岳輝 李劍 王志強(qiáng)

【摘 要】通過拼寬道路利用CMC樁進(jìn)行地基處理的研究，掌握CMC樁施工工藝及施工控制要點。通過拼寬道路CMC樁研究，了解道路荷載與地基變形間的關(guān)系，解決新老路基間的地基不均勻沉降問題；解決拼寬道路中靜壓管樁布置缺陷問題；為今后拼寬道路地基處理提供一種科學(xué)、有效、經(jīng)濟(jì)的地基處理方案。通過CMC樁的研究，有助于提高公司在該領(lǐng)域內(nèi)的市場競爭力；有助于公司在工程建設(shè)領(lǐng)域整體形象的提升。

【關(guān)鍵詞】控制模量樁；軟土地區(qū)；拓寬工程；不均勻沉降；整體穩(wěn)定性

一、課題來源及研究意義

（一）課題來源

目前我國經(jīng)濟(jì)正步入工業(yè)化、信息化和跳躍式發(fā)展階段，私家車的迅速增加，物流業(yè)的快速發(fā)展均需要方便、快捷、安全的交通服務(wù)。

老路的通行能力，行車安全性，舒適性逐漸無法滿足日益增長的社會發(fā)展需要。土地資源的日益緊張，建設(shè)成本的逐年增加，也制約著道路工程建設(shè)。

為了滿足這些地區(qū)交通量增長的需要，對已有道路的擴(kuò)建、升級顯得十分必要。道路擴(kuò)建既能充分利用原有道路，又能縮短建設(shè)周期，還能有效減少建設(shè)用地。因此道路擴(kuò)建對經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集、土地緊張的地區(qū)顯得尤為重要。

道路擴(kuò)建面臨的最大技術(shù)問題就是拼接新老路間的不均勻沉降。拼寬道路不均勻沉降的外在表現(xiàn)便是路面開裂。為了有效降低新老路基間的沉降差異，通常需對拼寬路基進(jìn)行二方面處理。一、地基加固處理，減小拼寬路基基礎(chǔ)沉降量；二、提高路基壓實度，減小拼寬路基自身沉降。

道路工程根據(jù)地質(zhì)條件的不同，地基加固方法眾多，本文結(jié)合勝建集團(tuán)2009年中標(biāo)的“江都至六合高速公路邗江二標(biāo)”道路加寬工程，對拼寬道路采用控制模量樁（CMC樁）進(jìn)行地基處理進(jìn)行部分研究。

CMC樁全稱為：Controlled Modulus Columns 譯為中文即為“控制模量樁”。

（二）研究意義

通過拼寬道路利用CMC樁進(jìn)行地基處理的研究，掌握CMC樁施工工藝及施工控制要點。

通過拼寬道路CMC樁研究，了解道路荷載與地基變形間的關(guān)系，解決新老路基間的地基不均勻沉降問題；解決拼寬道路中靜壓管樁布置缺陷問題；為今后拼寬道路地基處理提供一種科學(xué)、有效、經(jīng)濟(jì)的地基處理方案。

通過CMC樁的研究，有助于提高公司在該領(lǐng)域內(nèi)的市場競爭力；有助于公司在工程建設(shè)領(lǐng)域整體形象的提升。

二、國內(nèi)外現(xiàn)狀

CMC樁理念最早由法國提出，上世紀(jì)90年代在歐洲用于實際施工，最初應(yīng)用在英吉利海峽隧道，大型儲油罐、發(fā)電廠的基礎(chǔ)中。

目前國內(nèi)外高速公路建設(shè)水平較為成熟，但在道路拓寬領(lǐng)域的研究較少。自1997年國內(nèi)首條高速公路加寬工程：廣佛高速公路擴(kuò)建工程動工以來，國內(nèi)先后有海南環(huán)島東線、滬杭甬、沈大、滬寧、南京繞城等高速公路相繼局部或全線擴(kuò)建加寬。受制于道路擴(kuò)建研究及理論的制約，工程建設(shè)往往采用高額投資換取相應(yīng)的安全及使用要求，尤其是的地基處理方面，目前仍然沒有很成熟的設(shè)計理念出現(xiàn)，大多數(shù)的設(shè)計是通過部分理論加部分經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計。

2008年東南大學(xué)在國內(nèi)最早提出CMC樁理念，并在江六高速公路拼寬道路地基處理中首次應(yīng)用。

該工程是國內(nèi)首次在拼寬道路中進(jìn)行CMC樁研究。隨著，今后道路交通量的快速提升，拼寬道路的逐步增加，拼寬道路的新老地基間不均勻沉降問題及新拼寬道路地基沉降研究也將會日益增多。

三、主要成果

通過CMC樁的研究，掌握了該項目的施工工藝及工程施工過程中的質(zhì)量控制要點；了解拼寬道路中CMC樁對地基變形的影響；通過CMC樁的運用能夠解決，拼寬道路工程中受靜壓管樁工藝缺陷造成的樁位布置不合理問題；初步掌握了CMC樁的經(jīng)濟(jì)性能，為今后同類工程施工能夠取得較好的經(jīng)濟(jì)效益打下了基礎(chǔ)。

四、研究內(nèi)容

此次控制模量樁施工選取在江六高速公路邗江二標(biāo)路基填方最高段落進(jìn)行實施，施工長度232.6m，最大填土高度7.34m，老路基寬26.5m，拓寬后路基寬42m，雙側(cè)各拓寬7.75m。

樁徑40cm，樁長16m，樁體為C20的素混凝土，樁間距3.0m，梅花形布置，樁帽1.4×1.4×0.3m，樁帽頂設(shè)40cm碎石墊層，碎石墊層內(nèi)設(shè)雙層雙向鋼塑格柵。

地質(zhì)條件：①-素填土2m，②1-粉土層5m，②2-粉土夾粉砂層8m，②3-粉砂夾粉土層12m，②4-粉土夾粉砂層10m，②5-粉土層7m，②6-粉細(xì)砂層6m。

具體設(shè)計圖紙如下。

圖1 控制模量樁拓寬路基橫斷面圖

圖2 控制模量樁拓寬路基平面布置圖（梅花型布置）

（一）施工工藝

CMC樁施工工藝介紹：通過具有大扭矩的鉆機(jī)設(shè)備，將一個特殊設(shè)計的中孔正反螺旋鉆頭在鉆進(jìn)地基的過程中側(cè)向擠壓土體，達(dá)到預(yù)定深度時，在提升過程中通過鉆頭內(nèi)腔以低壓噴出預(yù)制好的水泥混凝土形成樁體，與土體形成復(fù)合地基。

1、主要施工設(shè)備

CMC樁主要施工設(shè)備有：正反螺旋鉆孔機(jī)、混凝土泵。本項目選用ZKL800BD型步履式螺旋鉆機(jī)1臺、HBTD60-09-90混凝土泵1臺，混凝土采用集中場拌，混凝土運輸車運送混凝土。

2、施工工藝流程圖

3、施工工藝

（1）施工前利用測量設(shè)備準(zhǔn)確測放出樁位，并標(biāo)明。

（2）鉆機(jī)就位，保持平整、穩(wěn)固，在機(jī)架或鉆桿上設(shè)置標(biāo)尺，以便控制和記錄孔深。

（3）下放鉆桿，使鉆頭對準(zhǔn)樁位點，調(diào)整鉆桿垂直度，然后啟動鉆機(jī)鉆孔，達(dá)到設(shè)計深度后空轉(zhuǎn)清土，在噴注前不得提鉆。

（4）成孔后，鉆桿反螺旋預(yù)提 200 mm左右，然后啟動高壓泵送灌注混凝土，邊噴注水泥混凝土邊提鉆桿，提升速度要與泵送速度相適應(yīng)，確保中心管內(nèi)有 0.1 m3以上的混凝土，噴注時根據(jù)泵送量及時調(diào)整提速，直至成樁。

（5）清理孔口，封護(hù)樁頂。按施工順序放下一個樁位，移動樁機(jī)進(jìn)行下一根樁的施工。

4、混凝土配制要求

（1）混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，及其他相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）混凝土具有較好的和易性?，F(xiàn)場攪拌混凝土坍落度宜控制在80～120mm，集中廠拌混凝土坍落度宜控制在160～200mm。

（3）盡量降低混凝土坍落度損失，避免因坍落度損失過大造成混凝土泵送困難。

（4）混凝土中宜添加適當(dāng)?shù)姆勖夯乙蕴岣呋炷梁鸵仔约笆┕ば阅堋?/p>

（二）施工注意事項及質(zhì)量控制要點

1、試樁

工程施工前進(jìn)行試樁，驗證施工機(jī)械性能，混凝土性能，確定最佳鉆進(jìn)速度，最佳提升速度，混凝土泵送壓力，混凝土充盈系數(shù)等控制參數(shù)。

2、鉆進(jìn)

鉆進(jìn)前需檢查鉆機(jī)支撐是否牢固，鉆桿是否垂直，鉆頭是否對準(zhǔn)樁位。為防止螺旋鉆進(jìn)時有地基土堵塞噴漿孔，在鉆進(jìn)過程中應(yīng)在鉆桿內(nèi)預(yù)壓混凝土平衡。

3、提鉆噴注混凝土

在軟弱土層內(nèi)的提鉆速度宜為 0.6～0.8 m/min，在松散或稍密砂土層內(nèi)宜為 1.0～1.2 m/min，在軟硬交替處，應(yīng)降低提鉆速度，不宜大于 1.0 m/min，并停提10s。

管腔內(nèi)灌滿混凝土后，施加較低的泵送噴漿壓力（一般不超過 1.0Mpa）后即可開始提鉆，邊提邊泵送噴注，每提1m應(yīng)停拔5～10s，如此反復(fù)，直至鉆桿全部拔出。

在提鉆過程中應(yīng)根據(jù)土層的實際情況二次添加混凝土，以滿足樁頂混凝土標(biāo)高。

鉆頭提升距離樁頂5.0m時宜一次性成樁。

在提鉆噴注過程中，若遇到特殊情況停止施工，應(yīng)及時下沉鉆頭20～50cm，使混凝土埋住鉆頭防止斷樁?；謴?fù)噴注前應(yīng)停留噴注5～10S。

在提鉆噴注過程中，若長時間停鉆無法提升，應(yīng)重新鉆孔成樁。

樁基注漿系數(shù)不宜小于1.0.

4、打樁順序

（1）如樁基較密集且離建（構(gòu)）筑物較遠(yuǎn)，施工場地較開闊，宜從中間向外進(jìn)行；

（2）如樁基較密集且場地較長，宜從中間向兩端進(jìn)行；

（3）若樁較密集且一側(cè)靠近建（構(gòu)）筑物，宜從靠近建（構(gòu)）筑物一側(cè)由近向遠(yuǎn)進(jìn)行；

（4）在打較密集的群樁時，為減少樁的擠土現(xiàn)象，可采用控制打樁速率、優(yōu)選打樁順序等措施。在相鄰樁間距太近時進(jìn)行跳打，保證混凝土不串孔，參見圖4.3。

（5）根據(jù)樁的長短，宜先長后短；根據(jù)樁徑大小，宜先大后??；

（6）靠近邊坡的地段，應(yīng)從靠近邊坡向遠(yuǎn)離邊坡方向進(jìn)行。在邊坡坡肩施工應(yīng)采取可靠的防護(hù)措施，防止邊坡失穩(wěn)，保證機(jī)械的施工安全。

（三）控制模量樁與地基變形分析

1、CMC樁復(fù)合地基受力狀態(tài)

控制模量樁是由剛性的素混凝土樁體與樁間土共同作用形成的復(fù)合地基處理形式。

復(fù)合地基在上部荷載不斷增大時的樁、土受力狀況大致可分為三個階段：第一階段，上部荷載較小時，荷載主要由樁體承擔(dān)，樁間土承擔(dān)荷載較少，樁頂荷載主要由樁體側(cè)摩擦阻力作用，樁端幾乎不承擔(dān)荷載；第二階段，當(dāng)荷載進(jìn)一步增加時，樁體承擔(dān)荷載雖然也在增加但增加速度減緩，在墊層的作用下樁間土開始發(fā)揮作用，與樁體共同承擔(dān)上部荷載；第三階段，當(dāng)荷載不斷增加達(dá)到極限值時，樁端應(yīng)力迅速增加，樁底持力層無法承擔(dān)樁底荷載，樁體穿入持力層，復(fù)合地基破壞。

設(shè)計理想的復(fù)合地基，應(yīng)該是上部荷載全部施加后，地基處于第二階段末端，樁基處于單樁極限承載力狀態(tài)。該狀態(tài)下的復(fù)合地基在樁體和樁間土的共同作用下承擔(dān)上部荷載，地基承載力滿足要求且地基沉降量要小于天然地基沉降。

2、CMC樁復(fù)合地基參數(shù)對加寬路基性狀影響分析

（1）樁頂設(shè)置樁帽降低地基沉降量

CMC樁復(fù)合地基中，在樁頂設(shè)置樁帽+土工格柵+碎石墊層比樁頂無樁帽+土工格柵+碎石墊層的沉降量要小的多。

兩者的主要差別體現(xiàn)在樁間土的沉降不同，而樁基的沉降則基本相同。即在樁頂無樁帽時，更多的上部荷載應(yīng)力附加在樁間土上，致使表層土體沉降量較大，而樁體沉降量小，出現(xiàn)樁體刺入上層結(jié)構(gòu)部位的現(xiàn)象。

樁頂設(shè)置樁帽后，樁基承擔(dān)了等多的上部荷載，樁間土承受應(yīng)力相對降低，地基變形就小，即地基沉降較小。

所以說，在CMC樁頂設(shè)置樁帽能夠降低地基沉降量。

（2）樁體模量與沉降的關(guān)系

當(dāng)樁體強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值后，再增加樁體強(qiáng)度或者提高樁體模量對地基承載力的提高和地基變形的減小基本無用處。

混凝土強(qiáng)度等級對應(yīng)的彈性模量

CMC樁復(fù)合地基中，由于樁間土承擔(dān)了部分上部荷載，相應(yīng)的減小了樁體壓力。此時可以適當(dāng)降低樁體模量以節(jié)約工程成本。即，較低的CMC樁混凝土強(qiáng)度即可滿足實際需要。

（3）樁長、樁徑對沉降的影響

樁長對復(fù)合地基沉降的影響較大，原因是復(fù)合地基的沉降分為兩部分，即加固區(qū)的沉降與樁底持力層的沉降，針對于一定深度的土層，樁長越長，提供的裝側(cè)摩阻力越大，荷載向更深處土層傳遞，加固區(qū)厚度增加意味著樁底持力層厚度減小，持力層的壓縮模量也就減小。因此，增加樁長對于減少路基沉降作用較明顯。

增加樁徑能夠提高樁側(cè)摩阻力，提高地基土體置換率，有效增加樁基承載力，減小地基沉降。

雖然，提高樁長、樁徑能夠有效降低地基沉降，提高地基承載力，但出于經(jīng)濟(jì)考慮，能夠滿足承載力和沉降要求且能有效降低經(jīng)濟(jì)投入的樁長、樁徑方案才是最適合的。

（4）樁間距對沉降的影響

樁間距的適當(dāng)增大減少了樁基設(shè)置數(shù)量，樁檢土體沉降量增大，樁基沉降基本不變。在設(shè)置了樁帽+土工格柵+碎石墊層后，能夠使更多的上部荷載集中在樁基上，可以有效的減小樁間土的受力和沉降。

所以說，適當(dāng)?shù)脑黾訕堕g距，即能有效的利用模量高的樁基，發(fā)揮樁基極限承載力的作用，又能達(dá)到控制沉降的目的，還能有效的降低工程造價。

（5）墊層模量對沉降的影響

由于CMC樁復(fù)合地基的墊層是碎石+土工格柵的散粒體材料構(gòu)成，對復(fù)合地基表面樁土應(yīng)力起到調(diào)節(jié)作用，協(xié)調(diào)樁土變形；另一方面墊層材料的高強(qiáng)度還能防止由于樁頂應(yīng)力集中過大而刺入上層路基。

所以說，在本著滿足拼寬道路CMC樁復(fù)合地基承載力及沉降要求的同時，能夠有效的降低建設(shè)成本是本次研究的一個方面。采用CMC樁+樁帽+土工格柵+碎石墊層并適當(dāng)加大樁間距的設(shè)計思路，充分有效的減小樁間土體荷載，將荷載轉(zhuǎn)移至承載力高的剛性樁基上，在滿足了地基承載力、沉降的同時還減少了樁基數(shù)量，降低了建設(shè)費用。

（四）拼寬道路中控制模量樁替代管樁施工

目前拼寬道路剛性復(fù)合地基設(shè)計中，國內(nèi)普遍采用PTC管樁處理，江蘇省高速公路擴(kuò)建工程也基本如此，滬寧高速公路、南京繞城高速公路加寬施工均采用上述方案。

PTC管樁施工工藝成熟，在工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但在道路拼寬工程中運用該工藝還存在著一定的問題。

1、拼寬道路管樁施工存在問題分析

拼寬道路中均采用靜壓工藝進(jìn)行PTC管樁施工，該工藝施工過程中產(chǎn)生振動較小，利于老路邊坡或老路邊坡開挖臺階后的穩(wěn)定性。道路加寬工程中通常不選用錘擊施工工藝，避免錘擊打樁產(chǎn)生的振動影響老路邊坡穩(wěn)定性。但目前國內(nèi)的管樁靜壓設(shè)備大多為中心報壓或中心頂壓施工，靜壓設(shè)備體積龐大，移動困難，這些問題同時也影響和制約了拼寬道路管樁的設(shè)計及施工。

圖四：拼寬道路管樁布置示意圖

（1）樁體材料強(qiáng)度高，建設(shè)費用高。

PTC管樁，樁體混凝土強(qiáng)度C40，強(qiáng)度較高的樁體是為了滿足靜壓施工時管樁承受壓力要求，而對于地基承載力和沉降沒有幫助，顯得過于浪費，材料成本高。

（2）施工設(shè)備體型龐大，中心靜壓工藝導(dǎo)致邊、角部位樁基施工困難。

由圖四可以看到，位于邊坡開挖臺階附近的樁基，距離邊坡較近或恰好位于臺階立面處，以抵抗新老路連接部位，即抵抗拼寬道路受力最薄弱部位的豎向應(yīng)力及剪切變形，但受靜壓管樁設(shè)備體積龐大及中心壓入工藝影響，該部位管樁無法施工，在眾多道路加寬工程中均對該位置管樁進(jìn)行外移，但管樁外置外移后將影響拼寬道路地基承載力及沉降。

拼寬道路坡腳外側(cè)若存在距離較近的河塘、障礙物也將影響該部位管樁施工。

（3）靜壓設(shè)備移動困難，進(jìn)出場費用高。

由圖四可以看到，拼寬道路樁頂高度不同，設(shè)備需要多次進(jìn)出場施工，受制于靜壓設(shè)備自重及體積影響，所需進(jìn)出場費用較高。

2、控制模量樁替代管樁施工優(yōu)勢

控制模量樁采用長螺旋工藝成孔，孔內(nèi)噴注混凝土形成樁體，樁體與地基土體共同作用形成復(fù)合地基的工藝。

（1）成樁質(zhì)量及強(qiáng)度易于控制。

CMC樁，長螺旋的成孔工藝及噴注混凝土的成樁方式，使得樁基質(zhì)量易于控制，混凝土強(qiáng)度可以根據(jù)不同需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。通常在復(fù)合地基處理中，較低強(qiáng)度的混凝土樁便可滿足強(qiáng)度需要，但靜壓管樁受成樁工藝制約，樁體強(qiáng)度較高。

（2）無振動，對老路邊坡及地基影響小。

螺旋鉆進(jìn)的成孔工藝，對地基擾動較小，不產(chǎn)生振動，利于拼寬道路邊坡穩(wěn)定。

（3）移動迅速，施工范圍廣。

體積較小，移動迅速，端部鉆孔，適合拼寬道路邊坡、臺階、坡腳等多種情況施工，施工范圍廣。

（4）施工工期短，經(jīng)濟(jì)投入小。

CMC樁樁體在施工現(xiàn)場形成，施工工期短，其設(shè)計理論是針對具體要求的沉降指標(biāo)對復(fù)合地基的各種參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，體現(xiàn)了按沉降設(shè)計的理念，可以減少項目中地基處理的費用。

五、拼寬道路中控制模量樁復(fù)合地基處理經(jīng)濟(jì)性能分析

控制模量樁（CMC）進(jìn)行加寬道路地基處理，樁型可采用不同強(qiáng)度的素混凝土樁，如采用 C15 的素混凝土樁處理，C15 的素混凝土的價格 300元/m3，處理的樁徑為 40cm，樁間距為 3m，正方形布置或梅花型布置，處理樁長為 16m，若采用正方形布置則每平米的處理費用大概為 150 元，再加墊層的費用和施工費每平米的處理費用可控制在 205 元以內(nèi)；梅花型布置每平米的處理費用大概為 170 元，再加墊層的費用和施工費每平米的處理費用可控制在 225 元以內(nèi)。這樣的處理成本較水泥攪拌樁便宜，而且質(zhì)量有保障。此路段原設(shè)計中PTC管樁（單側(cè)拼寬）總長約為7520延米，樁長16m的PTC樁市場價約為100元/m，則每平米的處理費用大概為 286 元，如再加樁帽，則每平米的造價約為365元。下表為該段落加寬道路兩種地基處理技術(shù)的總價比較表。

江六高速公路拼寬道路PTC管樁與CMC樁地基處理總價比較表（單側(cè)）

有上表可以看出，在采用CMC樁復(fù)合地基進(jìn)行拼寬道路地基處理時比PTC管樁處理成本要節(jié)約40%以上。

六、結(jié)論

通過對江六高速公路拼寬道路采用控制模量樁進(jìn)行復(fù)合地基處理的研究認(rèn)為，該種設(shè)計理論能夠有效利用樁基的極限承載力，滿足拼寬道路地基沉降要求；能夠很好的節(jié)約工程建設(shè)投資，具有較好的節(jié)能減排效果。是今后道路，堤壩、大型油罐基礎(chǔ)等工程地基處理的優(yōu)秀建設(shè)方案，具有較好的推廣價值。