PTC管樁在市政道路深層軟土地基處理中的應用

沈學芳，曾惠芬

(蘇州市市政工程設計院有限責任公司，江蘇 蘇州 215007)

0 引言

由于市政管線敷設的需要，市政道路深厚層軟土地基的處理方法主要是堆載預壓 (排水固結法)和水泥土攪拌樁(含干法和濕法)等方法。其中排水固結法處理時間長，施工工期長，很難滿足工程建設工期要求；水泥土攪拌樁法雖然處理效果較好，但是常規機械對于深度大于15 m的深厚層軟土地基處理效果較差，成樁質量取決于施工工藝，難以保證處理質量。

城市開發建設從地質條件良好的區域開始向濱海、湖泊、河灘等地質條件差的區域發展。在工期緊張的情況下，傳統方法處理明顯不能滿足沉降變形和工期要求。近幾年來江蘇省的高速公路建設迅速，推動了理論地基處理技術研究和工程實踐的發展，PTC管樁（預應力空心管樁）由于施工速度快，質量容易控制，造價與水泥土攪拌樁基本相當，因此在江浙等地區的高速公路建設中得到日益廣泛的應用，工藝成熟。經過反復比選，蘇州市市政工程設計院把PTC管樁處理技術應用到市政工程中，具體項目為吳江市蘆蕩路。

1 技術簡介

PTC管樁處理道路工程的深厚層軟土地基目前成熟研究成果是帶帽剛性組合單樁復合地基。PTC管樁是一種樁體強度高的剛性樁，樁身強度極高達C60、C80。帶帽剛性組合單樁復合地基設計主要是采用疏化樁間距的方法，利用摩擦樁型的特點，充分考慮樁土共同作用，在樁帽頂鋪筑一定厚度(一般為40 cm)的碎石褥墊層，上覆荷載通過褥墊層的傳遞作用，樁帽頂和樁帽間土體均承擔荷載，從而形成剛性樁復合地基。

2 概況

2.1 工程概況

吳江蘆蕩路是吳江市的一條東西向城市主干道,計算行車速度為40 km/h，雙向6車道，道路標準橫斷面為三幅式，總寬度為44 m，路幅分配為：2×11 m機動車道+2×3 m分隔帶+2×3.5 m非機動車道+2×4.5 m人行道。

現狀用地大部分路段為河塘，標高在0～-1.0m，填土高度2～3 m；少量路段為旱地，標高在2.0 m左右，路基填土高度在1m左右。

道路下敷設8種市政管線共計10根，管線埋設深度：雨水管2～3 m，污水管3～4 m，給水管約1.5 m，通信、電力約2 m。

2.2 地質概況

吳江蘆蕩路位于太湖稍，大部分為軟土地基。地表下20.3 m范圍內各土層均由第四系沖湖積沉積物組成。根據野外鉆探揭露土層鑒別和原位測試，結合室內土工試驗成果，地層從上往下分別為：

①2素填土：灰黃～灰色，松軟，以粘性土為主、淺部局部夾有少量植物根莖，層厚0.50～2.30m，含水量為30%，孔隙比為0.94，壓縮性不均，工程特性差。

②粉質粘土：灰黃色～灰色，可塑，含少量鐵錳質氧化斑點。層厚0.40～2.80 m，含水量為30.6%，孔隙比為0.95，壓縮系數為0.39 a0.1～0.2（MPa-1），壓縮性中等，工程特性一般。

③淤泥質粉質粘土，灰色，流塑，含少量有機質。層厚7～17.40 m，孔隙比為1.27，含水量為45.1%，壓縮系數為0.93 a0.1～0.2（MPa-1），壓縮性高，工程特性差，為重點處理的軟土層。

下臥層為：

⑦粉質粘土：灰色，軟塑，局部夾薄層粉土。孔隙比為 0.84，含水量為 29.9%，壓縮系數為0.32 a0.1～0.2（MPa-1），壓縮性中等，工程特性一般。

⑧粉質粘土：灰黃色，可塑，含鐵質氧化斑，夾灰色條紋，層厚3.5～6.8 m，孔隙比為0.731，含水量為25.8%，壓縮系數為0.25 a0.1～0.2（MPa-1）。壓縮性、工程特性中等。

⑨粘土：暗綠～褐黃色，硬塑，含灰色條紋，含鐵錳質結核斑點,層厚8.2～69.3m，壓縮性中等，工程特性良好,可作為樁基礎的持力層。

各土層地基承載力基本容許值見表1所列。

表1 地基承載力基本容許值一覽表（單位：kPa）

3 技術適用性分析

經路堤沉降分析計算，地基不處理直接填筑路基的工后沉降達34.6 cm，不滿足工后沉降的控制指標，規定在道路設計使用年限（15 a）內的工后沉降為：橋臺與路堤相鄰處不大于10 cm、一般路段不大于30 cm。因此需要進行地基處理。

軟基處理方案選擇應根據軟土實際厚度、土質性質、路堤高度、路基穩定、工后沉降控制標準及施工工期、工程造價等綜合分析確定技術先進、經濟合理的軟土地基處理方法。對于埋藏較深，層厚較厚軟土層的路段從處理效果、工期、造價、施工、質量等綜合比選，前期方案階段選擇了長三角地區常用的排水固結法、水泥攪拌樁復合地基法、剛性樁復合地基法（PTC預應力管樁法）等進行分析比選。

3.1 排水固結法

排水固結法由排水系統和加壓系統兩部分組成，人為地在軟土層內造成滲水通道，在路堤填土自重堆載預壓下加快排水固結，孔隙水在力的作用下通過豎向排水通道逐漸排出，使土體產生固結變形和強度增長，縮短排水時間。

工法簡述：豎向排水通道采用塑料排水板，斷面為100 mm×4 mm，正三角形布置間距1 m，塑料排水板插設深度達到軟土層底。路堤頂設置1.6 m厚等載預壓土方，加固后上部5～6 m地基承載力可達到80 kPa以上，工后沉降與預壓期關系密切。地基處理工期約3個月，預壓時間約10～12個月。

工法優點：施工簡單，排水效果好，排水板價格低廉，工程造價低，并能充分利用東太湖清淤出的大量土源，以時間換投資，在工期較寬松的條件下是一種理想的處理工法。

缺點：目前市場上排水板差異性大、質量不穩定，質量差的排水板在打設時會在土中折斷，施工工期受預壓期牽制，工期難以控制，工法效果又受土的滲透系數、固結系數，以及地下水位的影響較大；市政道路下埋設的雨水管地下管線等采用開槽法施工，將破壞砂墊層上鋪設的土工布的整體性，影響處理效果。

造價分析：處理深度平均12 m，約160元/m2。

3.2 水泥攪拌樁復合地基法

水泥攪拌樁復核地基是加固飽和粘性土地基的一種成熟方法。設計根據地基土質條件、室內配比試驗資料和現場工程經驗等確定樁身強度、水泥摻入量及樁的布置。

工法簡述：水泥摻量45～50 kg/m，樁身強度選用90 d齡期1.0 MPa，正三角形布置間距1.5 m，攪拌樁打設深度達到軟土層底并進入硬土層0.5m，復合地基承載力可達到100 kPa以上，地基處理工期約6個月。

工法優點：工期相對較短，施工速度快、傳統攪拌樁施工工藝技術成熟，管道基礎處理可同道路路基同步完成，工后沉降達到預期效果。

缺點：工程費用較高，當軟土層較厚時（根據經驗超過12 m），工程質量較難控制，對軟基下部攪拌不易均勻，處理深度有限；監理、檢測難度大，對施工隊伍素質、能力要求較高。深溝槽開挖需要另外增加支護措施。

造價分析：處理深度平均10 m樁長約280元/m2；處理深度平均18 m樁長約為490元/m2。

3.3 PTC預應力管樁復合地基法

利用薄壁管樁樁基減少路堤總沉降來達到控制路堤的工后沉降。預應力管樁樁頂澆筑鋼筋混凝土樁帽，在樁帽頂面鋪設40 cm厚碎石墊層及二層雙向土工格柵加筋層，路堤荷載通過土工格柵及碎石墊層作用于樁帽傳遞至樁身，形成一個相互作用的受力整體，能有效控制沉降量。

工法簡述：選用樁徑為Φ40 cm，壁厚7 cm的PTC樁，矩型布置，間距約3.5 m。樁長原則上應穿透軟弱土層到達強度相對較高的土層，樁長為17m～23 m不等。樁帽尺寸1.6 m×1.6 m，厚度40 cm，樁帽的頂部鋪設40 cm碎石加筋墊層。復合地基承載力可達到100 kPa以上，地基處理工期約6個月。

工法優點：PTC管樁由于施工速度快，成品樁質量可靠、檢測簡單、施工方便，沉降量小。處理深度不受限制，對于軟土深度較深路段較合宜，管樁處理后路基效果好；路幅內的管道基礎可設置于管樁樁頂以上，基礎不需另外作特殊處理。

缺點：對于處理軟土厚度小于10 m的路段，與其他工法相比造價較高；并將加大道路建成以后后續橫穿管的通過難度，需要合理預留通道。

造價分析：處理深度平均10 m約為330元/m2；處理深度平均18 m約為475元/m2。

3.4 PTC管樁技術適用性分析

排水固結法、水泥攪拌樁復合地基法市政道路深層軟土地基處理工程應用廣泛，剛性樁復合地基法（PTC預應力管樁法）在高速公路地基處理應用較早，市政工程尚處于探索階段。市政道路與公路的最大區別是填土高度與管線。

采用帶帽剛性組合單樁復合地基處理的道路實際上由三部分組成，路面結構層、路床及復合地基層，樁頂與路面結構之間的距離一般在2 m左右。即路基填土高度在2 m以上，則樁帽施工開挖土方量小；反之則需要加大送樁長度和樁帽施工開挖土方量。

3.4.1 填土高度因素與路基處理方式的關系

公路的填土高度由路基工作狀態確定，蘇南一帶的公路填土高度一般在1.5 m以上，因此路基處理選擇的方式較多。

城市道路的高程受城市豎向規劃控制，以零填零挖為主。吳江蘆蕩路基本位于現狀河塘，填土高度較高，采用PTC管樁處理地基而不需要開挖大量土方。

3.4.2 管線因素與路基處理方式的關系

公路地下管線少，一般僅有少量通訊線路，路基處理可以不考慮管線埋設要求。

市政道路既是交通通道，又是城市地下管網的通道，管網的通道一般位于道路下方2～3 m，地基處理必須與管線基礎、空間要求、施工要求統籌兼顧。吳江蘆蕩路地下管線多達10根，適當降低樁帽標高，可以滿足管線敷設要求，而且解決管線地基處理問題。

結合蘆蕩路工程軟土地基深度深、施工工期緊、管線埋深對地基處理的要求、路基填筑高度較高、工程對地基處理效果高等情況，經綜合比選，采用PTC預應力管樁深層路基處理工法。

4 帶帽組合單樁復合地基的設計

帶帽剛性組合單樁復合地基處理設計主要由帶帽組合單樁設計、復合地基設計及工藝性設計三部分組成。

采用控制沉降理論的復合地基設計方法，包括組合單樁布置、沉降計算及承載力驗算等內容。

控制沉降理論是現代樁土相互作用理論研究的重要成果之一，是按控制地基沉降的原則設計的樁基礎，也即在設計時由基礎的沉降控制值來確定樁數和樁長。樁在基礎中除承擔部分荷載外主要起減少和控制沉降的作用，樁可視為減少沉降的措施。

4.1 帶帽組合單樁設計

組合單樁布置包括樁型、間距及墊層厚度確定。

PTC樁作為一種剛性樁，與樁周圍土體共同組成復合地基。該工程采用摩擦樁設計，平面布置為矩型。

樁型的確定：為減少樁在施工過程中對軟土的擾動影響，選擇壓樁工藝。

樁長：樁長原則上應穿透軟弱土層到達強度相對較高的土層，同時按滿足超過危險滑弧的條件確定，以滿足穩定和變形要求。樁長為17 m～23 m不等。

樁徑：樁徑按與樁長的比值D：L≮1%確定，取樁徑為Φ40 cm，壁厚7 cm。

間距、樁帽尺寸：按控制沉降量和承載力為原則選取。樁間距初定為3～3.5 m，并滿足雨水管、污水管等對地基沉降較敏感的管道位于樁帽上。

樁頂標高：不過多開挖原地面的前提下樁帽頂標高控制在雨水管基礎以下。污水管埋深較雨水管深1～1.5 m，位于路幅外綠化帶內，路基橫斷面方向樁帽采用錯層布置，污水管部位的樁頂標高控制在污水管基礎以下。

樁帽尺寸1.6 m×1.6 m，厚度滿足設計荷載和抗剪強度要求，取40 cm。

墊層：為充分發揮樁土共同工作，在樁帽的頂部鋪設碎石加筋墊層，墊層厚度主要由不同填料的允許擴散角決定，蘆蕩路工程取用40 cm厚碎石層，在墊層中設置二層雙向鋼塑格柵，加強墊層的整體剛度。

4.2 復合地基設計

4.2.1 單樁承載力

工程設計前未進行靜荷載試樁，按承載力經驗參數法確定單樁豎向承載力，樁的規格為PTC A700 70 12計算公式：

式中：Qd——單樁豎向極限承載力設計值，kN；

γ——承載分項系數，取1.55；

U——樁身截面周長，m；

qik——單樁第i層土的樁側土的摩阻力標準值，kPa；

li——樁身穿過第i層土的長度；

qR——沉樁樁端處土的承載力標準值，kPa；

Ap——樁身截面面積，m2。

不同軟土層相應設計樁長的單樁承載力設計值見表2所列。

表2 單樁承載力設計值、復合地基承載力一覽表

4.2.2 復合地基承載力

式中：fsp——復合地基承載力，kPa；

β——樁間土應力發揮系數，取0.9；

m——置換率,Qd采用單樁承載力時取樁帽面積與樁間距面積的比值；

A1——樁帽面積（1.6 m×1.6 m）；

fsk——樁間土天然地基承載力。

樁間距為：縱向3.5 m，橫向3.2 m。

蘆蕩路不同路堤填土高度及設計長期荷載等見表2所列。路堤土的壓實容重按19 kN/m3計，路面結構厚度為70 cm，長期荷載見表2所列。

4.2.3 復合地基沉降計算

在荷載小于樁體承載力時，PTC管樁復合地基的沉降主要由以下三部分組成：（1）碎石褥墊層的受荷壓縮量；（2）樁體受荷后自身的豎向壓縮量；（3）樁尖以下土體的壓縮量。

碎石墊層抗壓強度較高，設計荷載作用下沉降量一般在1 cm以內，且沉降可在加載瞬間完成。

剛性樁樁身強度極高，一般可達C60級，在外荷載作用下，樁身壓縮量只有幾個毫米，可以忽略不計。

樁端以下土體的壓縮量采用分層總和法計算。

決定管樁復合地基總沉降量大小的主要是樁帽間土相對于樁帽和樁體的沉降,也就是樁帽向上刺入碎石墊層和路堤的位移量。根據上面的分析，樁帽間土承擔的荷載比例可以通過計算設計控制在總荷載的1/3左右。因此在設計時可以采用根據樁間土分擔荷載通過常規的分層總和法來計算樁間土沉降量的簡化方法，計算深度為樁體的長度。

經計算，在橋頭等高填土不利路段作為計算模塊，當填土高度（包括路面結構厚度）在4 m時，路面竣工時（按12個月計算）的地基沉降為3.9 cm，路面竣工后，在15 a基準期內的殘余沉降（工后沉降）為4.3 cm，基準期結束時,地基總沉降8.2 cm。由此可見，采用管樁處理軟土地基有著良好的控沉效果。

5 加固效果檢測

管樁采用靜壓法施工，壓樁力根據地質條件和不同樁長，一般為單樁設計豎向承載力特征值的1.5～2.0倍，且實行“雙控”，除保證樁長及樁底進入持力層的深度必須滿足設計要求外，還需通過油壓表來控制終壓值的大小，通過試樁確定PTC管樁的單樁極限承載力及驗證不同路段實際地質情況。施工中根據不同路段、樁長分別進行了5根工程樁作為試樁進行靜載試驗，所有試樁均為工程用樁，加載至試驗要求荷載樁身未破壞，預應力管樁的單樁豎向極限承載力大于1 200 kN，滿足設計要求。

6 結語

管樁以其樁身質量可靠、適應性強等優點，在公路及城市道路的軟土地基中正逐步得到推廣使用，已越來越受到工程參建各方的接受。但由于管樁在市政工程應用時間不長，其場地條件、受力狀態、工程狀況與高速公路、民用建筑等存在差別，在勘察、設計、施工、監理等方面還存在不少急待解決的問題，還需通過大量工程實踐來分析，積累和總結預應力管樁的應用經驗，以提高預應力管樁在市政工程應用中的技術問題及水平，取得更好的處理效果和經濟效益。

[1]徐澤中.公路軟土地基路堤設計與施工關鍵技術[M].北京：人民交通出版社.