采用不同软土加固方式研究箱涵过渡段路基沉降规律

2021-11-12李艳月

福建交通科技 2021年6期

■袁腾李艳月

（新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，乌鲁木齐 830000）

软土在河流密布的地区广泛分布，因其强度低、含水量高、压缩性高等特点不适宜直接在软土上填筑路基，因此有必要对软土进行特殊处理使软土地基承载力达到修筑道路的要求。当对软土地基加固后，填土压在软土地基上会导致软土地基发生沉降，特别是在箱涵过渡段的区域，对箱涵的地基进行较好地处理，地基较为稳定箱涵沉降量较少，同时箱涵为钢筋混凝土材料制作，材料刚性大不易发生变形[1-6]。因此在实际工程中，往往箱涵的沉降变形与过渡段的沉降变形不一致形成不均匀沉降，导致过渡段的路基发生开裂、变形，影响道路的施工质量。

1 工程概况

以新建的某高速公路为例，该高速公路位于软土广泛分布的地区，周边具有农田、村道等。由于高速公路需要跨越村道，所以在跨村道处修建箱涵，箱涵孔径约6 m、高度约4 m，箱涵内可以通行人车和过水。箱涵两侧为填土路段，填土高度为4 m，箱涵台背回填采用试验合格的中粗砂进行回填。为研究箱涵过渡段路基沉降规律，本试验在箱涵的两侧过渡段采用不同的软土地基加固方式，分别选取水泥搅拌桩软土加固方式和管桩软土加固方式，通过对比箱涵两侧不同软土加固方式的沉降数据，判断加固方式对箱涵过渡段的沉降的变化规律，并且分析过渡段与箱涵的不均匀沉降规律。

2 水泥搅拌桩与管桩地基加固方式

2.1 水泥搅拌桩加固方式

水泥土搅拌桩是软基处理的常用形式，水泥搅拌桩将水泥作为固化材料，通过使用搅拌桩机将水泥喷入土体并使水泥与软土充分搅拌，让水泥发生水化反应变硬，达到软土硬结而提高地基强度，形成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩，水泥搅拌桩复合地基横断面布置见图1。

图1 水泥搅拌桩复合地基横断面布置

2.2 管桩加固方式

管桩亦是软土地基的常用加固方式，通过使用专门的管桩打桩机振动或者静压的形式插打进入土体内部，在管桩的端部和桩身与土体产生摩阻力，管桩插打至规定位置后，在桩顶处浇筑桩帽，先铺碎石垫层及钢塑格栅，形成复合地基，从而达到对软土地基加固减少路基沉降的效果[7-13]，管桩复合地基横断面布置见图2。

图2 管桩复合地基横断面布置

经勘察和设计要求，箱涵的地基采用换填法进行加固，换填强度良好的土对地基进行处理并压实，然后进行垫层施工及箱涵钢筋混凝土施工形成箱涵的主体结构。

3 箱涵过渡段设置

箱涵的纵断面两侧分别采用了水泥搅拌桩和管桩的地基加固方式，箱涵的两侧过渡段范围填土高度基本相同。在箱涵中心线向大小桩号两侧每隔10 m，作为观测断面，单侧布置5 个断面则总共布置10 个断面。因此设定箱涵过渡段单侧长度为50 m，总共长度为100 m。在箱涵过渡段100 m 范围内，测定两种软土地基加固方式的路基沉降。过渡段断面布置形式见图3，并对两种软土地基加固方式的断面进行编号。

图3 箱涵及其过渡段纵断面布置

4 箱涵过渡段沉降观测方法

4.1 沉降观测元器件选取

沉降观测元器件选取为沉降板及接长装置，组成沉降观测管，通过设计一种适合软土路基使用的沉降板及接长装置，可以通过一次埋设，然后随着填土的增加不断增加接长装置，实现在路基填土期的沉降测量。软土路基沉降板及接长装置，由1 cm厚40 cm×40 cm 钢底板、直径30 mm 的长度30 cm空心钢管、2 mm 厚8 cm×8 cm 钢顶板及3 块三角固定钢板组成沉降板，见图4 和图5。

图4 沉降板外形

图5 沉降板及接长装置外形

4.2 测量断面设置方式

观测断面选取应该具有代表性，通过代表断面的监测以反应箱涵过渡段路基变形情况。为反应每个断面的沉降情况，沿路基横断面进行沉降点设置，每个断面设置3 个沉降点，分别是在道路中心线、左幅土路肩处及右幅土路肩处，布置情况见图6。

图6 沉降装置沿路基横断面布置

测量方式采用沉降板加接长套管的形式进行，在水泥搅拌桩和管桩桩帽施工完成后，并进行50 cm填土后，对路基填土反挖，埋设沉降板，进行初始度数记录，随着填土的增加不断使用接长套管接长沉降板，并测量沉降板高程度数，测量频率为每3～5天1 次，记录沉降板高程并计算沉降量。

5 箱涵过渡段沉降规律分析

箱涵过渡段沉降观测时间是从地基处理完成后填筑第一层填土后开始进行沉降观测，随着填土的增加沉降观测也持续进行，记录随着填土的增加路基的沉降速率和累计沉降值，当路基填土完成后在路基土上进行预压处理，期间继续进行沉降数据的观测，当预压完成后即可停止沉降观测。在工程施工中，先进行箱涵的施工再进行水泥搅拌桩和管桩的施工，然后进行路基土填筑，因此在进行路基沉降观测的同时，亦对箱涵的沉降进行观测，选取观测点的位置是箱涵的上部的4 个边角处、道路中心线与箱涵轴线交点处（分别命名为1 号断面～5 号断面），观测周期与路基观测周期相同。记录路基第1 层填土开始至预压结束期间沉降数据及该过程的累计沉降值，不同软土地基处理方式的路基沉降数据见表1。

表1 不同软土地基处理方式的路基沉降数据

根据不同软土地基处理方式的路基沉降数据绘制在箱涵过渡段的沉降变化曲线，观测时间为第1 层填土开始至预压结束（图7）；同时为更好反应第1 层填土开始至预压结束期间的累计沉降情况，绘制第1 层填土至填土完成阶段的沉降量变化曲线（图8）。从表1 和图7 可知：（1）箱涵的结构沉降变形比过渡段前后20 m 范围内的沉降小，二者差值约为13 mm，在箱涵过渡段的前段沉降数据差异明显，导致在箱涵背部的土体产生不均匀沉降，在箱涵背部土体容易导致裂缝产生，因此在箱涵台背的10～20 m 范围内采用集配碎石，这种压缩量小、刚度大、抵抗变形能力强的材料能降水箱涵台背的不均匀沉降；（2）采用水泥搅拌桩和管桩处理的软土地基沉降量，即在箱涵过渡段30～50 m 区间范围内，基本能够与箱涵沉降量相同，而且不同软土地基处理方式的沉降量也保持一致，过渡段与箱涵沉降量达到同步，减轻了不均匀沉降导致的开裂，因此水泥搅拌桩和管桩处理的软土地基能够起到加固软土地基的作用；（3）由于箱涵过渡段沉降基本呈现越靠近箱涵沉降越明显的特点，因此在填土过程中需要预留填土的预沉量值以保证路基的沉降与箱涵的沉降保持相同，避免不均匀沉降导致的开裂。