預應力管樁處理高速公路軟土地基設計研究

李志偉

（天津濱海新區投資控股有限公司 天津 300457）

由于預應力管樁可工廠化生產、成樁質量可靠等優點，近年來大量應用于高等級公路深厚軟土地基處理，特別是在高速公路的改擴建工程中得到了廣泛的應用。但管樁復合地基處理方法的理論研究還在發展中，在工程實踐中也暴露出許多問題。本文針對預應力管樁復合地基的組成形式及變形的特點，研究了路堤荷載下地基的沉降及復合地基承載力的計算方法。

1 預應力管樁復合地基組成及變形特性

預應力管樁組成的復合地基通過在樁的頂部設置樁帽，由樁帽和樁帽下的管樁組成組合單樁，同時在樁帽頂部設置碎石加筋墊層與樁帽之間的土體構成復合地基，見圖1。一般管樁的間距大于6倍樁徑，按疏樁基礎中的組合單樁的受力模式來考慮，而對于整個地基則按復合地基的受力模式來進行考慮［1］。

圖1 預應力管樁復合地基

采用預應力管樁處理高速公路軟土地基，其設計的主要內容包含以下方面：①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；②間距、樁帽大小。樁間距和樁帽大小按控制沉降量和承載力為原則選取，原則上樁距大于6倍樁徑［2］，一般為2.5～3.0 m，樁帽大小1.5 m×1.5 m，厚度根據設計荷載和抗剪強度驗算；③為充分發揮樁土共同工作，在樁帽的頂部設置40～50 c m的碎石墊層，一般在墊層中設置土工格柵或土工格室，以加強墊層的整體剛度，從而形成強度較大的樁－格柵墊層復合地基。

由于軟基上高速公路的路堤荷載較小，而預應力管樁本身的強度較高，管樁復合地基的承載力容易滿足設計要求。所以一般按沉降控制設計思路進行設計，即先按沉降控制要求進行設計，使地基的計算沉降量小于允許沉降量，然后驗算地基承載力是否滿足要求。其實質就是以控制地基的沉降量為原則，讓樁間土體主動承載，發揮樁土共同作用的設計方法。

根據高速公路的荷載特點，在沉降滿足要求的條件下，地基承載力一般情況大部分能滿足要求。如承載力不能滿足要求，適當增加復合地基置換率（減小樁間距）或增加樁體直徑等方法，也能使承載力滿足設計要求。

2 預應力管樁復合地基設計

預制管樁與周圍土體一起組成復合地基，見圖2，樁帽以下的土體與樁體及樁帽組成組合單樁，組合單樁與樁帽間的土體共同工作。在加荷時對摩擦樁而言，樁帽間土和組合單樁同時受力并發生變形，樁側摩阻力形成并起主要作用，樁端阻力未充分發揮，樁身處于彈性壓縮階段，由于組合單樁與樁間土剛度不同，發生變形不協調，在加筋墊層的作用下，樁所分配的荷載逐漸增大，進而樁開始下沉，如此往復，最終達到樁土變形協調。

圖2 計算圖式

2.1 沉降計算

帶帽單樁復合地基的沉降計算需要考慮墊層－組合樁－土體的共同作用，這使得沉降計算問題變得非常復雜，為使問題的復雜性得以適當簡化，作如下假定：

（1）樁帽類似于起剛性板作用，可將樁帽、樁體和樁帽下土體視為一個復合樁體，狹義上說，復合樁體可看成是一種特殊的無帽單樁，從該角度考慮，無帽單樁是帶帽單樁的一種特殊情況。帶帽單樁復合地基等效單元體則是由復合樁體與復合樁周土體（即樁帽間土體）所組成，考慮復合樁體與復合樁周土體之間的摩擦阻力作用，不考慮樁體與樁帽下土體之間的摩擦阻力，且復合樁體與樁帽間的土體變形協調。

（2）復合樁體中樁和樁帽下土體共同工作，樁帽下的土體在樁帽承載作用的影響下可以隨樁身一起發生變形，且豎向變形量與樁身壓縮量相同。復合樁體的壓縮變形量可以用帶帽樁身壓縮量來代替。

（3）考慮樁體的影響和土層的不均質性，按地質分層，即可把加固區復合樁周土體簡化成層狀地基，同層土體可視為均質。

2.2 沉降計算方法

預應力管樁復合地基的沉降包括兩部分：①加固區的沉降S1；②下臥層的沉降S2。根據以上假定，沉降計算可采用“二次復合”的方法進行計算，即樁體和樁帽下的土體組成組合單樁，其復合模量為Esp，再由組合單樁與樁帽間土體組成復合地基，整個復合地基的復合模量為Esps。

當已知復合單樁的置換率m1、組合單樁與整個復合地基的置換率m2、各土層的壓縮模量Es及管樁的壓縮模量EP，可按以下方法計算管樁復合地基的復合模量。管樁及樁帽下土體組成的組合單樁的復合模量Esp為

而整個加固區復合模量Esps的計算方法見式（2）。

式中：m1為復合單樁的置換率樁的面積；A1為樁帽的面積；m2為組合單樁與整個復合地基的置換率，A＝l2，l為管樁的間距。

下臥層沉降量采用分層總和法進行計算，預應力管樁復合地基的沉降計算方法見式（3）

n式中：n1為加固區的土層數；n2為總土層數；ΔPi，ΔPj為各土層的附加應力，k Pa；Δhi，Δhi為各土層的分層厚度，m；ψ為沉降修正系數，一般取1.0～1.3。

壓縮層的厚度應符合式（4）的要求。如確定的計算深度下部仍有軟土層時，應繼續計算。

式中：Δs′n為在計算深度范圍內，第i層土的計算變形值；Δs′i為在計算深度向上取厚度為Δz的土層計算變形值，Δz按表1確定。

表1 Δz值

2.3 承載力驗算

2.3.1 單樁承載力

單樁承載力由樁側土強度計算［3］，其計算方法見式（5）

式中：Rdk為樁的設計承載力，k N；u為樁周長，m；Ap為管樁截面積，m2；qR為樁端承載能力，k N／m2；qsi為樁周第i層土的極限摩阻力，k N／m2；li為樁周第i層土分層厚度，m；α為折減系數，取0.45；γR為荷載分項系數，可取為1.45。

2.3.2 復合地基承載力驗算

式中：fsp為復合地基承載力，k Pa；β為樁間土應力發揮系數，取0.9；fsk為天然地基承載力，k Pa；A1為樁帽的面積，m2；l為管樁的間距，m。

3 結論

（1）采用預應力管樁復合地基處理高速公路深厚軟土地基，具有施工方便及質量可靠等優點，能有效減少地基的工后沉降量。根據高速公路本身的荷載特點，先按沉降控制要求進行管樁復合地基的設計，使地基的計算沉降量小于允許沉降量，然后驗算地基承載力是否滿足要求。

（2）加固區的沉降可采用“二次”復合的方法進行計算，即先由管樁與樁帽以下的土體組成組合單樁，計算出第一次復合模量；再由第一次計算的復合模量與與樁帽之間的土體進行第二次復合，計算出整個加固區的復合模量，即可較為方便地計算地基的總沉降量。

［1］ 河海大學，滬寧高速公路股份有限公司.交通土建軟土地基工程手冊［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］ JTJ254－98港口工程樁基規范［S］.北京：人民交通出版社，1998.

［3］ 閻明禮，張東剛.CFG樁復合地基技術及工程實踐［M］.北京：中國水利水電出版社，2001.