高速公路水泥土（灰土）挤密桩施工技术应用

任志强

摘要 水泥土（灰土）挤密桩是一种新型高速公路路基施工技术，可以对路基原状土进行横向挤压，消除路基湿陷性，整体工艺操作成本较低，效果较佳。因此，文章以一个高速公路水泥土（灰土）挤密桩施工项目为例，简单介绍了水泥土（灰土）挤密桩施工技术应用方案、流程及质量问题预防要点，探究了水泥土（灰土）挤密桩施工技术应用效果，希望为水泥土（灰土）挤密桩在高速公路施工中的应用提供一些参考。

关键词 高速公路；水泥土挤密桩施工；灰土挤密桩施工

中图分类号 U416.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）24-0135-04

0 引言

近几年，各地高速公路建设里程持续延长，作业困难水平持续上升。在高速公路全线建设期间，遇到湿陷性黄土路段的风险较高。湿陷性黄土是一种欠压实土体，并未达到饱和状态，相对干密度较小，内部空隙率较大，极易在荷载作用下出现沉降变形。水泥土（灰土）挤密桩是一种可操作性较高的湿陷性黄土处理工艺，将其应用于高速公路黄土路基施工中，有望提高路基整体稳定性。因此，探究高速公路水泥土（灰土）挤密桩施作技术的应用具有非常突出的现实意义。

1 高速公路水泥土（灰土）挤密桩施作项目一高速公路UHSG-4标段起止桩号为K77+765.618～K100+124.274，全长22.359 km。公路设计速度120 km/h，双向六車道。该高速公路路基宽为34.5 m，地基处理范围超出路基排水沟外1 m。

公路沿线分布于黄土台地区，全线湿陷段落长9.263 km，主要为原生湿陷性黄土，Ⅱ级非自重湿陷性，浸水后易沉陷，厚度不均。对于无法满足工后沉降要求的桥头段落，拟采用水泥土（灰土）挤密桩补强处理，分两个阶段开展，第一个阶段主要处理主线桥梁桥头、过渡段等23个工点，共计21.3万延米，计划75 d完成施工作业（忽略挖方、互通交通导改等客观因素影响）；第二个阶段主要处理互通挖方段过渡段等10个工点，共计5.3万延米，计划60 d完成施工作业。

2 高速公路水泥土（灰土）挤密桩施作方案

高速公路水泥土（灰土）挤密桩主线共计处理长度1 091.1 m，水泥土（灰土）挤密桩28 983根，长度208 577 m；互通共计处理长度972 m，水泥土（灰土）挤密桩9 028根，长60 647 m，局部工程量见表1。

水泥土（灰土）挤密桩处理划分为桥头段、桥头过渡段，各段落处理参数见表2。

高速公路水泥土（灰土）挤密桩处理纵断面、半横断面分别见图1、图2。

图1中，1为桥头过渡段；2为桥头段；3为桥梁；4为路床；5为原地面整平高程；6为处理至溜坡坡脚；7为40 cm 4%水泥土垫层（或质量比1∶4的灰土垫层）；8为水泥土（灰土）挤密桩；9为桥台钻孔灌注桩。

图2中，1为路床顶；2为路床；3为边坡坡度，1∶00；4为40 cm 4%水泥土垫层（或质量比1∶4的灰土垫层）；5为路基中部填料；6为护坡；7为临时排水沟；8为水泥土（灰土）挤密桩。

3 高速公路水泥土（灰土）挤密桩施作流程

3.1 材料设备人员准备

根据现场作业要求，准备P.042.5级普通硅酸盐水泥、粉质黏土（有机质含量小于5%）、Ⅲ级以上消石灰（有效氧化钙与氧化镁总含量超出55%，粒径小于5 mm），并提前进行质量检测，确定消石灰内无未熟化生石灰块粒及杂质，粉质黏土内无表层耕土、瓦砾、生活垃圾或砖块。水泥与土体积比为1∶4[1]。在土的天然含水量达到20.5%、土的天然湿密度为1.85 g/cm3、水泥密度1.12 g/cm3时，水泥计量比为18.5∶100；灰土比例为3∶7，灰土含水量在16%左右。在确定水泥土或灰土各种用料计量准确情况下，利用挖掘机与装载机配合的方式，均匀拌和，确保混合料外观色泽均匀一致。

根据高速公路水泥土（灰土）挤密桩施工要求，结合现场用地情况，有序组织柴油锤打桩机（DCB60-15）、强夯机（BWQH35）、挖掘机（PC200）、吊车（25 t）、装载机、洒水机、发电机（50 kVA）进入现场。需要注意的是，若选择灰土挤密桩施工，应提前准备消解设备处理生石灰，如石灰粉碎消解机等[2]。

根据现场计划作业工点，提前安排现场负责人、安全员、技术员、电工、普工等人员进入高速公路水泥土（灰土）挤密桩施工现场。在上述人员入场后，陆续组织装载机司机、汽车吊司机、打桩机操作手、打夯机操作手、挖机司机入场。

在设备人员进场后，根据设计参数，选择面积超出400 m2的场地开展工艺性试桩试验，以确定具体的水泥土（灰土）挤密桩施工参数，为大面积作业做好准备[3]。试桩第一步，控制放料时间为2 s、夯击时间为8 s，夯锤提升高度为80 cm；试桩第二步，控制放料时间为3 s，夯击时间为9 s，夯锤提升高度为80 cm；试桩第三步，控制放料时间为3 s，夯击时间为10 s，夯锤提升高度为80 cm。试桩操作过程中，技术人员应根据规范要求进行前后测试，包括标准压实度、复合地基承载力特征值、桩间土挤压系数等，在检测水泥土（灰土）挤密桩施工效果的同时，将水泥土（灰土）挤密桩施工前后数据进行对比，检验处理地基与设计要求差距，有针对性地调整，确定正式的水泥土（灰土）挤密桩施工参数。

3.2 孔位布置

孔位布置前，清除场地表面石块、树根、垃圾、农作物等地表附着物，将素土回填到低洼路段并机械碾压至设计高程（压实度大于85%）[4]。根据区段地基土最佳含水量要求，提前进行增湿，确保地基土含水量超出12%。根据桩位设计图，高速公路水泥土（灰土）挤密桩梅花形平面布置见图3。

图3中，1为水泥土（灰土）挤密桩，桩点为正三角形，桩长为施工图设计长度，桩径为0.5 m；d为桩间距，1.5 m和1.8 m。根据图3，技术人员可以成排放出中桩、边桩，并结合原有路基边桩、坡脚桩、中桩、断面桩位置，利用钢尺、挂线逐一测量设计桩位，桩位与路中心维持一定距离，各个桩位均用木桩固定，或者利用电钻钻孔灌入白灰标记桩位，各孔对应桩位顺次编号，确保桩位、桩量与平面分布间距均与设计要求相符。

3.3 成孔控制

根据图3，技术人员在平整坚实场地设置桩机（必要时铺垫钢板），确定桩机底盘水平。随后技术人员可以调整桩机位置，确定桩机沉管尖端对准桩位（尖端与桩位偏差小于10 mm），桩管与地面呈90°（偏差小于1.5%），扩桩机架保持水平。确认桩机位置无误后，技术人员可以根据设计长度，借助沉管挤密法隔排（或隔桩）跳打成孔，由外向内操作，同排成孔间隔2孔，相邻桩孔中心距离相同，控制孔距偏差≤±100 mm，孔径与孔深均≥设计值。成孔期间，桩机维持平稳，将带有特制桩尖的钢制桩管对准桩位打入土层至设计深度，轻轻击打缓慢下沉后缓慢拔出。同时技术人员应控制拔管速度，在拔管前停顿10 s左右，确保成孔完整性。若拔管阻力较大，技术人员可以将宽5 cm、厚1.2 cm的环箍增设到桩尖、桩管连接部位，降低拔管阻力。

成孔后，技术人员应及时清理孔底杂质，利用打夯机平整密实夯击，夯击次数为8次及以上[5]。进而逐一检查孔中心垂直度、位移、深度、孔径，确认无误后利用盖板覆盖孔口，准备进行下一道工序作业。

3.4 回填夯击

回填前，技术人员应记录实测虚土厚度、实际孔深与设计桩长差值，确定虚土厚度小于500 mm时，利用直径小于桩孔直径9～12 cm的100 kg及以上重量夯锤夯击孔底，直到发出清脆声响。若虚土厚度超出500 mm，则需要进行复打处理，一般第1遍夯击能为2 000 kN·m，第2遍夯击能为1 000 kN·m。

确定桩孔内无杂物、积水且底部已整平稳固后，技术人员可准备前期拌和的水泥土或灰土（拌和时间小于6 h），均匀回填至孔内[6]。回填后，立即将夯机对准桩孔中心，借助夯锤自由下落由外向内间隔进行夯实，最大夯击能设定为2 000 kN·m，落锤与土体顶面高差超出200 cm，夯锤提升高度超出60 cm，夹杆锤与土体顶面高差超出60 cm，锤地面静压力超出20 kPa，每锹土夯击次数超出5次，桩间土挤密系数超出0.9，桩体内平均压实度超出93%。若夯打时出现严重缩颈问题，技术人员可以向孔内填入生石灰块或干砂、干水泥、粉煤灰、碎砖渣，降低含水量，合理控制桩的有效挤密范围。

在桩顶设计标高上预先留设40 cm左右厚的覆盖土层，待成桩检测合格后，将预留土层挖除，重新铺设40 cm厚水泥土拌和垫层（或质量比1∶4的灰土垫层），水泥土质量比为1∶25，确保桩间土天然地基承载力达标。

水泥土（灰土）挤密桩成型后，技术人员应加铺塑料薄膜进行养护，控制养护期间环境湿度均匀变化，并加强交通管制，持续养护7 d及以上。

4 高速公路水泥土（灰土）挤密桩施作质量问题及预防

4.1 缩颈堵塞

土层含水量过大、工作段安排不恰当、成孔后未及时清底等，均会引发高速公路水泥土（灰土）挤密桩缩颈堵塞问题。基于此，一方面，在土层含水率较高的水泥土（灰土）挤密桩施工时，技术人员应预先采取井点降水法，将土层含水率降低至设计限度内，直到水泥土（灰土）挤密桩全部施工完毕且桩体凝固。对于个别无法实施井点降水的长桩，可以在8 m以上桩长位置借助沉管挤密成孔，8 m以下桩长位置则借助电动洛阳铲掏孔，减少地下水头向孔口位置涌动引发的堵塞缩颈现象。另一方面，在施工期间，技术人员应严格贯彻先外排施工后内排施工的原则，同排施工间隔1个或2个孔成桩，打一孔即清理底部杂物，并夯实、平整孔底，确定孔底水平情况下回填灰土或水泥土，回填孔后进行下一个孔打设，避免打孔位置振动挤压引发相邻桩缩颈或堵塞现象。

4.2 桩身疏松

高速公路水泥土（灰土）挤密桩桩身疏松问题与桩身回填夯击不密实具有较大关系。在成孔深度与设计规定要求相符情况下，技术人员应先夯击孔底3锤或4锤，根据试桩要求，边回填边夯击。对于个别持力层范围内（5～10倍桩径深度范围），应适当增加锤击次数，每次锤击用夯锤重量应当超出100 kg，且夯锤型号为梨头锤（或枣核形锤），避免选择平头夯锤，以密实夯击边缘土，避免边缘土疏松问题。同时在现场回填夯击操作时，技术人员应注重均匀拌和回填料，严格控制回填料的含水量，确保每一个桩孔回填用水泥土或灰土与计算用量基本相符。

4.3 桩身断裂

高速公路水泥土（灰土）挤密桩桩身断裂与桩孔回填不均、夯实不密实、桩身弯曲超出规定、桩尖偏离桩纵轴线过大、桩回填夯击期间遇大块坚硬障碍物等有较大关系。因此，在均匀回填水泥土或灰土拌和料的基础上，技术人员应根据高速公路水泥土（灰土）挤密桩设计方案以及试桩参数，结合桩体压实系数超出0.93、桩间土挤密系数超出0.97，进行严密监测，及时发现桩回填夯击参数与设计参数偏差，及时调整并清除障礙物，确定桩体夯击质量达标。期间，技术人员应依据桩总数0.5%的标准，抽样观测桩身弯曲度以及桩位与桩纵轴线偏差，及时调整，确保桩弯曲度偏差小于1.5%，桩位与桩纵轴线偏差小于0.25d（d为桩径）。

5 高速公路水泥土（灰土）挤密桩施工技术应用效果

在水泥土（灰土）挤密桩间填料养护作业进入尾声时，依据总孔数1%（≥9孔）的标准，开展填料压实质量检测[7]。填料压实质量检测时，需要从桩顶填料着手，取土样进行土层干容重检测，将实测土样干容重与标准干容重对比后得出结果，计算公式如下：

式中，K——压实度；ρ——土料干容重（N/m3）；ρd——土料最大干容重（N/m3）。将检测结果代入公式后，检测结果见表3。同时，依据总桩孔0.3%（大于等于3孔）的标准，进行桩间土挤密效果检测，检测结果见表3。桩间土挤密效果检测时需要从桩顶高程向下0.5 m开始，依据每1 m取2个土样的标准，进行土层干密度检测，其中一个土样位于桩孔外100 mm位置，另外一个土样取自相邻水泥土（灰土）挤密桩中心点。根据所取土样干密度测定结果，计算全处理厚度内桩间土平均挤密系数，计算公式如下：

式中，——桩间土的挤密系数；——桩间土的平均干密度（t/m3）；——桩间土的最大干密度（t/m3）。将检测结果代入公式后，得出结果见表3。

成桩后14～28 d之间，依据总桩数的0.2～0.5%（≥3处）的标准，检测复合地基承载力特征值，得出结果见表3。

由表3可知，高速公路水泥土（灰土）挤密桩施工技术应用效果良好，达到设计要求。

6 总结

综上所述，水泥土（灰土）挤密桩主要是借助打桩机重锤锤击钢管成孔的方式横向挤压路基原状土，以消除路基原状土湿陷性。再向孔内加入水泥土或石灰土，逐层夯实，打造承载力较高的复合地基。因此，技术人员应根据高速公路路基特性，恰当应用石灰回填挤密成桩或水泥回填挤密成桩技术，并着重控制原材料配比、孔位布设、分层回填夯击等环节，确保水泥土（灰土）挤密桩在高速公路湿陷性黄土路基处理中的有效应用。

参考文献

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