高速公路软土路基加宽工程施工技术研究

2022-07-14张晓敏

交通世界 2022年18期

张晓敏

（京藏高速公路张家口管理处，河北张家口 075000）

0 引言

路基修建时常会遇到膨胀土、软土、盐渍土等特殊路基，这些路基施工前需要对土质进行特殊处理，否则极易造成严重事故。尤其是在滨海地区，分布着众多的河流与湖泊，导致地下土壤中含水率较高，土在这些地下水的长期作用下，逐渐变成含有较多淤泥、泥炭的软土，软土由于含水率高、大孔隙、压缩性高、承载能力低的特性，在软土地基加宽施工过程中容易出现问题。因此，本文依托实际工程，对项目工程土壤土质、路基样式、路面病害进行调查分析，调查结果表明，原路基需要重新施工并且还要加宽处理[1]。

1 工程概况

1.1 原路基土质调查

某高速公路位于平原地区，全线长78km，设计车道为双向四车道，设计车速100km/h，起点桩号为K2420+000，终点桩号为K2498+000，路基宽31m，路基平均填高4m，最大填高6m，最小填高3.2m。根据对此地段道路水文地质探测结果发现，项目路段所在地区软土较多，其中粉黏土、软土含量较多，约占49%，由于软土含水率较高，导致结构疏松。据估算，软土地基地段超过20km，约占20.1%。从地势来看，工程区东高西低；道路在施工期间遇到淤泥质黏土和松散粉细砂层，施工难度大，若处治不当，极易引起服务期路基路面的开裂情况，造成桥头跳车和坑槽、裂缝等病害。对道路土质物理性能和颗粒组成进行试验研究，结果如表1所示[2]。

表1 试验路段土质物理性能和颗粒组成

1.2 原路基路面调查

项目路段地形平坦，地下水位高、路基填土高度不一、地基长期受地下水浸泡及海水冲刷等，因此需要提前做好相应的处理措施。为确保本项目路基施工后可以长期保持稳定，本项目选取K2430+000—K2431+000标段作为试验路段，并对此试验路段展开研究，研究结果作为本项目施工的参考依据，以使整条道路路基沉降量较小，承载力可以达到设计要求。本项目工程高速公路路基样式如表2所示，路面结构层样式如表3所示。

表2 高速公路路基样式

表3 （续）

表3 高速公路路面结构层样式

1.3 原路面病害调查

该条公路于2000 年正式通车，道路交通量逐年递增，且行驶在该条道路的重载货车数量也随之增加，导致路面出现不同程度损坏，对K2430+000—K2435+000进行路面病害调查，调查结果如表4所示。

表4 原公路路面病害情况

2 施工工艺

为研究高压旋喷桩技术加宽高速公路软土路基对施工质量的影响，本文选取项目工程K2430+000—K2431+000标段作为试验路段，采用高压旋喷桩技术进行施工。

2.1 施工原理

（1）高压喷射破坏土体

利用机器高压喷射破坏软土地基，但施工过程中高压泵操作压力不宜过大，应根据复合地基承载力调整工作压力，当工作压力高于25MPa 时，空气中喷射力过大导致土体破坏；当工作压力低于5MPa 时，空气中喷射力不足以冲毁土体，因此需要控制高压泵工作压力[3]，复合地基承载力标准值计算如下所示：

式（1）中：fsp,k为复合地基承载力标准值（kPa）；fk为天然地基承载力标准值（kPa）；m为面积置换率（%）；n为桩体与土体应力比；Ap为CFG 单桩截面面积（m2）；β为旋喷桩间土体强度折损系数，一般取0~0.5；Rk为旋喷桩单桩承载力标准值（kN）。

（2）水气同轴破坏土体

由于只喷射水流破坏能力较大，在处理碎石层、黏土层和卵石层可以较好地破坏土层，但在处理软土层时会对土层造成较大的损害，且随着喷射时间增加，导致土体破坏的有效范围大大减小，因此需要将高压旋喷机器设置为同时喷射水流和空气，喷射的空气使土体周围的细小颗粒被吹走，改善水流喷射施工条件，并且还可以有效减小喷射阻力，降低能耗的同时，还可以增强高压射流的破坏能力[4]。

（3）水泥与土的固结作用

经过压密过程和破坏过程，使土体发生破坏，水泥浆液从土颗粒孔隙向土体更深处流动，最终凝固成型，增加土体密实度和强度。

水泥浆液喷射施工完成后土层内部土颗粒会重新排列，由于喷射水泥，导致水泥与土形成的固结体内部水泥的含量急剧增加，不同土壤颗粒与水泥形成的固结体强度不一样，砂土与水泥形成的固结体的抗压强度为10~20MPa，黏土和黄土与水泥形成的固结体抗压强度为5~10MPa。

水泥与土形成的固结体内部由于土壤颗粒数量较少，且还有气泡存在，但是每个气泡并不联通，在外部包裹密实的水泥外壳，因此旋喷桩内部具有很强的抗渗透性。

2.2 施工要点

（1）施工前准备工作：根据施工现场工程量，对工期、工作安排、所需人员及施工设备进行合理的设计。随后整平场地，安装设备仪器。

（2）根据设计图纸并依据实际情况，计算水泥用量，制备并储备水泥。根据理论计算和实践经验，布孔位置通常选择在软土地基加宽路段，孔位布置法采用基层孔和土基孔双层布法，由于本项目施工是路基加宽工程，故在布孔时考虑加固距，通常为1.3m 且呈“品”字形。

（3）使用XJ-100 型钻孔机械，按照设计图纸标记的孔位进行钻孔施工，保证每个孔位深度达到施工要求，钻孔直径80~100mm，注浆深度根据注浆所需要的具体厚度确定。钻孔工作完成后，清除每个钻孔内部的砂卵石等杂质，采用喷射水流处理内部杂质，调整喷水压力为3MPa，并且采取自下而上的方式进行清扫，喷头速度为0.1m/min。

（4）高压旋喷水泥桩技术采用自下而上的方式进行旋喷，旋喷速度为20r/min，调整喷头压力为25~35MPa。根据地质条件适当调整，遇到砂砾层时减小喷头压力，遇到碎石层、黏土层和卵石层应增大喷头压力。注浆压力控制在0.5~1.0MPa，当压力稳定后再稳压1min 后卸压浆管。施工时压浆管不宜过长，否则会由于施工时间过长而导致浆液凝固堵塞管芯。

（5）为了满足施工质量和设计的要求，需要进行复喷，采取提高喷射压力与提升速度的措施。待浆液凝固后压浆口采用水泥砂浆抹平封口，截断渗透水流。

2.3 路用性能检测

（1）填筑高度

为研究旋喷桩注浆厚度对加宽软土路基施工质量的影响，本文选取工程K2430+000—K2431+000 标段作为试验路段，采用注浆厚度为0cm, 50cm, 100cm,150cm, 200cm, 250cm 进行路基加宽施工，施工完成，检测K2430+000—K2431+000 标段路基回弹弯沉值，检测结果如表5所示，注浆厚度与路表回弹弯沉值关系如图1所示。

表5 项目工程K2430+000—K2431+000路表回弹弯沉值

图1 注浆厚度与路表回弹弯沉值关系

由图1 可知，注浆厚度从0cm 增加到100cm，路表回弹弯沉值从384mm 减少到190mm，弯沉值减少率达58.6%；当注浆厚度从100cm 增加到150cm 时，路表回弹弯沉值从190mm 减少到172.6mm，弯沉值减少率为9.1%；而注浆厚度从150cm增加到250cm时，路表回弹弯沉值在171mm 附近小幅度波动，试验路段路表弯沉值随着注浆厚度先增加后趋于稳定，因此根据施工成本和工程质量，推荐最佳注浆厚度为150cm。

（2）时间

为研究高速公路软土路基加宽施工技术，本文选取工程K2430+000—K2431+000 标段作为试验路段，在施工完成后第12d,30d,50d,80d到350d，通过路基加宽施工埋设的设备观测路基横断面沉降量，检测结果如表6 所示，观测时间与路基横断面沉降量关系如图2所示。

表6 项目工程K2430+000—K2431+000路基沉降量

图2 不同时间路基沉降量

由图2 可知，路基沉降量随着时间的推移缓慢下降，在第0d 到第50d，路基沉降量从0 增加到1.5，此时旋喷桩强度并没有完全形成，导致路基发生沉降，而第50d到220d，旋喷桩强度已基本形成，能够较好地稳固软基，因此路基沉降量小幅度改变，但第270d 到350d，路基沉降量从2.6增加到3.8；对观测时间与路基沉降量进行线性分析：y=-0.3209x+0.1164,R2=0.9402，路基沉降量随着时间的推移缓慢下降，因此要注意旋喷桩后期养护工作。