帶帽控沉疏樁復合地基優化設計及其工程應用

雷金波，陳超群

(南昌航空大學 土木建筑學院，南昌 330063)

復合地基［1］，特別是剛性樁復合地基技術，以其自身的優勢，在深厚軟基處理中的應用日益廣泛。先前，剛性樁復合地基主要是以 CFG樁［2］為代表，但由于 PTC(Pre-stressed Tubular Concrete pile，簡稱 PTC)管樁(預應力薄壁管樁)在成樁質量、處理深度、處理效果、控制沉降等方面均比其它樁型具有優勢，能夠滿足軟基工后沉降量的控制標準，因此，近年來PTC管樁廣泛應用于堤壩地基、高速公路、高速鐵路、機場場道、沿海圍堤、港口工程等深厚軟基處理工程中［3-7］。為減小PTC剛性樁上刺入量、均化樁頂應力并保護墊層整體效應，通過在樁頂配置樁帽，各樁帽之間用碎石回填，并設置一定厚度的褥墊層，形成帶帽控沉疏樁復合地基［5］。

1 復合地基兩種沉降計算模式

在帶帽控沉疏樁復合地基的沉降計算中，可采用復合地基模式和樁帽間土體模式等兩種沉降計算模式。

1.1 復合地基模式

帶帽剛性樁復合地基的沉降量應該等于墊層壓縮量、復合樁體壓縮量與下臥層土體壓縮量三者之和。其中，在路堤設計荷載作用下，墊層壓縮量一般不到1 cm，可采用彈性計算方法。由于樁體剛度太大，復合樁體壓縮量可以忽略不計，故只需求解下臥層土體壓縮變形量，對這個問題已有眾多學者進行了研究和探討。比較適用的求解方法是把作用于樁帽頂的荷載看成是直接作用于樁頂位置(忽略樁帽下土體承載作用，計算結果偏安全)，樁頂荷載對地基土產生的作用力可以看成是樁端集中力、樁側均勻分布力和樁側隨深度線性增長的分布力三種荷載的疊加。Geddes根據彈性理論半無限體中作用有一豎向集中力時的Mindlin解的積分，導出了上述三種形式作用力在地基中產生附加應力的計算公式，計算過程繁冗，可參考文獻［8］。

1.2 樁帽間土體模式

帶帽控沉疏樁復合地基的沉降量等于墊層的壓縮量與樁帽間土體的壓縮量之和，其中，墊層壓縮量計算同上。根據試驗成果及數值分析，樁帽間土體在其所分擔的荷載作用下，只在一定深度內產生了附加應力，也就是說，對樁帽間土體而言，荷載作用下土體中產生附加應力的區域有一定的影響深度，該影響深度一般小于樁長［5］。影響深度的選取一般可取為樁長(或進行試樁反分析綜合確定)，工程中如此處理，結果偏于安全?？紤]到樁體的圍箍作用，樁帽間土體的沉降可近似看作只發生豎向位移，只要確定了作用于樁帽間土體表面上荷載，即可采用太沙基一維固結理論和單向分層總和法進行固結度和沉降計算。采用這種沉降計算模式，方法簡單，易于被工程技術人員所掌握，而且，根據文獻［9］可以確定出樁帽間土體表面所分擔的荷載。

另外，通過現場試驗和數值分析可知，在路堤荷載作用下，復合樁體沉降量與樁帽間土體沉降量一般不相等，復合樁體產生了上刺入現象，以致樁帽間土體的沉降量大于復合樁體的沉降量，因此，采用樁帽間土體的沉降量作為帶帽控沉疏樁復合地基的沉降量，這樣處理將使工程安全可靠度提高。從另一角度看，新建高速公路工后沉降量橋頭控制標準一般為3 cm［3］，因此，只要把樁帽間土體的沉降量控制在工后沉降量要求的范圍內，就可有效防止橋頭跳車現象，滿足高速公路正常營運要求。

2 復合地基優化設計

帶帽PTC型控沉疏樁復合地基按控制承載力進行初步設計，根據初步設計結果，再按控制樁帽間土體沉降量在工后沉降量標準范圍內來進行優化設計。

控沉疏樁復合地基設計有兩層含義，除控制復合地基沉降量的一般含義外，更主要是指控制樁帽間土體的沉降量，設計時，應使樁帽間土體的沉降量控制在高速公路工后沉降量的標準范圍內。對于帶帽控沉疏樁復合地基，本文的優化設計思路主要是采取適當措施，控制樁帽間土體沉降量在高速公路橋頭工后沉降量控制標準的范圍內。通?？刹扇煞N處理措施:一是通過調整樁體中心距和樁帽尺寸來調節樁帽間土體分擔的荷載，以達到控制樁帽間土體沉降量的目的，滿足高速公路工后沉降量的橋頭控制標準;二是在路基填土過程中，通過延長預壓時間或進行超載預壓處理，使之滿足工后沉降量的橋頭控制標準。因此，把樁帽間土體的沉降量作為帶帽控沉疏樁復合地基優化設計的主要控制因素，即可按控制樁帽間土體的沉降量不超過高速公路軟基工后沉降量橋頭控制標準來進行帶帽控沉疏樁復合地基的優化設計。新建高速公路一般有一定的預壓期，設計時，應當充分利用預壓期的特點，在滿足工后沉降量和工期的情況下，可適當增大樁體中心間距，節省樁數，以求處理效果更好。具體優化設計的思路如圖1所示。

1)進行帶帽PTC型控沉疏樁復合地基初步設計時，樁體中心間距和樁帽尺寸是最為重要的兩個設計參數，其余各參數都可通過地質條件、規程規范或者通過上述兩參數按擴散角的要求來確定和調整，因此，把樁體中心間距和樁帽尺寸兩個參數作為帶帽控沉疏樁復合地基優化設計的主要對象。

2)若圖1中判斷條件滿足高速公路工后沉降量的要求，可以選擇“是”、“否”要進行樁體中心間距和樁帽尺寸的優化。選擇“是”，則通過適當增大樁體中心間距和縮小樁帽尺寸，返回重新計算，以適量增加樁帽間土體的沉降量并控制在橋頭工后沉降量控制標準內，從而達到減少樁數、節約工程造價的目的;選擇“否”，則直接輸出計算結果(包括帶帽控沉疏樁復合地基總沉降量、各級荷載下沉降增量、樁體中心間距、樁帽尺寸等內容)。

圖1 控制樁帽間土體沉降量優化設計流程

3)若圖1中判斷條件不滿足高速公路工后沉降量橋頭控制標準的要求，則要選擇適當的處理措施。程序中有兩種處理措施可選擇，一是選擇減小樁體中心間距或增大樁帽尺寸，返回重新計算，直到樁帽間土體的沉降量差值滿足工后沉降量橋頭控制標準的要求為止;二是選擇延長預壓時間或進行超載預壓等預壓措施，同樣可達到減小樁帽間土體沉降量的目的。兩種處理措施也可以綜合使用。在工期較寬松的情況下，可以采用增大樁體中心間距、延長預壓時間，節省樁數，以降低工程造價;在工期較緊張的情形下，可以采用減小樁體中心間距或增大樁帽尺寸或超載預壓的措施，達到縮短工期、減小樁帽間土體沉降量的目的。

4)由圖1還可知，帶帽樁復合地基設計的核心是復合樁土應力比的確定。只有確定了復合樁土應力比，才能確定作用在樁帽間土體表面上的荷載。

3 工程實踐

3.1 土層地質參數

各土層的地質參數如表1所示。

3.2 初步擬定設計參數

樁長Lp=29 m，樁徑Dp=0.4 m，樁體中心間距B1=3.0 m，樁帽尺寸 B2=1.5 m，灰土墊層厚度 hc=1.5 m。

表1 各層土的物理力學指標

表2 帶帽控沉疏樁復合地基按不同復合樁土應力比固結計算結果(B1=3.0 m)

3.3 按不同復合樁土應力比n固結計算

對試驗段帶帽控沉疏樁復合地基按不同復合樁土應力比進行固結沉降計算，并將計算結果與現場觀測值作比較，如表2所示。其中，樁土應力比n=91為采用文獻［9］的計算數值，其余三個數值(樁土應力比n=25、50、70)則是為作比較而選用的數值。由表2可以看出，四種計算結果均可反映出地基發生固結沉降變形的一般規律。當n=25時，采用一維固結理論、單向分層總和法的固結沉降計算結果與實測值比較接近，隨著復合樁土應力比的增大，固結沉降計算值與實測值相差越來越大。分析產生該情況的原因，可能有以下幾方面:一是文獻［9］建立的復合樁土應力比計算公式，模型上是把帶帽剛性樁和樁帽下的土體看成是復合樁體，理論上忽略了樁帽下土體的承載作用，實際樁帽下土體還有一定的承載作用，使得復合樁土應力比的計算偏大，樁帽間土體承載的荷載偏小，總沉降和固結沉降偏小，故應對復合樁土應力比計算值進行修正。將原型觀測值與各復合樁土應力比固結沉降計算值進行比較，確定比較合適的復合樁土應力比值，所要的修正系數為復合樁土應力比計算值與按上述方法確定的復合樁土應力比值的比值，本例修正系數為3.64。二是考慮到土體參數的復雜性，按照土力學中常用方法，可在計算值與實測值之間選取一個比較合適的加權系數，對于復合樁土應力比n=91的情況，加權系數為4.87。綜合上述兩方面因素，確定復合樁土應力比修正系數為4.26，由此可預測帶帽控沉疏樁復合地基的總沉降為6.69 cm。

3.4 優化設計結果

根據上述優化設計的思路，考慮到問題的復雜性，本文只對增大或減小樁體中心間距和選擇不同的預壓時間進行了優化，其結果如表3所示。路堤全荷載作用下，天然地基總沉降量為78.4 cm。由表3可以看出，采用帶帽PTC型控沉疏樁復合地基處理技術，當樁體中心間距為4.5 m時，路基總沉降才33.4 cm，比天然地基的總沉降量要小得多，說明帶帽控沉疏樁復合地基可以有效控制地基沉降量，并減小路基總沉降量。隨著樁體中心間距的增大，樁帽間土體的總沉降量隨之增大，須采用相應的預壓措施才能滿足高速公路工后沉降量的控制標準，而且，樁體中心間距越大，需要的預壓時間越長，在工期相對緊張的情況下，一般是不允許的。但這說明，在工期相對緊張的情況下，可以采用縮小樁體中心間距或增大樁帽尺寸的措施，達到控制路基工后沉降量在其允許的范圍內的目的。同時也說明了，帶帽控沉疏樁復合地基技術配合預壓措施，可以有效控制路基的工后沉降量。在控制樁帽間土體沉降量滿足工后沉降量橋頭控制標準的條件下，通過對表3優化結果、工期、工程造價等各方面因素綜合考慮，建議采用3.5 m的樁體中心間距，其它尺寸可按照原設計參數，能獲得更好工程造價，并可為類似工程提供參考價值。

表3 帶帽剛性樁復合地基優化結果

4 結語

1)以控制樁帽間土體沉降量在工后沉降量標準范圍內為目標，通過采取調整樁體中心間距或樁帽尺寸等措施，以改變復合樁土應力比并配合預壓措施來進行帶帽控沉疏樁復合地基優化設計。

2)在樁帽間土體沉降量滿足工后沉降量控制標準的情況下，采取增大樁體中心間距或減小樁帽尺寸并配合延長預壓時間，節省樁數，以達到降低工程造價的目的。

3)在樁帽間土體沉降量不滿足工后沉降量控制標準的情況下，有兩種措施可供選擇:一是在工期寬松的情形下，可采取延長預壓時間或進行超載預壓的措施;二是在工期較緊張的情形下，可采取減小樁體中心間距或增大樁帽尺寸的措施。兩種處理措施均可達到降低樁帽間土體沉降量的目的，第一種處理措施是以工期寬松為前提，而第二種處理措施是以提高工程造價、追求工期為代價，工程中究竟采用哪一種，應視工程造價、工程施工期限等因素綜合確定。

4)通過工程實例，采取調整樁體中心間距或樁帽尺寸，并配合預壓措施，可達到控制樁帽間土體沉降量在高速公路工后沉降量橋頭控制標準范圍內的目的，說明本文所提倡的帶帽控沉疏樁復合地基進行優化設計的思路和方法是可行的，具有先進性，可為類似工程提供參考。

［1］龔曉南.復合地基理論及工程應用(第二版)，［M］.北京:中國建筑工業出版社，2007.

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