基于结构变形协调控制的营运公路桥头跳车处置结构及方法

摘要

本发明公开了一种基于结构变形协调控制的营运公路桥头跳车处置结构及方法。该处置结构在路基承载桩和路堤底部之间，通过高压灌浆形成若干个具有一定厚度和强度且呈矩形阵列排布的高压旋喷桩体，相邻的高压旋喷桩体相互咬合形成与路面平行的灌浆加强层，路基承载桩顶部伸入灌浆加强层中，通过灌浆加强层将上部荷载均匀分配至路基承载桩与软土地基。而该方法的核心在于利用单管高压旋喷方法形成所需的灌浆加强层。本发明可以将上部荷载均匀分配至承载桩与软土地基，有效减小软土路基的所承受的荷载，可以有控制路基的后期沉降。

说明书

技术领域

本发明属于施工方法领域，具体涉及一种基于结构变形协调控制的营运公路桥头跳车处置结构及方法。

背景技术

桥头跳车是指营运公路工程中桥梁、涵洞等构造物本身与台背路堤的不均匀沉降差或较大纵坡突变，导致车辆在快速通过路桥交界处时产生颠簸跳跃的现象，如图1所示。目前通常采用软土路基灌浆加固、上部增加桥台搭板的方式进行处置，但没有指明影响桥头跳车现象的关键环节。

高压旋喷注浆法是一种常见的软土地基加固方法。高压旋喷注浆法是利用钻机等，把安装在注浆管底部侧面的特殊喷嘴置入土层预定深度后，用高压泥浆泵等高压发生装置，把浆液从喷嘴中喷射出去，冲击破坏土体。同时借助注浆管的旋转和提升运动，使浆液与土体上崩落下来的的土搅拌混合，经过一定时间凝固，便在土中形成圆柱状的固结体，即旋喷桩。由于旋喷桩在设置过程中对周围土体有一定的挤密压实作用，即桩的侧摩阻力，使得桩周围的软弱土层承载力提高。旋喷结束后，当水泥-土混合浆液尚未凝结时，这种浆液将产生挤压力，对四周土有压密作用，并使部分浆液进入土粒之间的空隙中，形成“脉”状、“板”状水泥结石体。但该形态的桩体尽管能够提供足够的支承力，但在没有桩体的部位仍然容易产生沉降，上部路堤的受力并不均匀。长此以往，路面仍然会产生不均匀沉降，导致跳车现象。

申请人针对几十个软土路基桥头跳车治理注浆加固处理现场取芯结果表明，目前的软土路基中基本没有明确的合理结构承载体系。即使使用高压旋喷注浆法形成旋喷桩，也仅有树根状态浆脉等加密在路基或软土地基中间，仍然很容易导致软土路基不均匀沉降，最终导致桥头跳车现象的发生。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的桥头跳车现象没有得到有效控制的问题，并提供一种基于结构变形协调控制的营运公路桥头跳车处置结构，形成桩土共同作用路基承载体系，达到路基受力变形状态整体性要求，有效控制路基的后期继续沉降，保证桥头跳车的处置效果。为解决该技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

基于结构变形协调控制的营运公路桥头跳车处置结构，在路基承载桩和路堤底部之间，通过高压灌浆形成若干个具有一定厚度和强度且呈矩形阵列排布的高压旋喷桩体，相邻的高压旋喷桩体相互咬合形成与路面平行的灌浆加强层，路基承载桩顶部伸入灌浆加强层中，通过灌浆加强层将上部荷载均匀分配至路基承载桩与软土地基。

路堤灌浆加强层具有一定的强度和刚度，可以将上部路堤和车辆荷载向下部传递，形成桩土共同作用路基承载体系。相对于仅仅设置高压旋喷桩的承载体系而言，其能够将路堤上方的荷载更为均匀的传导至桩体和软土层，使得软土路基的沉降具有整体性，符合变形协调控制的要求。

本发明的另一目的在于提供一种基于结构变形协调控制的营运公路桥头跳车处置方法，即上述结构的施工方法。该方法步骤包括：

S1：对待处置路段的原有路面进行拆除；

S2：进行路基承载桩施工，在软土地基中设置若干排路基承载桩；

S3：采用单管高压旋喷方法对路堤底部的填料进行固化处理，在路基承载桩和路堤底部之间，形成若干个具有一定厚度和强度且呈矩形阵列排布的高压旋喷桩体，相邻的高压旋喷桩体相互咬合形成与路面平行的灌浆加强层；路基承载桩顶部埋入灌浆加强层一定距离；

S4：进行路堤修复及路面施工。

上述方法的核心在于利用单管高压旋喷方法形成所需的灌浆加强层。基于该方法，本发明还提供了下述优选实施方式。

作为优选，所述的S1中，首先采用路面铣刨机或反铲挖掘机振动炮头进行路面拆除，同时对路面拆除废渣进行清运。

作为优选，所述的S2中，路基承载桩在平面上呈梅花形布置；自桥台开始前若干排桩长相同，随后逐排依次缩短长度；路基承载桩沿路面横向采用统一桩长。本发明中，沿路面纵向是指沿道路的延伸方向，沿路面横向是指与纵向相垂直且平行于路面的方向，下同。

进一步的，所述的路基承载桩采用双向水泥搅拌桩，其施工方法为：

1)路基承载桩定位及桩基就位；

2)切土下沉、喷浆：A)浆液配制：双向水泥搅拌桩的浆液采用42.5普通硅酸盐水泥为固化剂，水泥用量为65kg/m，水灰比0.50；搅拌灰浆时，应先加水，然后按掺入水泥，每次灰浆搅拌时间不得少于2min，将水泥浆充分拌匀；水泥浆从灰浆拌和机倒入集料斗时，必须过滤筛，把水泥硬块剔出；B)浆液输送：水泥浆由挤压式灰浆泵压入胶管送到双向水泥搅拌桩机的钻杆内，最后从内钻杆的出浆口射入土体内；C)切土下沉：启动搅拌机，使搅拌机沿导向架向下切土，同时开启灰浆泵向土体喷水泥浆，喷浆时灰浆泵的泵压控制在0.25～0.4Mpa；双向水泥搅拌桩机的两组叶片同时正、反向旋转切割、搅拌土体，直至设计深度，在桩底持续喷浆搅拌不少于15秒；下钻时内、外钻杆转速≥50r/min，钻杆下钻速度控制在0.5～0.8m/min；

3)搅拌提升：A)关闭灰浆泵，提升搅拌机，两组叶片同时正反向旋转搅拌水泥土，直至路堤上表面；B)提升过程中控制内、外钻杆转速≥50r/min，钻杆提升速度控制在0.7～1.0m/min；

4)桩机移动至下一桩位，重复步骤1)～3)。

作为优选，所述的单管高压旋喷方法的设计桩位沿路面呈矩形阵列排布，每个成桩与其水平和竖直方向相邻的成桩之间均圆周相嵌；桩机施工走向为先沿路面横向从一侧的首个桩位开始逐个施工至另一侧，再反向从同侧的相邻排首个桩位开始逐个施工至另一侧，不断循环。

进一步的，单管高压旋喷方法形成灌浆加强层的具体步骤如下：

1)钻机就位后，对桩基进行调平、对中，调整桩机的垂直度，保证钻杆与桩位一致，偏差在10mm以内，钻孔垂直度误差小于0.3％；

2)在钻孔机械试运转正常后，开始引孔钻进；

3)钻进引孔至设计深度后，拔出钻杆，并换上喷射注浆管插入至设计深度；

4)当喷射注浆管插入设计深度后，接通泥浆泵，然后自下而上旋喷；喷射时，先应达到预定的喷射压力，喷浆后在注浆提升旋喷管，以防止扭断旋喷管；为保证桩底的质量，喷嘴下沉到设计深度时，在原位置旋转至孔口冒浆正常后再旋喷提升；钻杆的旋转和提升应连续进行，不得中断；

5)旋喷提升到灌浆加强层顶部标高时，停止旋转喷浆管，缓缓提升喷浆管出孔口，在此过程中灰浆泵继续向孔内注浆，确保加强层以上钻孔内充满水泥浆；

6)根据设计桩机桩位及施工走向，使桩机移动至下一个桩位进行施工。

作为优选，路基承载桩施工时，在路基承载桩顶标高以上路堤部分，搅拌机下沉和提升过程中只搅拌，不注浆。

作为优选，在搅拌桩桩位设计灌浆孔，在单管高压旋喷方法对灌浆加强层完成后，对灌浆加强层以上搅拌桩机扰动路堤部分进行注浆加固。

作为优选，对于灌浆加强层以上路堤部分在高压灌浆时留下的钻孔，在灌浆加强层灌浆完成后提升注浆管的过程中，对钻孔进行无压注浆，使钻孔内充满水泥浆，凝固后形成水泥填充体。

本发明其有益效果如下：

1、通过路堤底部的灌浆加强层，可以将上部荷载均匀分配至承载桩与软土地基，有效减小软土路基的所承受的荷载，可以有控制路基的后期沉降。

2、仅在路基梅花形布置承载桩，该方法形成的路堤灌浆厚度仅为1m，相对传统路基灌浆工艺，处理深度小，施工成本降低20％左右。

3、本发明施工仅涉及灌浆和桩基处理，施工可以在现有路面上进行，可以通过路面单幅施工的方式进行，降低对路面交通的影响。

附图说明

图1为本发明的基于结构变形协调控制的营运公路桥头跳车处置结构的纵向构造图；

图2为图1中A-A剖面所示的承载体系横向构造图；

图3为图1中B-B剖面所示的承载桩平面布置图；

图4为本发明的承载体系受力简图；

图5为本发明的旋喷桩布置及施工走向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本发明控制桥头跳车现象所采用的基于结构变形协调控制的营运公路桥头跳车处置结构如图1所示。其原理是在路基承载桩和路堤底部之间，通过高压灌浆形成若干个具有一定厚度和强度且呈矩形阵列排布的高压旋喷桩体，相邻的高压旋喷桩体相互咬合形成与路面平行的灌浆加强层，作为一个整体承载上部路堤或车辆传导的荷载。路基承载桩顶部伸入灌浆加强层中，通过灌浆加强层将上部荷载均匀分配至路基承载桩与软土地基。进一步的，如图2所示，路基承载桩在沿路面纵向上，自桥台开始前若干排桩长相同。如图1所示，随后逐排依次缩短长度；路基承载桩沿路面横向采用统一桩长。

本发明采用单管高压旋喷方法在营运道路上对上述结构进行施工。施工工艺的实施过程主要分为路基水泥土搅拌桩施工、路堤灌浆加强层施工和路堤修复与路面施工三部分内容。施工工艺流程如下：

1、处置路段原有路面拆除。

根据路面类型，可以采用路面铣刨机或反铲挖掘机振动炮头进行路面拆除。路面拆除废渣清运完成后，可以开始路基承载桩施工。

2、路基承载桩(采用水泥土搅拌桩)施工

(1)承载桩采用水泥土搅拌桩，施工采用单轴双向水泥土搅拌桩机。

(2)承载桩布置：

1)桩径650mm。

2)如图3所示，平面上梅花形布置，桩在纵向及横向中心间距均为1000mm。

3)纵向布置9排。第一排承载桩边缘离开桥台边缘500mm。自桥台边缘到最后一排桩中心线总处置长度为8500mm。

4)沿路面纵向由桥台开始的第1至第4排桩长均采用10000mm。自第五排开始，桩长按照500mm逐排依次缩短长度。

5)承载桩沿路堤横向采用统一长度。横向承载桩根数根据路基宽度按照1000mm间距计算确定。

6)承载桩埋入上部路堤灌浆加强层300mm。

(3)水泥土搅拌桩施工：

1)搅拌桩定位及桩基就位

A)根据桩位布置图进行现场测量定位。将桩的准确位置测设到路堤上，每一个桩位打一个小木桩，以便桩机对中，保持桩位正确。

B)桩基就位，对中。

2)切土下沉、喷浆

A)浆液配制：双向水泥搅拌桩的浆液采用42.5普通硅酸盐水泥为固化剂，水泥用量为65kg/m，水灰比0.50。搅拌灰浆时，应先加水，然后按掺入水泥，每次灰浆搅拌时间不得少于2min，将水泥浆充分拌匀。水泥浆从灰浆拌和机倒入集料斗时，必须过滤筛，把水泥硬块剔出。集料斗的容量不小于一根桩需要的水泥浆用量，保证不会因浆液供应不足而断桩，同时集料斗不宜过大，避免因浆液过多产生沉淀而引起浆液浓度不足。

B)浆液输送：水泥浆由挤压式灰浆泵压入内径为Φ32的胶管送到双向水泥搅拌桩机的钻杆内，最后从内钻杆的出浆口射入土体内。泵压通过安装在灰浆泵上的压力表控制，喷浆时灰浆泵的泵压控制在0.25～0.4MPa。

C)切土下沉：启动搅拌机，使搅拌机沿导向架向下切土，同时开启灰浆泵向土体喷水泥浆，两组叶片同时正、反向旋转切割、搅拌土体，直至设计深度，在桩底持续喷浆搅拌不少于15秒。下钻时内、外钻杆转速≥50r/min，钻杆下钻速度控制在0.5～0.8m/min。

3)搅拌提升

A)关闭灰浆泵，提升搅拌机，两组叶片同时正反向旋转搅拌水泥土，直至路堤上表面。

B)提升过程中需严格控制体钻速度，将已喷浆的水泥土进一步搅拌均匀，提升时内、外钻杆转速≥50r/min，钻杆提升速度控制在0.7～1.0m/min。

4)桩机移动至下一桩位，重复步骤1)～3)。

3、路堤灌浆加强层施工

(1)采用单管高压旋喷方法对路堤底部1米范围内填料进行固化处理，在路堤底部形成1m厚的路堤加强层，均匀传递上部荷载至承载桩和软土路基。

(2)采用直径700mm，中心间距为600mm的单管法高压旋喷桩相互咬合，形成具有整体性的路堤加强层。加强层厚度为1m。

(3)路面范围内高压旋喷施工在路基顶部进行，超出路面范围之外部分，要在路基边坡上搭设施工平台进行。

(4)单管高压旋喷施工主要机械：

锚杆钻机：MGJ-50；

灰浆泵：XPB-90KW；

灰浆搅拌机：2.2KW.

(5)单管高压旋喷施工

如图5所示，单管高压旋喷方法的设计桩位沿路面呈矩形阵列排布，每个成桩与其水平和竖直方向相邻的成桩之间均圆周相嵌，以保证桩体之间可以有效的咬合，成为整体。桩机施工走向为先沿路面横向从一侧的首个桩位开始逐个施工至另一侧的最后一个桩位，再反向从该桩位右侧相邻一排的首个桩位开始逐个施工至另一侧的最后一个桩位，再次反向对第三排进行施工，不断循环。该桩位设计能够保证最终成桩均可以圆周相嵌，且相互咬合的桩体之间有100mm的咬合厚度，足以形成一个整体来承担上部的载荷。而该施工走向可以保证下一个桩施工完毕之前，前一个桩的浆液尚未凝固，两者可以相互融合，实现桩体咬合。主要施工流程如下：

1)钻机就位

根据设计桩机施工走向及桩位，使桩机移动就位。钻机就位后，对桩基进行调平、对中，调整桩机的垂直度，保证钻杆与桩位一直。偏差应在10mm以内，钻孔垂直度误差小于0.3％。钻孔前应调试空压机、泥浆泵，使设备运转正常。

2)引孔钻进

在钻孔机械试运转正常后，开始引孔钻进。钻孔过程中要详细记录钻杆节数，确保钻孔深度。

3)拔出钻杆、插入注浆管

钻进引孔至设计深度厚，拔出钻杆，并换上喷射注浆管插入至预定深度。

4)当喷射注浆管插入设计深度后，接通泥浆泵，然后自下而上旋喷。喷射时，先应达到预定的喷射压力，喷浆后在注浆提升旋喷管，以防止扭断旋喷管。为保证桩底的质量，喷嘴下沉到设计深度时，在原位置旋转10秒左右，待孔口冒浆正常后再旋喷提升。钻杆的旋转和提升应连续进行，不得中断。

5)旋喷提升到加强层顶部标高时，停止旋转喷浆管，缓缓提升喷浆管出孔口，在此过程中灰浆泵继续向孔内注浆，确保加强层以上钻孔内充满水泥浆。

6)根据设计桩机桩位及施工走向，使桩机移动至下一个桩位进行施工。

高压旋喷的参数控制如下：

水泥浆水灰比：1:1(水泥选择42.5普通硅酸盐水泥)；

注浆压力：大于20MPa；

喷浆管提升速度：20-28cm/min；

喷浆管旋转速度：20-25r/min；

水泥用量：不小于210kg/m。

4、路堤修复及路面施工

(1)路堤填筑体扰动处理

在承载桩和刚性层灌浆施工过程中，搅拌桩机在下沉和提升过程中会对桩径范围内路堤产生搅拌扰动，破坏路堤填料原有密实度。同时，刚性层灌浆施工过程中，钻孔机械也会对路堤填筑料产生扰动，并留下钻孔。为此，在施工过程中，要对路堤扰动部分进行处理。

1)水泥土搅拌桩施工时，在路基承载桩顶标高以上路堤部分，搅拌机下沉和提升过程中只搅拌，不注浆。

2)刚性层灌浆施工时，在搅拌桩桩位设计灌浆孔，在采用单管高压旋喷方法灌浆加强层灌浆完成后，需对加强层以上搅拌桩机扰动路堤部分进行注浆加固，注浆按照刚性层注浆同等要求进行。

3)对于灌浆加强层以上路堤部分高压灌浆时留下的钻孔，在灌浆加强层灌浆完成，提升注浆管的过程中，对钻孔进行无压注浆，使钻孔内充满水泥浆，凝固后形成水泥填充体。

通过上述处理方法，在确保路堤扰动部分得到可靠处理的同时，对路堤结构也有整体加强的作用。否则，路堤部分会因为施工过程中的各种钻孔和其他扰动，导致内部结构稳定性存在隐患。

(2)道路面层施工

按照设计要求进行道路面层施工。

本发明施工方法最终形成的承载体系受力如图4所示。路堤和道路车辆荷载被均匀地传递到由桩和土体共同形成的受力体系中。某市国道采用上述方法进行处置后，运营四年均没有出现桥头跳车现象。这表明本发明的结构和方法承载体系合理，有效地控制了软土路基的不均匀沉降。而且形成的路堤灌浆厚度仅为1m左右，相对传统路基灌浆工艺，处理深度小，使施工成本降低20％左右。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。