樁承式加筋路堤在深層軟土處理中的應用

潘 鋒， 吳 濤

(安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

樁承式加筋路堤在深層軟土處理中的應用

潘 鋒， 吳 濤

(安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

以工程實例為依托，介紹了樁承式加筋路堤的一種簡化計算方法，采用高強預應力混凝土管樁疏樁布置，高強土工格室進行加筋補強，以工后沉降做為主要設計控制因素，以期為今后類似工程提供設計參考。

樁承式路堤；拱膜效應；減沉疏樁

道路建設中,經(jīng)常遇到軟土處理的問題,軟土處理由于工期長、造價高,對道路建設期及營運期安全、行車舒適性、路面使用壽命等影響較大,因此成為此類工程建設中的關(guān)鍵所在。

傳統(tǒng)的軟土處理方法如排水固結(jié)需要較長的預壓期、難以適應市政道路“短平快”工期普遍較緊的要求;而粉噴樁、高壓旋噴、CFG樁等柔性、半剛性樁復合地基由于其樁身強度有限存在有效樁長問題,且目前的打樁設備很難穿透深層軟土,難以滿足工后沉降及拼寬路基差異沉降的要求。樁承式加筋路堤是近年來發(fā)展的一種有效控制工后沉降的方法,具有單樁承載力高、質(zhì)量可靠,加筋路堤整體剛度較大、受荷均勻,工后沉降和差異沉降得到有效控制,施工現(xiàn)場無噪音、泥漿污染等特點。樁承式加筋路目前主要采用高強預應力混凝土管樁等剛性樁做為承載構(gòu)件,管樁由于其強度高、質(zhì)量可靠、施工方便、檢測標準明確等諸多優(yōu)點在多條高等級道路上大量使用并獲得成功,但關(guān)于預應力混凝土管樁用于軟基處理時的計算模型、方法等目前規(guī)范尚不明確,本文結(jié)合工程實例,按樁承式路堤中減沉疏樁考慮,對計算出的樁間距等參數(shù)進行綜合對比分析,以期為今后類似項目提供參考[1-2]。

1 樁承式加筋路堤作用原理

樁承式加筋路堤屬于剛性樁復合地基范疇,即墊層下的樁、土通過墊層的荷載均化作用,共同承擔上部荷載。樁承式路堤典型剖面如圖1所示,各個組成部分相互作用影響,土拱效應、薄膜張拉效應是樁和樁帽荷載傳遞機理。樁體通過樁長范圍內(nèi)的樁側(cè)阻力和樁端阻力共同作用,與樁間土共同承擔荷載;樁帽的設置可增大樁體置換率,減小樁頂處的應力集中;加筋墊層可調(diào)節(jié)樁土應力比,同時消除剪應力,限制土體的側(cè)向變形和位移[2]。

圖1 樁承式路堤示意圖

支承于樁間的加筋土墊層在上部路堤荷載的作用下,會像圖2那樣產(chǎn)生彎沉。對墊層的側(cè)向變形加以控制,則墊層會將部分荷載傳遞給樁,以減少樁間土的受力,根據(jù)有關(guān)加筋土地基的拱-膜理論,支承于地基上的土工合成材料,在外荷載及上覆土層自

圖2 樁承加筋土墊層復合地基受力計算簡圖

重作用下也會產(chǎn)生彎沉。彎沉的結(jié)果是土中產(chǎn)生拱效應,部分荷載被傳遞至彎沉區(qū)以外;同時,合成材料被拉緊,起到張拉膜作用,從而能承受法向荷載。當彎沉到一定程度,合成材料剛好與基底接觸,荷載便由加筋材料與基底土體共同承擔。

2 工程實例應用分析

2.1 項目概況

某城市主干道(設計時速60 km/h,路基全寬48 m)位于長江河漫灘地帶,地勢平坦、水網(wǎng)密布,地表多被第四系地層覆蓋,上部為1～1.5 m不等的可塑狀粉質(zhì)黏土,fak=100 kPa;下伏第四系全新統(tǒng)沖積成因的淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,一般呈軟塑-流塑狀,高壓縮性,承載力基本容許值為70 kPa。該層淤泥質(zhì)土的主要特征反映在以下五個方面:觸變性、流變性、高壓縮性、低透水性、低強度。對道路建設的危害主要表現(xiàn)在:承載力不足和地基不均勻沉降,易造成路基變形較大、路堤滑移等。

根據(jù)地質(zhì)勘察軟土層厚變化劇烈,15～24 m不等,物理力學指標見表1所列。

表1 地基土物理、力學指標表

考慮到該項目道路等級高、綜合管線等設施一次性投資較大、施工周期短,周圍多條被交道路及地塊開發(fā)建設時重型施工車輛均要利用其進行通行,因此在軟土設計指標上,將一般新建路段工后沉降控制值統(tǒng)一提高到≤20 cm。

針對本項目軟土較深的特點,若采用水泥攪拌樁、CFG樁等傳統(tǒng)樁型,由于樁身強度低、存在有效樁長問題,均存在難以打穿軟土,工后沉降值較大難以滿足設計要求等問題,經(jīng)過比選,最終確定采用樁承式加筋路堤,樁采用預應力混凝土管樁PHC400(95)A型。

2.2 設計方案

對于本項目,路基寬48 m,平均填土高度2.0 m,最大填高4.0 m,路基結(jié)構(gòu)層厚74 cm,按正方形,在路基坡腳之間布樁,具體設計參數(shù)如下:

(1) 樁型的確定:樁型采用PHC400(95)A型,靜壓施工。

(2) 樁長的確定:樁長原則上應穿透軟弱土層達到強度相對較高的土層,同時應滿足穩(wěn)定性驗算要求,穿過最不利滑面[3]。

(3) 樁間距:相對于傳統(tǒng)復合地基而言,樁承式加筋路堤只有采用疏樁布置才更有利于發(fā)揮剛性樁單樁承載力高的特點,其樁間距比傳統(tǒng)柔性樁、半剛性樁復合地基略大,一般為6～8倍樁徑,初定樁間距2.6～2.8m[4-5]。

(4) 樁帽:在樁承式路堤中,相對于土而言,樁的承載力較高,樁要承擔路堤荷載的70%～80%。由于管樁的截面積不大,且采用疏樁布置,因此在樁頂設置樁帽,均化上部荷載、調(diào)整樁土應力比。樁帽尺寸一般采用1.2～1.5 m,厚度0.3～0.4 m,為增強整體性,在上部設置1.0 m鋼筋籠與樁體連接,并采用混凝土填芯。本項目樁帽尺寸為1.5 m×1.5 m×0.3 m。

(5) 樁頂加筋墊層:在路堤填土荷載作用下,樁承式加筋土墊層中的墊層不同于剛性基礎下復合地基的褥墊層。對路堤這一柔性基礎而言,褥墊層不僅是形成復合地基的必要條件,同時還應具有較大的剛度,不僅能抵抗樁的刺入,還要有能在樁間形成“土拱”效應的能力,因此墊層厚度一般要求不小于30 cm,材料可采用級配碎石等水穩(wěn)性好、壓縮模量大的材料,其壓實度≥93%。墊層中的加筋材料采用鋼釘插接整體式高強土工格室(5 cm高,碎石可充填其中),與傳統(tǒng)平面加筋材料土工網(wǎng)、土工格柵相比,高強土工格室具有抗拉強度大、延伸率低、節(jié)點連接穩(wěn)固等特點(網(wǎng)袋縱向抗拉強度≥11 kN/10 cm,網(wǎng)帶斷裂伸長率≤15%),且三維網(wǎng)格的側(cè)限作用對格室內(nèi)填料的橫向變形起到約束作用,在荷載不用的情況下,相當于增加了橫向主應力,從而使剪應力減少[6]。

2.3 樁承式加筋路堤的計算

目前理論界與工程界對剛性和柔性樁還沒有統(tǒng)一、明確的界限標準,但PHC管樁屬于剛性樁已達成共識。剛性疏樁基礎是一種介于傳統(tǒng)樁基和復合地基之間的一種新型基礎形式,屬于變形控制設計范疇[2,7],因此對于樁承式加筋路堤只有布置成疏樁型式才更能充分發(fā)揮其單樁強度高的特點,其在路堤荷載作用下的應力分布圖見圖3。

圖3 路堤荷載作用下地基土中應力分布曲線圖

本項目采用PHC400(95)A型預應力混凝土管樁,間距2.6 m,正方形布樁,樁長26 m,加筋墊層厚度0.4 m,內(nèi)設兩層高強土工格室,單層格室承擔的的拉拔力設計值取T=40 kN,相應的延伸率ε=0.03,樁帽尺寸1.5 m×1.50 m×0.3 m,路面+車輛荷載q=31.7 kPa,路堤填土γ=19.2 kN/m3。計算斷面見圖4所示。

圖4 樁承式加筋路堤計算斷面圖

根據(jù)土工合成材料的張拉膜理論,合成材料的法向力[6]為

σ=εnTε0.5/(0.122s0)=0.03×2×40×0.30.5/(0.122×1.1)=9.79。

墊層底應力qs=q單樁承載力驗算:

樁的規(guī)格PHC400(95)A,由樁身強度提供的單樁承載力設計值:RA=1 650kN[4]。

由樁端和樁間土提供的單樁承載力為

(1)

其中,RA為樁的設計承載力kN;up為樁周長m;Ap為管樁截面積;qp樁端阻力特征值kPa;qsi樁周第i層土側(cè)阻力特征值;αp樁端阻力發(fā)揮系數(shù)。

將相關(guān)參數(shù)帶入得

RA=825kN

所以單樁承載力設計值為825 kN。

樁帽上的荷載

pz=2σBs0+q+γzd=2×9.79×1.5×1.1+34.77+19.2×4+19.2×0.4=119.25 kN

pz

(2)

其中，λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù);RA為單樁豎向承載力特征值(kN);Ap為樁的截面積(m2);β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)。

本段路基最大填高4.0 m,壓實填土的容重γ=19.2 kN/m3,路面結(jié)構(gòu)層74 cm,γ=23.0 kN/m3,換算成填土高度0.89 cm,車輛荷載換算成等代土體的厚度為0.76 m[1],因此其長期設計荷載108.5 kPa

(3) 沉降量計算。軟土的總沉降量由主固結(jié)沉降、瞬時沉降和次固結(jié)沉降計算,現(xiàn)行規(guī)范中為簡化計算,一般采用主固結(jié)沉降乘以經(jīng)驗系數(shù)求得[3]。

總沉降Sz<ψssc

(3)

主固結(jié)沉降[3,8]

(4)

路基中心點下的豎向附加應力pi,可由表2、表3近似求得

其中,α為附加應力系數(shù),按條形基礎。

表2 均布條形荷載下附加應力系數(shù)

表3 路基中點下的豎向附加應力pi計算

總沉降量由表4求得:Sz=Ψssc=1.2×0.124 6=0.149<0.2 m(滿足)。

表4 主固結(jié)沉降計算

3 結(jié)束語

本文以復合地基樁土共同作用基本原理為依托,輔以有關(guān)加筋土地基的拱-模理論,結(jié)合工程實例,介紹了樁承式加筋土路堤的簡易計算方法,從計算結(jié)果看,采用樁承式加筋路堤處理深層軟土,承載力提高顯著,工后沉降控制效果明顯。下一步為提高計算的精確性,需進一步積累不同布樁型式、不同施工條件下,樁間土加固后物理、力學性質(zhì)的變化,以及通過載荷實驗及變形觀測結(jié)果,為計算公式提供更合理的經(jīng)驗值,提高計算的精確性,從而推動其進一步推廣應用。

[1] JTGT D31-02-2013，公路軟土地基路堤設計與施工技術(shù)細則[S].

[2] 歐陽仲春．公路工程中巖土工程設計實用指南[M]．北京：人民交通出版社，2013．

[3] JGJ 79-2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S]．

[4] DB 34 5005-2014，先張法預應力混凝土管樁基礎技術(shù)規(guī)程[S]．[5] GB 13476-2009，先張法預應力混凝土管樁[S]．

[6] 蘭 青.樁承加筋土墊層與拱模理論[D].重慶：重慶交通學院，1997.

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[8] 雷 東，黃 歡.分層總和法在某鐵路軟土路基的沉降分析[J].中國水運，2008(12)：187～188.

[9] 王 斌，徐澤中.PTC樁在高速公路軟基處理中的應用 [J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2006(6)：48～52.

[10] 姚裕春，龐應剛.高速鐵路深厚土層地基處理技術(shù)與沉降計算 [J].路基工程，2010(S1)：97～99.

遺失聲明

安徽省徐新建筑安裝工程有限公司朱慶華同志的二級建造師證書遺失。證書編號：皖234070807844。特此聲明作廢。

2016年5月10日

蕪湖市高科電子有限公司的工程設計資質(zhì)證書(正本)遺失。證書編號：A234002491。特此聲明作廢。

2016年5月17日

樅陽縣交通工程有限責任公司朱永忠同志的安全生產(chǎn)考核合格證書遺失。證書編號：皖建安B(2010)0066473。特此聲明作廢。

2016年6月3日

馬鞍山市天恒建設工程有限公司孟偉同志的安全員B證遺失。證書編號：皖建安B(2013)0188587。特此聲明作廢。

2016年6月3日

安徽協(xié)同建筑勞務有限責任公司羅鵬永同志的安全C證遺失。證書編號：皖建安C(2015)0026727。特此聲明作廢。

2016年7月1日

2016-06-13；修改日期：2016-06-20

潘 鋒(1982-)，男，河南信陽人，碩士，安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司工程師．

TU435

A

1673-5781(2016)04-0526-04