渝东北山区某涵洞地基加固处治技术

2023-11-08林永胜周小军

公路交通技术 2023年5期

林永胜, 周小军, 胡伟, 高佳

(招商局重庆交通科研设计院有限公司, 重庆 400067)

随着西部大开发和“一带一路”战略持续推进,我国高速公路网不断向山区延伸和发展,建设中常遇到软土地基路段[1-2],运营中的深厚软土段易出现路基下沉、路面变形、构筑物开裂等病害。针对各类工况下深厚软基处治,业界科技人员提出各种有针对性的处治方案。孙钧[3]针对港珠澳大桥不同部段软弱地基,采用多元复合地基处理方案,即岛隧过渡段深厚软基采用挤密砂桩复合地基加固处理,人工岛段软土层25 m～35 m局部困难地段采用PHC刚性桩。盛初根[4]针对闽南某高速涵洞沉降开裂,对设计截面200 mm×200 mm、桩长4 m～7 m的C25混凝土锚杆静压桩进行了加固处治,取得了较好的加固效果。畅良臣[5]通过分析山区高速公路路基高填方涵洞构造物处差异沉降处治问题,建立了不同填土高度涵洞模型,提出了改进格栅处理方案。房建功[6]探究了粤北某深埋软基段涵洞开裂变形病害机理,采用凿除涵洞底板增设横向布置间距(1+3+1)m的4排Φ108 mm钢花管注浆,顶部浇筑混凝土与涵洞连为整体的处治方式以控制沉降。这些方案均是特定工程环境下采取的针对性方案,有一定的参考,但非普适方案。

本文针对渝东北山区某高速公路高填方涵洞,基于对深厚软土段地形、地貌和地质条件的详细调查和对涵洞差异沉降病害原因的分析,提出多种处治方案并比选,依据理论计算和监测数据结果,以检验工程实际加固效果,验证方案可靠性,为今后山区公路结构物基底深厚软基处治设计提供经验和参考。

1 工程概况

该项目为双向4车道高速公路,设计速度为80 km/h,路基宽度为25.5 m,沥青混凝土路面,设计荷载等级为公路-Ⅰ级,交通工程及沿线设施等级为A级。涵洞地处TJ3合同段YK29+700中坝互通段,为2孔6.0 m×5.0 m钢筋混凝土盖板涵洞,顶板厚度1.2 m～1.3 m,采用C40钢筋混凝土结构;边涵台和中涵台厚度分别为1.2 m和2.0 m,采用C30混凝土结构;基础为整体式,厚2.0 m,采用C30混凝土结构,涵洞轴线与路线夹角30°。

1.1 工程地质

涵洞区域属于构造-侵蚀低山及河谷堆积地貌区,地表水受大气降水和中坝河支流补给,调查期间涵洞附近水深0.4 m～0.6 m,流量2.3 m3/s,洪水季节,最大水深1.5 m～2.5 m,流量36 m3/s。该范围富水性较丰富、稳定,主要向低洼处排泄。

图1 勘探钻孔布置及岩芯

1.2 涵洞病害成因分析

该涵洞原设计为一座2孔6.0 m×5.0 m钢筋混凝土盖板涵洞,基底采用2.5 m厚碎石进行换填,洞顶为填石路基,填筑最大高度为16.1 m。路堤填筑至设计高度后,涵洞各部位均出现了不同程度的病害,主要表现为涵台横向开裂、涵节纵向错台、局部混凝土挤压破损等,如图2所示。两侧台身裂缝主要分布在涵台与底板倒角位置顶缘,张开度较小,裂缝宽度5 mm～10 mm;中墩裂缝主要分布在大里程方向中间部位,裂缝延伸至两侧沉降缝,张开度较大,裂缝宽度10 mm～30 mm,底板未发现裂缝;局部涵节出现纵向错台,错台高度20 mm～60 mm;部分涵台及顶板因沉降变形受挤压导致混凝土局部开裂。

图2 涵洞主要病害情况

结合钻探结果,涵洞基底下方为厚度5 m～19.5 m的淤泥质粘土,颜色呈深灰色和灰黑色,干裂面存在大量黑色有机物。土工试验表明,该部分淤泥质粘土样天然孔隙比大于1.0,压缩系数大于0.50 MPa-1,天然含水量大于35%,接近液限,承载力弱,抗剪强度低,压缩性高,且遇水饱和承载力急剧降低,极易引发较大沉降。

钻探地质剖面揭示,岩土界面等高线起伏较大,场地土层分布极不均匀,涵洞横剖面小桩号涵身位于压缩性较小碎石土层,大桩号涵身位于压缩性较大淤泥质粘土层,数米范围跨越2种完全不同性质土层,加剧了涵洞不均匀沉降。

涵洞设计为盖板涵结构,基础采用钢筋混凝土,横向宽度17.0 m,厚度2.0 m,整体刚度较大;涵台采用素混凝土,地基不均匀沉降引起涵台产生内应力;而涵洞又位于高填方路基段,顶部最大填高16.1 m产生较大竖向荷载;在内外应力共同作用下,涵台出现开裂、错台、局部挤压破坏。

2 地基加固处治方案

2.1 地基加固方案比选

涵洞净高和基础底板厚度为施工主要限制条件,单孔净高5 m,底板钢筋混凝土厚2 m。针对该项目特点,提出高压旋喷桩[7]、锚杆静压桩[8]、预制桩[9]、树根桩[10]等多种处治方案,对不同类型复合地基处治方案综合比选,如表1所示。

表1 涵洞基底软基处治方案技术对比

综合对比分析表1,确定采用涵洞底板小孔径引孔+小直径桩高压旋喷桩进行地基加固,可最大限度减小对底板钢筋破坏,并提高承载力控制涵洞基底的不均匀沉降。

2.2 高压旋喷桩设计

涵洞基底采用旋喷桩进行处治,高压旋喷桩地基加固设计如图3所示。

(a) 典型断面

褥垫层采用涵洞原换填碎石层;旋喷桩桩径为0.5 m,桩长进入底部碎块石土层不小于1 m,靠近涵洞边墙位置,边桩按与竖直方向向外侧成5°倾角向外侧施工;依据承载力要求不同,桩间距按不同间距布置,结合涵洞底板单个标准节段(6 m×4 m)及钢筋布设情况,进水口侧处治范围约72 m,桩位按0.74 m×1.0 m矩形布置,每个重复单元置换率0.23,主筋截断数少于4根;出水口侧处治范围约46 m,桩位按0.74 m×0.8 m矩形布置,每个重复单元置换率0.33,主筋截断数少于5根。

2.3 高压旋喷桩承载力及变形计算

1) 承载力计算

涵洞基底为5 m～19.5 m不等淤泥质粘土层,当地基受力层范围内有软弱下卧层时,应满足软弱下卧层承载力要求。选择最不利典型断面,简化计算模型如图4所示,土体主要物理力学参数如表2所示。土层软弱下卧层地基承载力由式(1)进行理论推算[11-12]:

表2 岩土物理力学参数

图4 典型断面简化计算模型

Pcz+Pz≤faz

(1)

式中:Pz为软弱下卧层顶面处附加压力值,kPa;Pcz为软弱下卧层顶面处土的自重压力值,kPa;faz为软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值,kPa。

软弱下卧层地基承载力验算结果如表3所示。由表3可知,经旋喷桩处治后,软弱下卧层满足承载力要求。

表3 经旋喷桩处治后下卧层承载力评价

2) 变形计算

地基变形计算深度按简化公式计算,其中b为基础宽度,m;结合地质断面软基厚度,综合确定变形计算深度26 m。沉降变形计算由式(2)进行理论推算[11-12]:

(2)

各断面最终变形值、淤泥质粘土层变形值、施工期变形值和工后变形值验算结果如表4所示。表4结果表明,经旋喷桩处治后,各断面工后沉降均小于200 mm,满足规范要求。

表4 经旋喷桩处治后不同时期沉降变形计算值 mm

2.4 现场变形监测

为观测涵洞基底地基变形发展,实时掌握沉降变化情况,保证施工过程安全性,对涵洞加固处治前、加固过程中及加固处治后竖向位移进行了监测,测点布设如图5所示,各测点竖向位移监测结果如图6所示。

图5 变形监测点布置

(a) 边墙底测点累积竖向位移

由图6可知,方案变更前原设计监测点累积竖向位移从平稳变化至急剧增大,该阶段涵洞基底土体经历从局部剪损发展为整体破坏过程;采用洞内底板小直径引孔+高压旋喷桩地基处治变更方案后,监测点累计竖向位移由持续变大向平稳变化转变,该阶段随旋喷桩强度逐渐形成,基底软弱土层变形逐渐得到控制。监测数据显示,2023年5月较2023年4月各测点沉降差最小值-0.2 mm,最大值-2.9 mm,2023年6月较2023年5月各测点沉降差最小值-0.1 mm,最大值-1.2 mm,连续2个月观测沉降差均不超过5 mm[13],地基处治效果显著。