高路堤軟基加固PHC管樁承載力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

蘇文豪，牛永前，董國(guó)

（1.廣東包茂高速公路有限公司，廣東 茂名525000;2.河海大學(xué)道路與鐵道工程研究所，南京 210098）

高路堤軟基加固PHC管樁承載力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

蘇文豪1，牛永前2，董國(guó)2

（1.廣東包茂高速公路有限公司，廣東 茂名525000;2.河海大學(xué)道路與鐵道工程研究所，南京 210098）

通過(guò)對(duì)包茂高速粵境段某一軟土地基上高路堤達(dá)到40m的PHC管樁加固路段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)PHC管樁在施工期內(nèi)的承載力增長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，當(dāng)填土高度小于30m時(shí)，樁體承載力與填土高度呈良好的線性關(guān)系，當(dāng)填土高度大于30m后，試驗(yàn)樁樁周土體將產(chǎn)生相對(duì)樁體向下的位移，從而使樁身出現(xiàn)負(fù)摩阻力，土體承載向樁體轉(zhuǎn)移，即樁體承載力在填土高度增加時(shí)增加的更快。

高填方；軟基加固；單樁承載力；差異沉降

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.016

1 引言

在高速公路的建設(shè)過(guò)程中，不可避免地遇到軟土地基和高填方路堤的情況，有時(shí)更有軟土地基上存在高填方的現(xiàn)象，在這種情況下，就亟需對(duì)軟弱地基進(jìn)行加固處理。目前，高速公路軟基加固方法有很多，由于地基所在地域氣候環(huán)境的不同，軟基處理方法也不相同。現(xiàn)今較為常用的軟基處理方法主要有換填墊層法、強(qiáng)夯法、砂石樁法、水泥土攪拌法、真空預(yù)壓法、預(yù)應(yīng)力管樁法等[1]。大量的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)表明，預(yù)應(yīng)力管樁法[2]在處理軟土地基時(shí)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，如承載力高、應(yīng)用范圍廣、施工快、成樁率高、工程造價(jià)低等，因而，采用預(yù)應(yīng)力管樁對(duì)高填方軟土地基路段進(jìn)行加固是常用且切實(shí)可行的。

預(yù)應(yīng)力管樁的樁體承載力是由多種因素共同決定的，如：樁體參數(shù)、土體性質(zhì)、含水量、樁體水泥配合比等，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)樁基承載問(wèn)題進(jìn)行了大量理論與實(shí)驗(yàn)研究。程劉勇[3]通過(guò)有限差分軟件進(jìn)行模擬認(rèn)為斜坡樁基承載力與臨坡距和坡度

有線性關(guān)系。楊岳華[4]通過(guò)對(duì)橋下鉆孔灌注樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，從而擬定各層土樁側(cè)阻力和樁尖土層端阻力的位移函數(shù)，并建立相應(yīng)的位移微分方程，為準(zhǔn)確分析樁基承載力提供計(jì)算依據(jù)。李素華[5]以改進(jìn)的適合于分層介質(zhì)內(nèi)的Mindlin解答為基礎(chǔ)，給出了按摩擦型單樁承載機(jī)理分析計(jì)算的“廣義彈性理論法”。鄭剛[6]進(jìn)行了單排樁和群樁條件下路堤穩(wěn)定性離心模型實(shí)驗(yàn)，對(duì)樁體破壞模式和路堤破壞因素進(jìn)行了深入分析。馮忠居[7]通過(guò)陜西芝川河特大橋樁周浸水前、后的荷載實(shí)驗(yàn)研究，分析了地面水對(duì)黃土地區(qū)樁基承載力的影響程度和樁體沉降變形規(guī)律。李素華[8]在考慮復(fù)雜地質(zhì)條件下樁—土和土—土相互作用的時(shí)間和空間效應(yīng)的基礎(chǔ)上，將土的流變學(xué)理論與樁基承載性能綜合彈性理論法相結(jié)合，建立了一套完善、實(shí)用的樁土體系力學(xué)模型,提出并驗(yàn)證了樁土承載性能時(shí)空效應(yīng)分析新理論。施峰[9]通過(guò)對(duì)福州地區(qū)56根預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁進(jìn)行單樁水平靜載荷試驗(yàn)，結(jié)合《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中推薦的m法計(jì)算，討論了福州地區(qū)PHC管樁的水平承載力取值問(wèn)題。上述研究通過(guò)理論分析和實(shí)測(cè)擬合的方式，表明樁體的承載性能是由多種因素共同決定的，但對(duì)于在道路建設(shè)過(guò)程中，樁體承載性能與施工現(xiàn)場(chǎng)條件的關(guān)系問(wèn)題分析較少，對(duì)于樁體承載力隨上部荷載增加的關(guān)系缺乏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)支持。

本文依托包頭至茂名國(guó)家高速公路粵境段的K22+080～K22+280工程段，對(duì)軟弱地層上高填土路堤（填土高速40m）軟基加固項(xiàng)目中采用的PHC管樁單樁承載力與填土高度和施工時(shí)間的關(guān)系問(wèn)題進(jìn)行探討，對(duì)施工穩(wěn)定性進(jìn)行分析討論。

2 實(shí)驗(yàn)背景及方案

2.1 工程背景

本研究現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在包茂高速（粵境段）K22+180典型軟基高路堤斷面展開。試驗(yàn)路段的地基為廣東省常見的軟土地基，壓縮性強(qiáng)，承載力差，需進(jìn)行地基處理。由于施工條件要求，再加上當(dāng)?shù)貧夂驐l件高溫多雨，巖土工程中常用的地基處理方法（超載預(yù)壓法，換土墊層法等）并不適用[10]，因此，采用了PHC管樁加固的復(fù)合地基處理方式。測(cè)量段K22+180軟基高填方橫斷面如圖1所示，路堤填土高達(dá)40m。通過(guò)移動(dòng)式靜力觸探車對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行地質(zhì)勘探，得到測(cè)量段地基土層分布情況如圖2所示。

圖2 K22+180地基土層地質(zhì)圖

K22+180路段管樁按正方形布置，樁距2m。由圖1、圖2可知，測(cè)量斷面路堤填土高，尺寸大，因此，同一斷面下地基地質(zhì)狀況較為復(fù)雜，地基土層分布存在差異。盡管如此，地質(zhì)鉆孔結(jié)果表明，軟土層厚度差別不大，約為5～7m，因施工時(shí)管樁在稍硬土層便不再下沉，加固管樁樁長(zhǎng)也略有差異，約16～19m。管樁的尺寸及參數(shù)見表1。地基加固后，使用重型壓路機(jī)分層碾壓填筑填土，填土以及各鉆孔地基土的巖土力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 PHC管樁參數(shù)

表2 填土以及地基土的巖土力學(xué)參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)方案與儀器

對(duì)于本課題的PHC管樁加固的軟基高填方路堤，K22+180試驗(yàn)斷面主要測(cè)量?jī)?nèi)容為樁頂荷載、樁身沉降以及相應(yīng)水平位移等，實(shí)驗(yàn)方案的具體儀器埋設(shè)位置見圖1。其中，沉降計(jì)為電測(cè)傳感器，鉆孔埋設(shè)，測(cè)試基點(diǎn)錨固在深層基巖不動(dòng)層中[11]。為了對(duì)樁身沉降進(jìn)行觀測(cè)，將沉降計(jì)錨固在樁帽底部縱筋一側(cè)，再澆筑樁帽，如圖3所示。樁頂荷載采用電測(cè)壓力傳感軸力計(jì)測(cè)量，三個(gè)軸力計(jì)三角對(duì)稱布置，夾于兩片2cm厚鋼板內(nèi)，中間空隙采用輕質(zhì)泡沫填充，一同固定在樁頂，形成一組荷載測(cè)試單元，安裝完畢后，再進(jìn)行樁帽制作，如圖4所示。

圖3 樁身沉降計(jì)及其安裝示意圖

圖4 樁頂軸力計(jì)安裝示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，詳細(xì)記錄了包茂高速粵境段K22+180路段樁頂荷載和樁身沉降隨填土高度和施工工期的變化情況。

3.1 樁體承載力與路堤填土高度分析

圖5給出了樁體承載力隨填土高速增加而變化的情況。

圖5 樁頂荷載與填土高度關(guān)系曲線圖

從圖5中可以看出，對(duì)于埋設(shè)于K22+180路段左側(cè)距路基中線13m、19m、25m和32m的PHC管樁，在路堤填土高度達(dá)到30m之前，樁身承載與填土高度呈線性相關(guān)的關(guān)系，在填土高度在30～37m的過(guò)程中，雖然樁身承載與填土高度仍然是線性相關(guān)，但其坡率比之前增長(zhǎng)較大，說(shuō)明在填土高度達(dá)到30m的時(shí)候，樁體出現(xiàn)了某種變化，導(dǎo)致了這種現(xiàn)象。

為對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行分析研究，圖6給出了埋設(shè)于左側(cè)距路基中線41m處樁側(cè)沉降計(jì)和樁間沉降計(jì)測(cè)量出的沉降、路堤填土高度和施工時(shí)間的關(guān)系曲線。

圖6 沉降、路堤填土高度和施工時(shí)間的關(guān)系圖

在圖6中，容易發(fā)現(xiàn)當(dāng)填土高度到26m，施工時(shí)間90d時(shí)，路基左側(cè)距中線41m處樁間土體沉降開始明顯大于樁體沉降量直至沉降趨穩(wěn)，這表明在填土過(guò)程中存在某一個(gè)填土高度使得樁-土出現(xiàn)差異沉降，由于樁周圍土體相對(duì)樁身產(chǎn)生向下位移，這樣使樁身承受向下作用的負(fù)摩擦力，在此過(guò)程中，樁體承載力增加速率比土體未產(chǎn)生下移時(shí)更大。圖5中樁頂承載力在30m處出現(xiàn)變化，可以表明在填土高度達(dá)到30m時(shí)，所測(cè)樁體樁周土體產(chǎn)生相對(duì)樁體的下移現(xiàn)象，導(dǎo)致樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻力，同時(shí),樁土復(fù)合地基由土體承擔(dān)的部分荷載慢慢向樁體過(guò)渡，從而導(dǎo)致樁體承載力與填土高度曲線出現(xiàn)斜率變大現(xiàn)象。對(duì)于圖5中各試驗(yàn)樁樁端承載力測(cè)量值出現(xiàn)不同規(guī)律現(xiàn)象，分析認(rèn)為其原因是實(shí)際施工時(shí)PHC管樁實(shí)際長(zhǎng)度不同以及地質(zhì)的差異導(dǎo)致樁周土在不同的荷載下產(chǎn)生下移現(xiàn)象。

3.2 樁體承載力與施工時(shí)間分析

本項(xiàng)目在試驗(yàn)段進(jìn)行了半年的施工期觀測(cè)，根據(jù)PHC管樁樁體承載力與施工時(shí)間的關(guān)系，繪制圖7曲線。

由圖7可知，在施工期35d內(nèi)，樁體承載力隨著填土高度的增加而增加，在雨季施工停滯時(shí)，樁體承載力不出現(xiàn)大變化，在雨季結(jié)束后，樁體承載力再次隨著填土高度的增加而增加，隨著施工結(jié)束，填土高度達(dá)到設(shè)計(jì)值，樁體承載力隨時(shí)間而逐漸趨于某一固定值。

圖7 樁體承載力與施工時(shí)間關(guān)系圖

圖中樁體承載力曲線表明，試驗(yàn)樁在施工后期其承載力趨穩(wěn)，不出現(xiàn)樁體承載力激增或銳減現(xiàn)象，說(shuō)明施工結(jié)束后，PHC管樁承載穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)樁體破壞或樁體刺入而失穩(wěn)的現(xiàn)象，從樁體承載力分析，試驗(yàn)段軟基路堤PHC管樁加固效果良好，整體穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)高路堤下軟土地基加固中PHC管樁樁體承載力進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究，主要結(jié)論如下：

1）高路堤下軟土地基加固施工期內(nèi)，在路堤填土較低時(shí)（本試驗(yàn)段為30m以下），PHC管樁的樁體承載力與填土高度呈現(xiàn)穩(wěn)定的線性相關(guān)關(guān)系。

2）高路堤下軟土地基加固施工期內(nèi)，在路堤填土到達(dá)某一限值時(shí)（本試驗(yàn)段為30m），PHC管樁樁周土體產(chǎn)生相對(duì)樁體的下移現(xiàn)象，導(dǎo)致樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻力，同時(shí)樁土復(fù)合地基由土體承擔(dān)的部分荷載慢慢向樁體過(guò)渡。

3）在本文試驗(yàn)路段，在施工結(jié)束后，高填軟土下PHC管樁樁體承載力趨穩(wěn)，從現(xiàn)有觀測(cè)結(jié)果分析，試驗(yàn)段軟基路堤PHC管樁加固效果良好，樁-土復(fù)合地基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

【1】郭院成,張浩華,周同和.高速公路高填方軟基處理方法的對(duì)比分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2002(2):31-33.

【2】王曦.預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)與施工技術(shù)分析[J].中外建筑, 2014（8）:157-159.

【3】程劉勇,陳善雄,余飛,許錫昌,李劍,秦尚林.豎向荷載下斜坡樁基承載力及影響因素?cái)?shù)值研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013(18):5399-5403+5422.

【4】楊岳華,劉永健,鄧淑飛,金輝.沉降控制的單樁豎向承載力及其數(shù)值分析方法[J].公路工程,2008(4):133-136.

【5】李素華,周健,殷建華.樁基承載性能時(shí)空效應(yīng)新理論[J].建筑監(jiān)督檢測(cè)與造價(jià),2008(1):28-34.

【6】鄭剛,李帥,刁鈺.剛性樁復(fù)合地基支承路堤穩(wěn)定破壞機(jī)理的離心模型試驗(yàn)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2012(11):1977-1989.

【7】馮忠居,馮瑞玲,趙占廠,謝永利.黃土濕陷性對(duì)橋梁樁基承載力的影響[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2005(3):60-63.

【8】李素華,周健,殷建華, 洸楊位 .摩擦型單樁承載性能設(shè)計(jì)理論研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004（15）:2659-2664.

【9】施峰,郝世龍.PHC管樁水平承載力試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2015（S2）:617-622.

【10】JTJ 017—1996公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范[S].

【11】李國(guó)維,胡龍生,王虎子,王潤(rùn).軟土地基大變形位移計(jì)研制與工程應(yīng)用[J].公路交通科技,2013（5）:30-37.

The Field Test Research on the High Embankment Soft Soil FoundationTreatment PHC Pile Bearing Capacity

SU Wen-hao1,NIUYong-qian2,DONGGuo2
(1.GuangdongBaomaoFreewayCo.Ltd.,Maoming 0250000,China；2.Hehai InstituteofHighwayandRailwayEngineering,Nanjing 210098,China)

BasedontheBaoMaoHighwayGuangdongSectionofaSoftreach40mhighembankmentreinforcementofPHCpilesectionsof fieldexperiments,thestudyofPHCpilebearingcapacitygrowthlawintheconstructionperiod.Theresultsshowthatwhenthefillingheightof less than 30m,bearing capacityof piles and fill height was a good linear relationship,when the filling height is greater than 30m,test pile surroundingsoilwillproduceadownwarddisplacementoftheoppositepile,sothatthepileofnegativefrictionresistanceofsoiltopilecarrier transferthatpilebearingcapacityincreasedfillingheightincreasesfaster.

highfill;softsoilfoundationtreatment;bearingcapacityofpile;differentialsettlement

U416.1+2

A

1007-9467（2016）07-0073-04

2016-08-26

廣東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目（2011(794)-02-021)

蘇文豪（1985～），男，海南文昌人，工程師，從事高速公路建設(shè)研究，（電子信箱）195798638@qq.com。