高压旋喷桩处理公路桥台软基沉降长期监测分析

张志明，张轩溥

(广州公路工程集团有限公司,广东 广州 510075)

0 引言

桥台路堤连接部位工后不均匀沉降是深厚软土地层公路桥梁常见的质量通病,如处理不当将引起桥台锥坡下沉、路面开裂和桥头跳车等问题,目前主要采用CFG桩、搅拌桩和预制管桩等方法进行软土路基加固。但受加固区域软土层厚度不均和性质差异大等因素影响,采用均匀布桩的方式虽然能够减小路基工后总沉降量,但加固处理费用高、经济性差,且处理后仍有可能产生不均匀沉降。

国内学术界和工程界针对公路桥台软基沉降控制问题进行了大量研究。如:赵玮[1]等通过有限元法研究了不同桩长和桩距组合条件下公路桥台软基沉降的变化规律;顾红伟[2]等对某高速公路软土路基的地质情况和病害情况进行调查,探讨了不同通车使用时间后搅拌桩加固与沥青路面加铺两种处理方法的技术效果与维护成本;田攀[3]等采用三维数值方法研究高压旋喷桩的桩位布置、几何尺寸和加载时间等因素影响对工后沉降的作用机理;廖璐璐[4]等依托某高速公路软基路段开展指导高压旋喷桩施工的试桩试验,总结了旋喷桩旋转提升速度、注浆泵工作压力和水泥用量等参数的确定依据和施工质量问题的成因;时林军[5]结合高压旋喷桩在某高速公路软基处理中的应用案例,对比单管高压旋喷桩与其他地基处理方法在节约投资和缩短工期方面的应用优势,提出质量控制和现场工作协调管理是该类地基加固方法的工作重点;Borges[6]等建立了二维高压旋喷桩模型,分析了填土高度、桩间距、桩体弹性模量对高压旋喷桩加固效果的影响。文献[7-9]结合实际的高压旋喷桩加固软基桥台工程实例,归纳总结了在该类场地条件下旋喷桩路基加固设计、施工与监测应注意的问题。

根据已有研究资料可知,现有文献主要围绕软基处理方法进行数值分析和试验研究,通过现场长期变形监测分析软基加固效果的研究成果尚不多。本文依托广东某高速公路高压旋喷桩处理软基路段项目,持续进行了长达8年的路基沉降工后监测,评价试验段桥台高压旋喷桩软基处理对工后沉降的控制效果,并进一步分析了不同桩距、桩径等因素对高压旋喷桩处理效果的影响,以期为今后类似高等级公路桥台软基段的加固设计提供实践经验。

1 工程概况

本文软基试验路段位于广东省东部某高速公路,通车后发现未采用桩基加固的桥头软基段出现跳车严重、路面开裂破坏等情况,工后最大沉降量超过50cm且沉降速率发展较快。为此,本项目选取5处桥台采用高压旋喷桩进行处理。为适应桥头软基段的不均匀沉降,沿纵向按不同桩距进行渐变过渡。桩的布置以近似等腰三角形为主,桩距以0.5m的增量进行渐变。桩端穿过软土层深度至少大于1m,桩顶位于路基填土层底部,桩径包括600mm、800mm和1 000mm等三种。表1为各软基路段采用的高压旋喷桩加固处理方案。

表1 高压旋喷桩软基处理方案

2 软基监测方案

由于5处桥台均采用类似的沉降监测方法,本文以路段A为例进行分析。桥台布置2个监测纵断面,各纵断面设7个监测点,分别位于路缘带和硬路肩位置。其中:XC1、XC14位于桩距为2m的处理区域段,XC2、XC13位于桩距为2.5m的处理区域段,XC3、XC12位于桩距为3m的处理区域段,XC4、XC11位于桩距为3.5m的处理区域段,XC5、XC10位于桩距为4m的处理区域段,XC6、XC9位于桩距为4.5m的处理区域段,XC7、XC8位于处理区域的尾端外侧。高压旋喷桩位置的布设情况如图1所示,桥台地质剖面如图2所示。由桥头往路基方向路基填砂的厚度变化不大,约为7.5～7.9m;软土分布厚度及深度在XC1～XC5范围均变化不大,底层埋深约为22.5m,厚约15m,但在XC6点附近变厚、变深,底层埋深达26.1m,厚约19m。

图1 桥台沉降监测点平面布置(路段A)

图2 桥台软基段工程地质剖面(路段A)

3 监测结果分析

3.1 整体沉降速率

表2和表3为桥台软基段年度沉降速率分析汇总。各监测点软基沉降速率受软土层分布厚度的影响有所不同,但逐年总体均呈减小的趋势。2018年K2540+948通道桥3处桥台的沉降速率为0.002～0.003mm/d,邻近软基的沉降速率为0.005～0.015mm/d,经软基处理后汾台右幅的沉降速率降为0.003mm/d。2018年度,经处理后的桥台软基与邻近软基的沉降相比,沉降速率下降2～5倍,与处理前2010年度的软基沉降速率相比,降低约17倍。

表2 桥台段各年度常规监测沉降速率(单位:mm/d)

表3 邻近软基段各年度常规监测沉降速率(单位:mm/d)

3.2 桩间距的影响

由图3可知,2011年度监测到的沉降速率比处理前降低不明显,但自2012年开始沉降速率显著降低,且下降幅度与桩间距的大小关系密切。在旋喷桩加固处理前,2010年度监测的平均沉降速率为0.051mm/d。在2018年桩间距2m的处理区域内沉降速率下降至0.001mm/d,桩间距5m的处理区域内沉降速率也下降至0.005mm/d,分别下降了51倍和10倍,表明软基加固采用的桩间距越小(桩数越多)、地基处理对工后沉降的控制效果越理想。

图3 高压旋喷桩间距与沉降速率的关系

图4给出了采用不同桩间距加固的路基沉降速率曲线。桥台软基由于受高压旋喷桩施工扰动和水泥凝结过程的影响,在工后1年内(2011年9月)的软基沉降速率均较大,普遍达到0.400～0.438mm/d。在工后第8年(2018年)监测到的沉降速率已逐渐趋于平稳,桩间距2.0m、2.5m、3.0m、3.5m处理区域内的软基沉降速率均小于0.02mm/d。其它桩间距处理区域内的沉降速率也可见较明显的收敛。

图4 不同桩距桥台沉降速率与时间关系曲线

3.3 工后累计沉降

如图5所示,桥台软基段工后约8年时间产生的累计沉降为56.4～125.6mm。第一年累计沉降为17.2～84.3mm,约占27%～66%;第二年累计沉降为11.9～20.6mm,约占12%～27%;第三年累计沉降为7.8～17.1mm,约占7%～18%;第四年累计沉降为4.6～12.1mm,约占4%～13%;第五年累计沉降为4.6～12.1mm,约占5%～13%;第六年累计沉降为2.9～8.8mm,约占3%～9%;第七年累计沉降为58～128mm,约占1%～3%;第八年累计沉降为59.7～128.3mm,总体小于1%。大部分沉降在工后3年时间内完成,后期随着沉降速率的降低,监测累计沉降量趋于稳定。

图5 桥台软基处理工后累计沉降-时间关系曲线(开始时间:2010年9月)

图6为自2015年9月开始记录的各监测点的累计沉降量。在桩间距为2m的处理区域段,旋喷桩加固后第八年的沉降量仅1.2mm,沉降已处于较低水平,软基处理取得了良好效果。桩间距5m的旋喷桩加固区域路基累计沉降量最大,可达10mm以上。路基沉降随桩间距和桩径的减小而减小,最小沉降量为5mm,线路纵向差异沉降控制较好。

图6 桥台软基处理工后累计沉降-时间关系曲线(开始时间:2015年9月)

4 结论

本文通过历时8年的软土路基沉降现场持续监测,分析了典型桥台软基路段经高压旋喷桩处理后的沉降发展规律。主要结论:

(1)高压旋喷桩处理后累计沉降量约49.9～179.1mm,大部分沉降发生在前3年,约占总沉降量的45%～70%,之后沉降量逐年缓慢减小,第8年累计沉降已趋于较低的水平,软基沉降基本得到控制。

(2)在地质情况相对均匀的情况下,采用2.0～2.5m的小桩距更有利于控制路基的沉降。在投入费用允许的前提下,采用桩基变刚度设计的理念进行桥头软基处理,即按0.5m增量向路基方向逐渐增大桩距,并进行渐变过渡,可有效控制桥头跳车。

(3)采用本文方法处理的桥台软基路段,能有效克服桥台纵向不均匀沉降和沉降速率过大等问题。从现场实践经验来看,软基处理的总投入比路面调平摊铺的总投入少,可降低道路管养成本和工作量,充分发挥项目运营的社会效益和经济效益。