载力与增加软基整体稳定性方面表现出较好的效果；（2）排水作用，土工合成材料可制作土工格栅，并进一步与软土中的粗料体、排水管等构成排水系统，汇聚软土中的水分，并沿材料平面将它们排出；（3）隔离作用，土工合成材料制成的土工格栅能够隔离不同级配的土、砂、石料、地基或其他建筑物，避免相互混杂、各材料完整性降低以及土粒流失等现象发生。

虽然土工合成材料的作用比较多，但单纯用其进行软基的加固，并不能发挥出很好地控制沉降的功效，而如果只是使用粉喷桩技术，必须对桩进行紧密地布置，不然会因为桩与桩间土之间沉降量的不同使得路堤顶面出现高低不平的情况，对其使用性能产生影响，将拓宽的高速公路的使用寿命缩短。其实，作为复合地基中的竖向加固体，水泥粉喷桩可有效分担外荷载压力，并将它们传至深层土中，而土工复合材料作为水平加固体，通过在粉喷桩上平铺，能够形成复合土体垫层，适当增大桩间距并促进桩土的共同作用，将群桩的整体效果以及软基的承载力强化，而对于软基土体的侧向滑移，效果亦比较明显。

2 粉喷桩加土工合成材料在软基加固工程中的应用

2.1 工程概况

某高速公路原设计的是4车道，在交通量大规模增加的影响下，先前的4车道已经无法与经济的飞速增长所需相适应，故需将其拓宽为8车道。拓宽工程施工之前，地质勘探人员通过勘察确定此段路基地层由上至下一共有四层，其中，第一层为素填土层，厚度约为1.4～3.0 m，有比较好的物理力学性质；第二层为淤泥层，厚度约为3.3～6.0 m，颜色表现为灰黑色，流塑，内有一些腐殖物，中间夹着比较薄的粉砂，有较高的含水量以及较大的可压缩性，抗剪强度比较弱，此次加固处理与变形控制主要以该层为对象；第三层为粉质粘土层，厚度约为3.4m，颜色为灰色，中间夹着中砂，压缩性能为中等；第四层为全风化砂岩层。

2.2 施工工艺

（1）施工放样。粉喷桩加土工合成材料施工的第一步应先做好打桩的准备工作，亦即以路基拓宽方案及其设计参数等为依据进行剖面图的绘制。具体地，此次施工作业选择用粉喷桩加一层土工格栅[11-13]与一层土工布[14-16]对高速公路拓宽位置的新软基进行加固处理，为了能够将淤泥层打穿，粉喷桩桩长设为7.0～8.0 m，桩径大约为50cm，桩与桩之间的间隔为1.2m，布置形状为三角形。此外，在土工格栅与土工布之间，用厚度为50cm的砂性土进行填充。图1所示为此次高速公路拓宽位置开挖与软基加固方案剖面示意图。上述工作完成之后，借助全站仪等测量工具，通过对施工里程桩号的参考，进行具体施工区域的放样。最后，测量现场地面与桩顶标高，并编号桩位，为后期施工管理提供便利。

图1 高速公路拓宽位置开挖与软基加固方案剖面示意图（单位：m）Fig.1 Schematic diagram of the cross section of the excavation at the widening position of the expressway and the reinforcement of the soft foundation (unit: m)

（2）施工场地。在进行打桩作业之前，先整平处理打桩区域，清理干净地面块石与垃圾等杂物，同时，精准定位打桩具体位置。若打桩区域内出现地势较低的地段，则用素土将其填平，如果低洼地段含有积水与淤泥，还需先将水与淤泥排出。另外，对于一些地质较差的区域，需采取填铺砂砾石垫层等方式适当将这些地段加固，以保证施工的正常进行。而为了避免打桩所用水泥被雨水浸湿等引起水泥受潮或结块现象的发生，还应设置水泥堆放台，高度应在原地面0.5m之上。

（3）施工机械。试桩过程中，粉喷桩桩机需具备自动记录与打印功能，为保证较短的工期，选用双向水泥搅拌桩，其施工为在下钻的同时进行喷粉作业，当到达底标高之后向上升高，待升至与地面相距0.5m时不再喷粉，桩机钻头到达地面之后，结束桩施工。图2为双向水泥搅拌桩。

图2 双向水泥搅拌桩Fig. 2 Two-way cement mixing pile

（4）桩机对位。结合图1剖面图，明确桩机加固位置。施工过程中，桩机同确定好的桩位偏差不宜超过5cm。在完成一个桩后，移动打桩机械继续进行下一个桩的施工作业，为避免机械移动破坏定位好的桩位情况的发生，在桩机上绑定一根垂直于桩机的长竹竿，并在其上量取与钻杆中心到同排桩之间相等的间距作记号，最后，用细绳在竹竿记号处悬挂一个小物体，如此便能为桩机作业人员桩位对准提供便利。

（5）下钻与喷粉。待桩机移动至指定位置且钻机就位之后，进行送气作业，当钻头与地面之间距离大于0.5m后，进行送粉作业，此环节需密切观察钻头是否被封堵。钻机破土速度应一致于外钻杆旋转速度，在地质较好的土层中，内钻杆的钻进速度不宜过快。喷粉时，需均匀送粉，若打桩环节出现送粉量不足或者是停电状况，需要重新打桩，保证新打的桩的水泥浆用量。

（6）铺设土工格栅与土工布。在结束粉喷桩施工之后，继续铺设土工格栅（第二层）与土工布（第一层），两层之间进行厚度为50cm的砂性土的填充。土工格栅与土工布的铺设方式对横向铺设予以采用，搭接宽度不小于20cm。在进行土工布铺设作业时，先将一端锚固，保证土工布铺设的平整性，之后锚固另一端。在新、旧路基的交界位置，土工格栅与土工布均以纵向方式进行铺设，用于过渡衔接，过渡的长度为伸入没有打粉喷桩的老路基10m，在横纵向的衔接位置，用直径为6cm的钢筋加固成的U型扣锚固土工布与土工格栅，整个铺设作业结束之后尽快填土隐蔽。

3 软基加固效果分析

3.1 实测土压力

该高速公路拓宽工程典型软基路段经粉喷桩加土工合成材料加工处理之后的土压力实测曲线如图3所示。根据图3，当填土高度不超过4.0m，且其荷载不大于80kPa时，粉喷桩同土工合成材料的受力情况并没有明显的差异，但是在填土高度不断增加的过程中，粉喷桩承受的土压力呈现出逐渐增加的态势，由比较陡的桩上土压力曲线可知，在增加的初期阶段，土压力以一个比较快的速度在增加，之后，桩上土压力曲线变得比较平缓，这又表明与荷载的不断增加相伴随，桩与土中的土压力增加速度呈现出逐渐减慢之势。在土工布与土工格栅的共同作用之下，若荷载未超过80kPa，土工布与土工格栅所受之力是相对充分的，但是，与荷载的不断增加相伴随，虽然土工布与土工格栅依旧能发挥相应的作用，但在其自身延伸率的束缚之下，对变形的抵抗能力会逐渐趋弱，这种情形下，大部分的填土荷载会随着条件的改变而转为由粉喷桩承担。具体来看，土工布与土工格栅的作用是对加固涂层中桩土应力的分配情况作相应的调整，以此实现对不均匀沉降现象的减少，将软基的抗滑稳定能力加强，同时，降低软基中土的侧向挤出量。

图3 粉喷桩加土工合成材料加固处理后典型路段土压力实测曲线Fig.3 Measured curve of soil pressure in a typical road section after DJM piles and geosynthetics are strengthened

3.2 路基地表沉降

高速公路拓宽工程典型软基路段经粉喷桩加土工合成材料加工处理之后的荷载与沉降变化实测曲线如图4所示。根据图4，拓宽新路基边坡中部较之拓宽新路肩的沉降量要小，究其原因，在于边坡中部的填土高度相对较低。在拓宽工程中，路基的填土具有连续性，中间就算有停歇，时间也不会很长，因而其沉降过程中会表现出比较大的曲线斜率。经测试，在整个填土期，沉降速率最大值只有8.0mm/d，意味着经过粉喷桩加固处理之后，路基稳定性与安全性可以得到保证，该加固技术可将快速加载的作用较为有效地发挥出来，有利于施工填土周期的缩短。

图4 粉喷桩加土工合成材料加固处理后典型路段荷载与表面沉降实测曲线Fig. 4 Measured curve of load and surface settlement of typical road section after DJM pile plus geosynthetic material reinforcement treatment

4 结语

为解决高速公路中迅猛增长的交通量所带来的巨大通行压力，进行公路拓宽是一种常见的方法。而由于拓宽过程中新老路基有不同的固结状态，故需要基于对不同路基软土情况的考虑，采用适当的地基处理方法，达到协调新老路基变形情况的目的。通过使用粉喷桩加土工复合材料技术进行软土路基的处理，可形成复合地基，对加固土层中桩土应力的分配情况作相应的调整，以此实现对不均匀沉降现象的减少，将软基的抗滑稳定能力加强，同时，降低软基中土的侧向挤出量。此外，还可将快速加载的作用较为有效地发挥出来，有利于施工填土周期的缩短。