高速公路扩建软基及桩基处理技术比选

谢 尧 恩艳锋

近几年来地基处理机械、地基处理材料、地基处理计算理论的迅速发展，促进了地基处理技术、施工工艺的不断改善和提高，我国越来越多的穿越软土地基的高速公路在建设或改建时，采用了各种处理方法来减少软土地基对路基沉降的不良影响。即使是那些不用穿越软土地基的高速公路，在桥头、结构物台背等路基不易压实的部位，也特别采用了管桩、水泥搅拌桩等软基处理方式来加强基底承载力，减少台背路基的沉降，减小桥头跳车等现象，并取得了良好的效果。下面以沪宁高速公路扩建为例，对软土地基几种桩基处理技术进行比选研究，以供参考。沪宁高速公路改扩建工程软基处理方式有:老路边坡第一级台阶内侧边缘至新建路基坡脚外1.0 m范围内为高压旋喷桩和先张法预应力混凝土管桩;边坡桩统一采用小直径(φ 50)素混凝土钻孔灌注桩，这三种方案可以总称为复合地基(见图1)。

1 高压旋喷桩

1.1 高压旋喷桩加固地基的原理

旋喷时，高压喷射流在地基中，把土体切割破坏。其加固范围就是喷射距离加上渗透部分或压缩部分的长度为半径的圆柱体。一部分细小的土粒被喷射的浆液所置换，随着液流被带到地面上(俗称冒浆)，其余的土粒与浆液搅拌混合。在喷射动压力、离心力和重力的共同作用下，横断面上土粒按质量大小有规律地排列起来，小颗粒在中部居多，大颗粒多数在外侧或边缘部分，形成了浆液主体搅拌混合、压缩和渗透等部分，经过一定时间便凝固成强度较高、渗透系数较小的固结体。

1.2 固结机理

水泥与水拌和后，首先产生铝酸三钙水化物和氢氧化钙，它们可溶于水中，但溶解度不高，很快就达到饱和，这种化学反应连续不断地进行，就会析出一种胶质物体。这种胶质物体有一部分混在水中悬浮，形成一层胶凝薄膜。硅酸二钙水化物几乎不溶于水，只能以无定形体的胶质包围在水泥微粒的表层，另一部分渗入水中。由水泥各种成分所生成的胶凝膜，逐渐发展起来成为胶凝体，从而产生下列现象:1)胶凝体增大并吸收水分，使凝固加速、结合更密。2)由于微晶(结晶核)的产生进而生出结晶体，结晶体与胶凝体相互包围渗透并达到一种稳定状态，这就是硬化的开始。3)水化作用继续深入到水泥微粒内部，使未水化部分再参加以上的化学反应，直到完全没有水分以及胶质凝固和结晶充盈为止。但无论水化时间持续多久，很难将水泥微粒内核全部水化，所以水化过程是一个漫长的过程。

1.3 高压旋喷桩的适用范围

高压旋喷桩主要适用于处理淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土、黄土、砂土、人工填土和碎石土等地基。当土中含有较多的大粒径块石，坚硬黏性土、大量植物根茎或有过多的有机质时，应根据现场试验结果确定其适用程度。

2 PTC管桩

预应力混凝土薄壁管桩PTC处理法使用静压式桩机或锤击式桩机将预制管桩打入地基，地面荷载主要通过管桩向深层硬土层或基岩传递，同时桩间土也承担部分荷载。PTC管桩加固软弱地基主要有两种作用:桩体作用和挤密作用。用PTC管桩法处理地基可达到有效消除沉降和提高地基承载力的双重目的。该方法主要适用于软基性质很差、软土层深厚等情况下的桥头连接路段的地基加固。预应力管桩，是由专业厂家采用先张法预应力工艺和离心成型，蒸汽养护而成，是一种细长空心等截面预制混凝土构件。预应力管桩的种类较多，中国管桩按品种可以分为PC管桩混凝土强度大于C60，PHC管桩混凝土强度大于C80，PTC管桩混凝土强度大于C60，ACCS管桩混凝土强度大于C80。另外还有许多非标准管桩。

3 素混凝土钻孔灌注桩

素混凝土钻孔灌注桩是一种常见的施工方法，其复合地基效应主要如下。

1)置换作用。桩体材料的组成决定复合地基置换作用的大小，土被素混凝土钻孔灌注桩置换是复合地基承载力得到提高的主要原因之一。

2)排水作用。素混凝土钻孔灌注桩桩体的渗透系数一般在10-3cm/s～10-1cm/s范围内，而桩间自然土层的渗透系数一般在10-6cm/s～10-4cm/s，远比桩体的渗透性小，所以桩体具有良好的透水性，桩体的排水作用，有利于孔隙水压力消散，有效应力增长，加速桩周土的固结过程。

3)桩间土的改良作用。经过对素混凝土钻孔灌注桩复合地基加固前后桩间土的物理力学性质的试验分析表明，桩间土的物理力学性质得到了较大提高，一般含水量降低14%～19%，天然容重增加1.03%～2.2%，孔隙比降低13%以上，压缩系数减小11%～52%，而静力触探贯入阻力提高30%以上。同时发现，在加固范围内，素混凝土钻孔灌注桩对黏性土或粉土的工程性质改善较明显，而对砂类土基本没有改变，但振密效果比较显著。

4)桩对土的约束作用。由于桩对土体侧向变形的限制，相同荷载水平条件下，复合地基抵抗垂直变形的能力有所加强。

5)施工中振动挤密作用。由于施工过程中振动的影响，将会对桩间土产生扰动和挤密，短期内会使其强度有所降低。成桩结束后，随着恢复期的增长，结构强度逐渐恢复，新的结构强度的形成，桩间土的承载力有所提高。

4 结论与展望

针对沪宁高速公路改扩建工程，软土地基段新旧路基间衔接技术，从理论上的分析到设计方案的研究、施工工艺的探讨以及试验观测数据的总结，得出结论如下:

沪宁高速公路采用的几种软土地基处理方法，都有相应的适用范围，我们进行了系统的总结。

高压旋喷桩主要用于加固地基，提高地基土的抗剪强度，改善土的变形性质，也可组成闭合的帷幕，用于截阻地下水流和治理流砂。高压旋喷桩主要适用于处理淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土、黄土、砂土、人工填土和碎石土等地基。

PTC管桩主要适用于软基性质很差、软土层深厚等情况下桥头连接路段的地基加固。

素混凝土钻孔灌注桩承载能力在碎石复合地基和钢筋混凝土钻孔灌注桩之间，这样有利于充分发挥桩体材料的潜力，降低地基处理费用。对砂土、粉土和松散填土或地下水位高，地下水丰富等地基的处理作用尤为突出。

通过对各种软基处理方案的研究、施工质量和经济对比后，建议处理方案按三类情况进行选择:1)软土深度小于8 m时，可选用水泥搅拌桩处理，并考虑地基土的含水量而确定水泥用量;2)当软土深度大于8 m小于25 m时，宜采用高压旋喷桩、PTC管桩或素混凝土钻孔灌注桩处理的方法;3)软土深度大于25 m时，可选择素混凝土钻孔灌注桩和PTC型疏桩方案，通过经济性和施工处理效果比选后确定。

本文主要研究新老路基沉降量大小的问题。通过相应的有限元计算得到，在拼接拓宽后，一般情况下沉降最大位置出现在拼接拓宽断面的形心位置，呈反盆形分布，与实际观测和理论分析是一致的。但是，通过一定技术措施降低新老路基之间的位移差显然是解决问题最经济和直接的工程技术措施，但无论采取何种技术措施都不可能完全消除新老路基之间的差异。高速公路改扩建工程中软土地基处理，从理论到实践尚有较多不完善的地方，有待进一步研究和完善。

[1] 马小锋.浅谈软土地基处理方法[J].山西建筑，2008，34(1):121-122.