高速公路改扩建深层软基管桩施工工法研究

何龙江，杨泽涵

(1.贵州省公路勘察设计院有限公司，贵州 贵阳 550000；2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430100)

随着我国经济建设的进一步发展，区域间互联互通更加密切，前期双向四车道高速公路运输能力问题更加凸显，特别是沿海地区道路扩容提升需求迫切，四改八等高速扩建如火如荼，扩建中各种问题突出，如交通保通复杂、用地受限、跨线净空不足的路基抬升、深层软基段的路基拼接处治困难、废料利用等。

对于拼宽段的深层软基，特别是沿海地区冲积平原地貌，软土层性状复杂、夹层较多、含水量高、孔隙率大、有机质含量高、老高速公路路基施工原因导致的沿线土杂填石严重，土质很不均匀，导致目前对地基处理方案的选择极其困难，后期变更较多，目前拼宽深层软基路段常用处治方案有换填、水泥搅拌桩、高压旋喷桩、预应力管桩、轻质土+复合地基等。水泥搅拌桩在含水量高、有机质含量高及地基杂填石路段适用性不强，高压旋喷桩适合一些净空受限路段，由于高速扩建一般情况下工期紧张，考虑雨季施工等各种不利影响，需要在地基处理快捷并且保证工程质量，所以预应力管桩在高速公路改扩建中得以大规模的应用，目前深层软基的研究及设计主要采用有限元如ABAQUS等，分析知道新拼宽路基宽度不同情况下新旧路基总体沉降曲线形状及最大沉降点位置，为了尽量减小新旧路基的差异沉降，控制填筑后导致的差异横坡，地基处理的范围应尽量靠近老路基硬路肩边缘，覆盖盆型沉降影响较大的范围，这样势必产生在老路坡体上的桩体施工，目前在拼宽高速公路的管桩施工中产生了很多工艺工法。

1 目前国内高速公路扩建软基管桩施工工法介绍

在总结如广佛、佛开等扩建高速的基础上，目前的管桩施工工法有低填方一次平台施工和高填方二次及多次平台施工。同时针对性的在如桥头路段配合采用轻质土填筑，加速工期的堆载预压的复合处治方案等，尽量减小后期的工后差异沉降，此工法在理论上是可行的，从实际来看，对于原地表本身存在硬土壳层、原老路边坡土填筑质量较好开挖不存在老路垮塌风险路段及大段落施工中是可行的，这样机械进场及运输等不存在问题，且由于管桩量大，设备进场费用等可以分摊消耗掉。

2 广东开阳扩建项目管桩施工关键问题分析

(1)本项目由于沿线鱼塘多、表层淤泥化，缺乏管桩机械设备进场的条件。

(2)本项目老路边坡经开挖发现表层土土质疏松、部分路段存在黏土包边的吹填砂路基，路基开挖存在老路边坡塌方的风险，对运营状态的高速公路不可取。

(3)本项目进场施工处于雨季且雨季较长，开挖老路边坡遇水滑塌风险较高。

(4)本项目软基段落比较零碎，大规模施工困难，高填方较多且工期紧张，采用二次平台施工管桩设备进场费用高且严重影响工期。

(5)即便是一次平台施工，由于坡脚较远，最靠老路侧一排桩需要开挖老路坡脚，且最内排管桩受管桩施工设备影响施工困难。

3 本扩建项目管桩施工处治对策

选择以不能减弱管桩处治路基差异沉降的功能为前提，同时能够压缩工期、减少设备的投入、能连续化施工、提高老路运营安全为研究重点。为此确定了以下方案。

对于填方高度高于7 m的深层软基路段，考虑填筑高施工平台导致后期由于管桩桩帽下部填方与桩帽处差异沉降造成的桩帽底与下部填土脱空以及管桩的高桩稳定性，可视情况采用管桩矩形布置并在桩顶设置联系梁形成高桩承台，加强管桩间整体受力，避免管桩压曲及维持复合地基处理效果。同时对于超低填方路段也应进行矩形管桩布置+系梁，避免管桩+土工格栅土拱效应造成的路面波浪形状，其采用的机理如下。

常规的管桩柱网复合地基的传荷机理为：上部碎石层通过应力扩散将上部荷载均匀的传递到土工格栅上，当上部荷载较小时，土工格栅变形较小，此时传递到桩上的力也小，此时桩土应力比比较小，管桩没有发挥多大的作用，随着上部荷载的增加，土工网变形增大，挠曲成网兜状，拖拽管桩往下，此时桩土应力比增加，管桩承载力得以有效发挥，反过来减小上部沉降。但是这种传荷路径是以上部大变形为代价的。

对于本项目这种先填筑高平台施工且上部填方较高时，由于前期填筑施工平台的先期下沉与后期管桩施工上部填土的时效差复合沉降影响，会导致管桩桩帽底土脱空，进一步加剧上部填土下沉，土工格栅可能受力过大断裂导致复合地基处理失效，因此应设置刚度不太大的管桩间系梁，协调这种变形差，通过系梁强化土工格栅将桩间土受力传递到桩上，桩再将力传入下部土层，当然对于系梁不能设置过于刚性，这样才能产生介于复合地基与桩基处理之间的一种过渡方案，充分利用桩间土受力，形成复合地基处治效果，不然就会形成桩直接受力而桩间土没有参与作用，形成桩基结构，不符合复合地基的原理。

通过分析可知由于框架系梁+管桩的桩筏模型复合地基处治方案比管桩+土工格栅的柱网模型的桩土共同受力模型更加刚性，桩土应力比更大，这样能减小桩间土的受荷分担，能够在一定程度上克服先期填土的时效影响导致的桩帽底脱空导致的上层填土下沉影响。

同时这种方案对上部低填的深层软基段也有很好的用处，因为管桩+土工格栅的柱网模型以土工网大变形为发挥作用前提，这样可能导致路面波浪状，设置系梁能避免这种路面波浪状病害。

4 先填筑施工平台后一次施工管桩工法效果评价

(1)此管桩施工工法简化了施工步骤，避免了设备多次进场，同时先期填筑的平台可以兼做管桩等的运输通道，便于连续化施工，极大的缩减了施工工期，虽然增加了管桩长度，但总体而言降低了工程综合成本。

(2)通过选择2处先期施工的实验段监测资料，对施工工法进行佐证。

表1 K3218+943～K3219+090右幅(鱼塘段)地质钻孔资料

图1 K3218+900～K3219+080拼宽路基右侧累计沉降曲线

图2 K3218+900～K3219+080拼宽路基右侧累计位移曲线

表2 K3233+370～K3233+440右幅，地质钻孔资料

根据监测数据显示，该2段软基监测断面沉降、位移均小于预警值，经过一段时间的沉降稳定，后期沉降斜率趋于零，且通过深层测斜管测量未发现深层滑动面， 综合判断该路基处于稳定状态， 对后期路面结构铺筑不存在影响，因此此工法是可行的。

图3 K3233+370～K3233+440拼宽路基右侧累计沉降曲线

图4 K3233+370～K3233+440拼宽路基右侧累计位移曲线

同时应根据淤泥层位及厚底，淤泥下卧层的不同土质，通过实验段研究不同桩长、下卧层土质类别、需求承载力与锤击标准的关系。本项目下卧层根据统计主要为：全风化花岗岩层、强风化花岗岩层和砂层等，在进行大规模施工之前进行分下卧层土类别、 分施工工艺如静压桩还是锤击桩、 分填土高度、分桩距的的实验段研究，研究不同情况下的桩土应力比、复合地基承载力、下卧层贯入度、锤击法收锤标准、静压法油压控制标准等的相关关系，这样为大规模施工、控制后期的差异沉降提供了实验基础，避免了人为为保险起见的过于提高收锤标准等，避免管桩打入过长造成的浪费。

5 结 语

高速公路扩建拼宽的深层软基处理中，需要综合考虑如工期成本、方案可靠及可操作性、实验检测的便利性、地层条件、减小施工干扰等各种因素，注重地基处治方案的工法研究，这样才能使方案能顺利落地，通过本项目的实验研究：先期填筑施工平台+后期管桩施工的方案是可行的，值得推广，这种方案极大的缩短了工期成本和便于施工作业，极具可操作性。不足之处即对先期填土平台与管桩桩帽底脱空这个弊病及桩+系梁地基处理模型需进一步研究，便于理论指导设计施工。