软弱土因低强度、高液限、高含水量、高压缩性等特点, 成为公路路基施工中影响工程造价和施工质量最关键的因素之一。目前路基软基处理措施大多采用堆载预压、塑料排水板排水固结、水泥搅拌桩、PC管桩、CFG桩等方法。除了塑料排水板采用排水固结土基原理外, 其他类型处理方式基本都是采用承载力为设计控制的思路, 以水泥搅拌桩^[1]为例, 它利用水泥作为固化剂, 通过搅拌机械, 在地基深处将软土和水泥强制搅拌, 利用水泥和软土之间所产生的一系列物理、化学反应, 使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基。但是水泥搅拌桩对软土处理后形成的复合地基只是在水泥搅拌桩桩位处土基强度得到改善, 而桩身之间的土基并没有发生变化, 原状土的含水量并没有降低。采用水泥搅拌桩处理的路基, 其复合地基承载力得到提高, 但是其处理深度有限, 通常最大在20m左右, 且处理后工后沉降仍然较大。

针对各种软基处理方法的缺陷, 软基处理设计理念必须从以承载力控制到以沉降量 (工后沉降量) 控制方面转变, 特别是对>20m的深厚软土, 更加迫切需要一种有效控制质量、减少投资的处理方案。而高强透水纤维混凝土管碎石芯桩就是一种能够处理深度达30m、工后沉降小、施工质量易控、施工速度快、对路基土填筑速率要求低的新型软厚土基处理技术。

高强透水纤维混凝土管碎石芯桩软厚地基处理技术是在软土地基处理路段打入高强透水纤维混凝土管桩, 在管内腔插入软式透水盲管并填塞碎石, 然后依次在桩顶部位浇筑透水混凝土桩帽、铺设碎石垫层、铺筑双层双向钢塑格栅。利用透水混凝土的渗水性, 通过桩体对土基的挤密作用以及路基土自身堆载压实等, 使土基内的水渗透到混凝土管内腔, 然后通过管桩内腔及内腔内布设的软式透水盲管将软土中的水排到路基范围以外, 使土基达到快速固结效果。高强透水纤维混凝土碎石芯管桩在软厚土基处理过程中主要有3个作用:①在桩体压入过程中通过桩身对土基的挤密作用使软土中的水压入管桩内腔, 使土基固结;②在土基固结后, 由于管桩外壁粗糙, 与土体密贴, 增大了管桩与土体的摩擦力, 起到摩擦桩作用, 更加增大土基的整体承载力;③将管桩打入持力土层, 管桩支撑在持力层上, 既起到支撑路基的作用, 又能有效降低路基工后总沉降量。

这一软基处理新技术采用了新材料和新工艺, 能够高质量地实现软厚地基的有效处理, 方法简单, 效果优良, 不仅能极大地提高土基承载力、缩短工期, 还能节省工程成本, 产生较高的经济效益。

透水混凝土^[2]是由骨料、水泥和水拌制而成的多孔混凝土, 因其具有透水性好等优点被广泛应用于城市道路中的排水路面。一般透水混凝土强度等级为C15～C25。

软厚地基处理技术中所用的透水混凝土管桩, 其受力主要包括移运过程中产生的弯拉力、施工过程中的轴向静压力或锤击力、静压施工过程中静压机夹桩器的夹持力、使用过程中的水平剪力等^[3]。因此, 对管桩使用的透水混凝土强度要求较高, 需达到40MPa以上。为提高透水混凝土强度, 使其能够满足管桩的强度要求, 较常规透水混凝土配合比做较大调整, 调整的原则是在提高混凝土抗压强度的同时确保透水混凝土的孔隙率和透水性。

透水管桩用透水混凝土主要材料组成为普通硅酸盐水泥、单粒级粗骨料、聚丙烯纤维、高效减水剂和胶粉。

水灰比是影响混凝土强度的主要因素。在透水混凝土配合比设计中, 水灰比不仅影响透水混凝土强度, 还会对透水性有很大影响。在一般情况下, 透水系数随着水灰比的减小而增大, 同时, 水灰比越小, 透水混凝土的强度越高, 但是流动性不足, 施工困难。一般来说, 透水混凝土水灰比为0.25～0.40, 本技术中高强透水纤维混凝土采用的水灰比为0.28。

水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥。为了增加混凝土强度, 还添加了占水泥质量2%～2.5%的胶粉, 本技术中采用掺量2.1%。

骨料粒径大小和粒级是影响透水混凝土性能的因素之一, 连续级配的骨料可以增加混凝土强度, 但是渗水性会降低, 而单粒级骨料渗水性能良好但强度会减弱。本高强透水纤维混凝土所用骨料为10～20mm单粒级碎石。

采用高性能减水剂, 减水剂的减水率为26%, 7d抗压强度比为150%, 28d抗压强度比为114%, 泌水率比为41%。外加剂的掺量为水泥质量的3.4%。

采用聚丙烯纤维, 纤维长度为5～10mm。

采用饮用自来水。

经试配, 得出如表1所示配合比及模拟悬辊工艺成型的透水混凝土各项指标。

根据透水混凝土特点, 考虑管桩的预制、移运、静压以及工作状态时的抗压、抗弯拉、抗剪等力学状况, 选用直径为400mm、壁厚为70mm、节段长度为400cm的管桩。

综合考虑管桩横截面、静压桩的静压力和土体的水平剪力与弯拉力等影响因素, 选择高强透水纤维混凝土管桩的配筋率^[4]为1.2%。主筋选择 8ϕ12 HRB400钢筋, 加强筋采用ϕ16 HRB400钢筋, 螺旋筋采用ϕ^b5冷拔低碳钢丝。配筋及桩头套箍布设如图1所示。

骨架的制作流程为:主筋制作、加强筋制作、螺旋筋备料、骨架胎架准备→加强筋安设→主筋安设与焊接→螺旋筋安装与焊接。

钢筋骨架制作时, 应重点控制主筋间距、螺旋筋间距以及焊接点质量。主筋的间距允许偏差≤mm, 螺旋筋间距允许偏差≤10mm, 且螺旋筋单根管桩用料总长度与理论计算长度偏差≤-100mm, 加强筋与主筋焊接采用点焊, 且不得出现主筋烧伤、焊瘤等现象;螺旋箍筋与主筋的接触点全部焊接, 焊接时不得出现焊瘤和烧伤。

混凝土管桩采用透水混凝土, 孔隙率大, 虽然管桩内钢筋处于地下, 与空气隔离, 但是防锈蚀工作不能忽视, 为了确保钢筋不锈蚀, 在骨架入模前, 用钢筋阻锈剂对所有钢筋进行涂刷, 涂刷遍数≥3。

模板的制作应采用优质钢模板, 每根管桩的模板至多1节, 不得拼装成两截, 模板由2片半圆形钢模组合而成, 内壁光滑无毛刺。模板的组装流程为:模板内模涂脱模剂→安装钢筋骨架入半模→安设保护层垫块→组合2片半模→布料盖安放。

模板安装时, 应注意检查保护层垫块厚度, 检查钢筋与模板之间的距离是否满足保护层厚度的误差范围, 保护层厚度允许偏差为±3mm。2片半模接缝应密封, 不得漏浆、漏料。

预应力管桩的成型方法一般采用离心法, 但是透水混凝土管桩因其要保证透水效果, 离心法会使离心过程中水泥浆流向管壁外侧, 造成透水性减弱, 同时离心力不能使干硬混凝土密实, 从而强度不能保证。因此, 透水混凝土管桩成型不能采用离心法。

悬辊工艺^[5]的原理是调速电机通过悬辊轴带动管模旋转, 喂进管模内的混凝土在离心力作用下也随着一起旋转, 当喂进混凝土料物的厚度超过挡圈高度后, 经过悬辊轴垂直上方的管壁混凝土受到悬辊轴的辊压力, 在悬辊轴和管模内壁的共同作用下密实成型。悬辊工艺适用于干性混凝土管材制作, 而透水混凝土正适合悬辊成型。

在透水管桩悬辊成型前, 应加强钢筋骨架固定检查, 喂料应缓慢而连续, 边喂料边辊压成型。辊压后即需进行静辊成型, 静辊成型时间应在4min左右, 静辊结束后应缓慢停机, 停机时应保持管模在辊轴上不晃动。

在透水混凝土管桩预制过程中, 应制取尺寸为200mm×200mm×200mm的非标大尺寸试件, 试件制作时应采用压力机静压的方式成型。成型后的混凝土试件放在标准养护室中养护28d, 检测其强度作为强度检验依据。

为了尽量提高透水混凝土管桩强度, 采用蒸汽养护。养护温度应保持在 (70±10) ℃, 养护时间≥8h。

高强透水纤维混凝土管碎石芯桩软土地基处理属于复合地基处理形式, 其结构组成主要有高强透水纤维混凝土管桩、软式透水盲管、管桩内腔内填塞的碎石、管桩顶面透水混凝土桩帽、碎石垫层及双层双向钢塑格栅等, 其具体结构及细部构造如图2所示。其各组成部分所起的作用如下。

1) 管桩 打入软土中的高强透水混凝土管桩的作用为:①通过打入的管桩对土体的挤密作用, 以及路基填土后土的压力对软土地基有挤密作用, 这样软土中的水就会通过管桩本身的透水特点渗入管桩内腔, 此时, 管桩起到渗水并汇集水的作用;②桩外壁与土体之间存在摩擦力使管桩起到摩擦桩的作用;③管桩打入持力层后, 对上部路基起到直接支承作用。

2) 软式透水盲管 在管内插入的软式透水盲管把管桩内腔的水向上排出。

3) 碎石 在管桩内腔填充碎石, 会占用管桩内腔大部分空间, 使管桩内存水数量大大减少, 对排水固结更加有效。

4) 桩帽 透水混凝土桩帽的作用是扩大管桩与其上路基土的接触面积, 增加其承载力, 同时, 它的透水特点能够使管桩内的水顺利排出。

5) 碎石垫层 碎石垫层的作用是隔离原地面 (软土层) 与路基填土, 使由管桩和透水软管排出的水顺利排到路基范围之外。

6) 钢塑格栅 钢塑格栅的作用是固定碎石, 防止碎石产生过大水平滑移, 同时使整个管桩与桩周土、碎石垫层形成一体, 成为复合地基。

常溧高速公路是江苏省苏南高速公路网的重要组成部分, 全线共38.3km, 沿线软土地基丰富, 软土地基处理方式为水泥搅拌桩, 因软土厚度高达28m, 其土基承载力在65～75kPa, 处理难度大, 后改为高强透水纤维混凝土管碎石芯桩, 处理路段全长420m, 软土路基处理宽度为35m, 该路段平均填土高度为7.4m, 堆载预压期为180d, 高强透水纤维混凝土管碎石芯桩间距为3.5m, 设计平均桩长为27.5m。

该路段软厚地基处理流程为:清表、整平、碾压→桩位放样→静压桩机就位→安装桩尖、管桩起吊→管桩对位及调整桩及桩架垂直度→静压沉桩、接桩→切割桩头→安设软式透水盲管、灌装碎石→透水混凝土桩帽施工→埋设沉降板→铺设下层20cm碎石垫层→铺设下层双向钢塑格栅→铺设上层20cm碎石垫层→铺设上层双向钢塑格栅→路基土填筑。

先划出处理路段的范围边界, 然后将表面腐殖土、表土、草皮等清除, 形成坡度为1%～2%的双向横坡;然后用6～8t轻型压路机压实2～3遍, 以便压管机的安设移运和管桩施工。

用全站仪定出桩位并用消石灰做桩位的圆形标记, 圆心位置打入小木桩并注意保护。施工放样桩位偏差≤3cm。

管桩起吊方式采用两点法或两头勾吊法, 并在吊装过程中轻吊轻放, 禁止拖吊, 避免产生较大动荷载。在运输过程中, 应该绑固、分层叠放并错位布置, 宜≤5层。在工地现场堆放时, 必须选择坚实平整的场地或垫木支承, 堆高≤5层。

高强透水纤维混凝土管桩的施工采用YZY120型抱压式静压桩机, 压桩机总重120t, 额定功率22kW, 额定压桩力1 200kN, 压桩速度1.0～3.0m/min, 一次压桩行程为150cm。

压桩机就位后应进行粗略调平。将安装好桩尖的第1节桩起吊, 将桩提升至夹桩器处, 并喂桩至夹桩器内, 将桩慢慢降低至桩尖距地面30～50cm时, 夹桩器上升到桩顶, 并将桩夹紧, 然后通过移动或调整桩机使桩垂直对中。

当桩尖插入桩位后, 开始压桩, 随时用经纬仪观测桩身倾斜情况, 保证第1节桩的各向垂直度偏差≤0.6%, 接桩的垂直度≤1.5%。压桩速度控制在1.5m/min左右^[6]。

当下节桩桩顶距地面100cm左右时即可接桩。接桩前下节桩的桩头加上定位板, 然后将上节桩吊放在下节桩端板上, 依靠定位板将上、下桩定位, 错位偏差≤3mm;施焊应分层, 且要确保焊缝饱满。

压桩时应连续记录打入深度, 当达到设计桩底高程时停止压桩。如桩头高于设计顶高程, 应截除多余部分桩身^[7], 截除桩头后的桩顶高程偏差为±5mm。

压桩结束后, 将软式透水盲管插入管桩内腔, 插入深度要严格控制, 软式透水盲管的底部距离桩底在 (80±10) cm范围, 以确保排水畅通。透水盲管应尽量在管桩内腔中心位置。

插入软式透水盲管后, 即向桩芯内灌入碎石, 碎石可以是连续级配碎石, 也可以是单粒级碎石, 碎石的强度指标无严格要求, 但是对其含泥量、粉尘含量、泥块含量应严格控制, 目测碎石干净, 无泥块和粉尘, 检测含泥量<3%。

压桩结束时桩顶标高低于整平标高20cm, 桩基施工完成后, 在桩顶根据桩帽尺寸开挖、整修成桩帽土模, 安放钢筋网片后浇筑透水混凝土。透水混凝土桩帽的强度等级为C15。透水混凝土桩帽的轴线偏位、平面尺寸、帽顶高程等的允许偏差分别为±15, ±30, ±20mm。

在碎石垫层施工前, 应根据设计图纸的要求安设沉降板, 沉降板一般在路基横断面方向每断面3处, 每30m一个断面, 沉降板上的沉降管应根据填土情况及时加长。

垫层用碎石要求干净无泥块, 含泥量或粉尘含量≤3%。钢塑格栅^[8]双向张拉力标准值N>80kN/m, 延伸率<10%。

铺设第1层碎石, 厚度20cm, 用6～8t轻型压路机压实2遍, 铺设下层双向钢塑格栅;然后铺设第2层碎石, 厚度20cm, 用6～8t轻型压路机压实2遍, 铺设上层双向塑钢纤维。

本软基处理技术对路基填筑的速率要求不高, 可以按正常路段的施工速度组织路基土填筑施工, 在施工过程中应控制好压实度使其达到设计要求。

为了对软基处理效果进行监控, 在处理路段每隔20m断面设置沉降点1处, 本路段路基的填筑施工期为6个月, 等载预压期为6个月, 预压土卸载必须同时满足现场实测沉降曲线推算工后沉降量<8cm和连续2个月观测沉降速率<5mm/d 2个条件^[9]。

现场单桩承载力试验确定承载力为298kN, 复合地基承载力为147kPa, 其静载试验检测曲线如图4, 5所示。

在路基土填筑和堆载预压过程中, 处理路段的沉降量观测情况如图6所示。图6表明, 等载预压120d后, 路基沉降趋于稳定。

表2所示为对采用高强渗水纤维管碎石芯桩处理方式 (路段桩号K26+500—K26+920) 与相同地质情况的水泥搅拌桩处理路段 (路段桩号K32+036—K32+353) 的综合对比。

通过对比发现, 使用本发明处理软土地基, 承载力比水泥搅拌桩处理提高13%, 工期缩短34%, 路基工后总沉降量明显小于其他处理方式, 节省成本11.4%。

高强透水纤维混凝土管碎石芯桩软厚地基处理技术是目前国内较新的施工技术, 它采用了高强度透水混凝土新材料, 利用悬辊工艺制作透水管桩, 在打入深厚软土后形成一种新型的复合地基形式, 解决了目前软基处理中存在的诸多问题, 如施工质量控制难度大、工后沉降量大、软基处理深度不大等。本新技术较以往方法具有如下优点。

1) 施工简单快速, 对路基土填筑速率要求不高, 能有效缩短工期。

2) 既能直接将土固化, 提高承载力, 又能通过桩底的支撑作用和桩壁的摩擦作用对路基土起到支撑作用。

3) 能有效降低工程成本。

4) 排水固结速度快。

5) 能够有效降低路基工后沉降量。