塑料套管混凝土樁在寧波南外環路的應用

劉志明，肖雄杰，付 煒

（中國市政工程中南設計研究總院，湖北武漢430010）

1 概述

寧波市南外環路東段（世紀大道-東外環路）工程位于寧波市區南部，南側緊靠杭甬高速公路，北側緊鄰鐵路北侖支線，西起世紀大道，東至東外環路，全長3.965 km，規劃為雙向6車道城市快速路。

南外環路東段作為連接寧波市內環快速路與中環快速路的重要道路，主要承擔老城區、東部新城區的南部東西向交通，具有吸引、疏解、組織沿線車輛及溝通該區域主要骨架道路的功能；吸引沿線交通方便地進入城市高速公路系統。服務對象客運、貨運交通并重，根據該路段交通量調查分析預測，建成初年（2009年）高峰小時最大斷面流量為4 120 pcu/h，客貨比例為3:1，交通量預測末年（2029年）高峰小時最大斷面流量為5 230 pcu/h，客貨比例為5:1，即運營期初該道路具有明顯貨運干道的性質。

寧波地區地質條件復雜，地表以下有深厚的淤泥質土層，已建成的某環線道路與該道路交通性質相似，其軟土地基處理方法為：路橋銜接段采用水泥土攪拌樁處理，一般路段換填一定厚度的塘渣處理；道路建成運營一段時間后即出現了工后沉降和不均勻沉降大、路面縱向呈波浪狀起伏、局部路面開裂等病害，嚴重影響了道路功能的充分發揮，究其原因主要為軟土地基處理方法不當及通行貨運車輛重載超載。近年來，在寧波地區道路設計中路橋銜接段普遍采用PTC管樁、素混凝土旋挖樁、碎石注漿樁等樁承式路堤進行軟基處理，工后沉降得到有效控制，橋頭跳車狀況明顯好轉，但是其造價較高，在一般路段長距離使用代價太大。一般路段軟土地基處理中常用方法是單向水泥土攪拌樁，該方法施工技術成熟、工期短，但存在軟土有效加固深度淺、施工質量控制性差的問題。

2 塑料套管混凝土樁介紹

塑料套管混凝土樁 （Plastic tube cast-in-place concrete pile，以下均簡稱TC樁）作為一種新樁型，屬于樁承式加筋路堤中的小直徑剛性樁的一種，目前已成功應用于多項公路、鐵路工程的軟基處理中，與傳統軟基處理方法相比在適宜的地質條件下，取得了較好的技術經濟效益，沉降收斂快、總沉降量較小，沉降主要發生在施工期，工后沉降小。

TC樁由預制樁尖、塑料套管、套管內混凝土、頂部樁帽四部分組成；其主要工藝為按照一定間距將塑料套管打入需要加固的軟土地基中，套管底部與預制樁尖固定，頂部開口，待擬加固場地分段區塊套管全部打設完畢后，開挖蓋板土模，安放鋼筋籠及蓋板配筋，再統一對埋設在地基中的套管用C25混凝土連續澆注成樁，套管不再取出。

TC樁與當前我國道路軟基處理中普遍使用的水泥土攪拌樁、預應力管樁、振動沉管樁、旋挖樁等路堤樁相比，有它的合理性、先進性及適用性。它的主要優點在于先有套管成模，后集中現澆，這樣與振動沉管樁相比其混凝土用量可控、沒有充盈、不會因為振動擠土而引起斷樁，打設機械可以連續施工和混凝土可以連續澆筑而降低施工費用；采用現澆工藝后不需要像預應力管樁等預制樁一樣采用大量鋼筋和大型運輸，以及打設機械，也不需要事先配樁等優勢，而與水泥土攪拌樁等柔性樁相比它又是剛性樁，承載力高且質量容易控制，整體造價較低等優點，其樁周又帶有螺紋而可以獲得較大的樁側摩阻力。

3 一般路段軟基處理設計

3.1 工程地質情況

該工程所在地區屬于寧奉平原軟土分布區，該區域軟土特點為地表以灰黃色、暗綠色湖沼積地層為主，其下分布海相淤泥、淤泥質土層，常有泥炭層成片分布。各層土體工程地質特點為：

（1）場地淺層遍布①2層黃褐色粉質粘土層，該層層厚較薄，約1.0～1.5 m，強度一般，容許承載力σ0=75 kPa，中等偏高壓縮性，可作為道路路基的持力層。

（2）硬殼層以下為②1層淤泥、②2層淤泥質粘土，層厚較厚，約 13～15 m，容許承載力 σ0=40～60 kPa，壓縮模量 Es=2～3 MPa，高壓縮性，垂直滲透系數為1.4×10-7cm/s，在路基填土附加荷載作用下，沉降量大，固結緩慢，為主要壓縮層。

（3）其下③1粉砂夾粉土或③2層粘質粉土為相對硬土層，K0+000～K1+515（規劃河四）為③2層，K1+515（規劃河四）～K2+861（盛莫路）為③1層，K2+861（盛莫路）—終點此兩層缺失，層厚2 m左右，容許承載力σ0=95～190 kPa，中等壓縮性。

（4）其下④層淤泥質粉質粘土，層厚6.9 m～24 m，埋藏相對較深，壓縮模量ES=2.8 MPa，高壓縮性，在路基填土附加荷載作用下，沉降量較大，固結緩慢。

（5）其下各層為⑥、⑦層粘土、亞粘土或砂類土，壓縮模量ES=6～9 MPa，中低壓縮性，承載力較高，工程性質較好。

3.2 TC樁設計情況

TC樁軟基處理范圍為南外環路東段一般路段機動車道，平面上采用正方形布置，樁間距1.6m，預制樁尖采用C30鋼筋混凝土，直徑約30 cm，并設置有固定套管的塑料套管接頭，樁體外側為外徑16 cm的單壁螺紋PVC塑料套管，套管強度根據打設深度不同采用環剛度6～10級套管，樁身、蓋板采用C25混凝土連續澆注一體化施工，蓋板直徑50 cm，高度20 cm。

根據地勘報告，K1+542～K2+940區域存在③1粉砂夾粉土層，可以作為TC樁持力層。該段TC樁樁長按進入持力層≮1 m控制，平均樁長為14 m。對于其他區域，TC樁樁長根據承載力及沉降計算綜合確定。承載力計算按照 《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008）計算單樁豎向極限承載力標準值，承載力設計安全系數取1.1～1.3。

TC樁路堤變形主要由樁頂沉降控制，樁頂總沉降s由樁身壓縮量s1、樁端平面以下沉降量s2和樁端刺入量Δs三部分組成。

該項目典型斷面的承載力、沉降計算見表1所列。

3.3 TC樁豎向抗壓靜載試驗情況

對樁打設至相對硬土層的段落，其總荷載按150 kN控制。根據實地試驗，28 d單樁極限承載力可達160 kN以上，隨著時間增長，樁周土進一步回擠，其極限承載力可進一步提高。TC樁施工采用的是大直徑鋼沉管內套小直徑塑料管，并采用擴大樁尖的方法成樁。樁周土先擾動擴孔，與塑料套管先不接觸，待鋼沉管拔出后依靠土體自重固結、相鄰樁打設擠土作用及上部荷載作用下逐步回擠，使塑料套管與樁間土緊密作用。樁間土經歷擴孔、回填、回擠的過程，使TC樁承載力具有一定特殊性和更明顯的時效性。

3.4 路堤荷載下TC樁復合地基沉降

考慮軟基處理一般路段、過渡段、橋頭等不同路段軟基處理不同方式、不同路段地質條件變化等因素，南外環路東段道路共布置53個觀測斷面，進行沉降（沉降板）、深層水平位移（測斜管）、深層土體沉降（分層沉降管）、孔隙水壓力（孔壓計）監測，其中對一般路段設置15處觀測斷面，每個斷面分別在中央分隔帶及兩側機非分隔帶內埋設沉降板進行沉降觀測。監測情況見表2所列。

表1 典型斷面的承載力、沉降計算值一覽表

觀測數據表明：

（1）TC樁處理后的路堤沉降量小，沉降收斂快，且主要發生在施工期，路面施工結束時月沉降速率遠小于5 mm，路基沉降基本穩定。

（2）竣工通車后月沉降速率逐月減少，至第三個月月沉降速率大部分斷面已小于5 mm，這主要是因為竣工后大量重型貨車通行所致。這說明低路堤條件下交通荷載對路基沉降的影響是不能忽視的，尤其是市政道路由于工期原因軟基處理后填筑路基預壓時間很短，且幾乎不采用超載預壓工藝，故在沉降計算中必須要考慮交通荷載影響。

（3）至觀測期末，各路段總沉降基本控制在8～10 cm，各斷面之間差異沉降很小，漸變率不大于0.5%，月沉降速率已收斂至5 mm以下，預測15 a工后沉降不大于20 cm。

4 TC樁施工工藝

TC樁的施工工藝及流程如下圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

主要施工工序如下：

（1）TC樁打設前，先整平場地，鋪設砂礫墊層。

（2）塑料套管準備及制作。塑料套管準備，對套管進行試驗和尺寸檢測。根據加固樁長的要求，將出廠的套管切割成合適長度。

（3）制作樁尖并與套管連接。將切割好的套管與樁尖連接密封牢固。

（4）將打設設備移機就位。設備可采用靜壓振動聯合插管機，可由普通沉管機、插板機等同類設備改造而成。

表2 沉降板沉降觀測值一覽表

（5）放置套管及打設。將帶有樁尖的套管從鋼管底部放入鋼管中，樁尖與樁位對準，然后開機將鋼管打設至預定的深度，打設過程中要控制好垂直度。

（6）拔鋼管。將鋼管拔出而將塑料套管留在地下，移機至下一個樁位，重復（4）～（5）工序，繼續埋設套管。

（7）截樁和檢查套管的深度。將多余的套管進行截樁和整理后，可以隨時對套管深度檢查，并隨時保護套管內的清潔，盡量不讓雜物進入。

（8）沿塑料套管中心開挖直徑約為50cm（根據樁帽的尺寸定），高約為20cm的圓孔，放置樁頂鋼筋籠及蓋板頂、底層鋼筋。

（9）場地內集中澆注混凝土完成樁和蓋板的施工。將合適流動性的混凝土澆注在套管中，然后用專用加長振動棒（振搗深度在15～20m以上）對填充的混凝土進行振搗密實，并進行混凝土補充，使混凝土填充滿整個塑料套管。

（10）混凝土澆注完畢達到一定強度后，蓋板頂滿鋪鋼絲格柵，再鋪設墊層材料。

5 TC樁施工質量與檢驗要求

根據該項目特點擬定TC樁的施工質量及檢驗要求見表3所列。

6 TC樁工程應用經濟性比較

TC樁由于是小直徑剛性樁，布樁方式為“細而密”，與其他大直徑剛性樁（如PTC管樁、旋挖樁）疏化樁間距相比，表面沉降更加均勻，這對墊層加筋材料強度要求、蓋板的尺寸要求更低，從而可以節約其他輔助措施費用。對于低填方路堤，為形成土拱效應，樁承式路堤樁間距不能取得過大，這時候更體現出小直徑樁這種布樁方式的優越性。

該項目選擇PTC管樁、水泥土攪拌樁與TC樁進行經濟比較，對比情況見表4所列，TC樁相對于這兩種典型的剛性樁復合地基、柔性樁復合地基工程費用均減少10%以上。

7 結語

（1）TC樁由預制樁尖、塑料套管、套管內混凝土、頂部樁帽四部分組成，通過該項目應用實踐，表明TC樁具有施工速度快、成樁質量容易控制、檢測手段方便可靠等優點。

（2）TC樁樁側受力具有一定的特殊性和時效性。樁端具有相對硬土層條件下28 d單樁極限承載力可達到160kN以上，隨著時間推移，樁周土體回擠還可使其承載力提高。

表3 TC樁施工質量檢驗要求一覽表

表4 TC樁與其他樁的經濟性比較表

（3）TC樁沒有打穿軟土層條件下，設計中樁長、樁間距等參數選擇建議按照控制工后沉降為主，計算中將樁端刺入量、軟弱下臥層沉降適當增加，其計算方法有待進一步研究。

（4）一般路段典型斷面沉降監測數據表明，TC樁處理后的路堤沉降量得到明顯控制，沉降收斂快，且各斷面總沉降差異小，加固效果明顯。低填路堤條件下，交通荷載對路堤沉降影響很大，沉降計算中必須予以考慮。

（5）TC樁由于是小直徑剛性樁，布樁方式為“細而密”，與其他大直徑剛性樁（如PTC管樁、旋挖樁）“粗而疏”的布樁方式相比，表面沉降更加均勻，對墊層加筋材料強度要求、蓋板的強度與尺寸要求更低，在低填方路堤中優越性更為明顯。

（6）TC樁與PTC管樁、水泥土攪拌樁進行經濟比較，工程費用減少10%以上，具有一定的經濟優勢。

[1]浙江省交通規劃設計研究院主編.浙江省公路軟土地基路堤設計要點[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]陳永輝，王新泉.塑料套管混凝土樁技術及應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[3]錢國超，陳加富，等.高速公路海相軟土地基水泥土攪拌樁加固技術[M]北京：人民交通出版社，2008.