預應力管樁在某公路軟土路基處理中的應用

呂 博 譚雅中

(中交路橋技術有限公司，北京 100011)

預應力管樁在某公路軟土路基處理中的應用

呂 博 譚雅中

(中交路橋技術有限公司，北京 100011)

以某公路工程為例，分析了該路段的軟土地基情況，通過對各種軟基處理方案的比選，確定了復合地基法中的預應力管樁治理方案，并對管樁的設計方法及施工注意事項進行了總結，以確保公路工程的合理性、耐久性。

軟土地基，預應力，管樁，計算

0 引言

軟土地基具有天然含水量高、孔隙比大、壓縮性強、承載能力低等特點，是公路工程建設中遇到的難點之一，也是勘查設計與施工重點控制的一個環節。軟土地基處理是否合理是公路后期運營是否順暢的重要因素。目前，我國的公路工程建設中，對軟土地基的處理已經有了較為成熟的設計和施工經驗。對于不同類型的軟土處治如何選取適當的處治措施，對合理確定工程造價和保證公路安全運營具有十分重要的影響。

1 項目概況

該公路項目為高速公路，地處低緩丘陵，地形起伏較大。區內氣候溫和，雨量充沛，地表徑流對坡面坡腳的沖刷較大。地下水類型為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水，以第四系松散層孔隙水為主，孔隙含水量隨季節變化，地下水以側向滲流的形式向溝谷排泄或蒸發。地下水埋深較淺，水位埋深約0.5 m～2.3 m。根據鉆探資料及野外地質調繪成果，邊坡主要由第四系坡殘積粉質粘土和燕山期花崗巖及其風化層組成。軟土地基分布于K115+215～K115+480段，路基以填方形式通過，最大填土高度23.4 m，且在K115+390處設置一處混凝土蓋板涵。

2 軟土地基概況

根據勘查揭示該段路基范圍內軟土地基分布如表1所示。

表1 軟土分布統計表

經過鉆探取樣，土工試驗測定的軟土各項物理力學指標如表2所示。

表2 軟土物理力學性質統計表

3 處治措施及方案的比選

為確保工程的后期運營安全，提高工程路基施工質量，減小工后沉降，確保路基穩定，減少運營維護成本及對運營交通的影響，對本段軟土路基進行了多方考察論證，通過幾種處治方案比選分析，確定軟土地基處理方案。

3.1 淺層處理法

淺層處理法主要包括強夯法與換填法。強夯法主要適用于非飽和的松散砂層及粉砂土、松散的厚層人工填土和軟土路段，深度一般不超過7 m，且該段軟土地基地下水位較高，地下水豐富，強夯排水效果和工后地下水回流均難以控制。換填法主要適用于層底深度不超過3 m的一般淺層軟弱地基。淺層處理法具有施工工藝、機具簡單、施工速度快、施工質量易于控制等優點，但處治深度較淺，不適于本段深度達8.1 m的軟土地基處理，且換填法填方與棄方均較大，易造成環境污染和水土流失。

3.2 排水固結法

排水固結法主要包括塑料排水板、袋裝砂井、堆載預壓法。堆載預壓處治造價低，棄方少，但其處治深度較淺，深層預壓效果難以控制，且施工工期很長。塑料排水板與袋裝砂井具有相同的處治效果，具有施工工藝、機具簡單，施工速度快等優點，但不能較大的提高地基承載力，亦不能提高砂土地基的抗液化能力；對于深厚軟土且填土高度較高的構造物路段或對于深厚軟土且工期小于2年的工程難以滿足工后沉降及工期的要求。排水固結法由于等載、超載的需要，導致大量借方、棄方的存在。

3.3 復合地基法

復合地基法主要包括水泥攪拌樁、碎石樁、水泥粉煤灰樁(CFG)和預應力混凝土管樁(PHC)。復合地基法處治深度均較深，均可滿足本段軟土路基處治深度的要求，但是又各有不同優缺點。

水泥攪拌樁加固后地基強度提高較多，可以比排水固結法大量減少地基沉降量，施工工期較短，但作為隱蔽工程，施工質量難以控制，樁體檢測時間長。

碎石樁可提高地基的承載力、降低孔隙比、減少地基沉降，提高地基抗液化能力，同時還兼有排水和置換作用，施工工期短，但施工質量難以控制和檢測，無法保證總體施工質量。

水泥粉煤灰樁質量容易保證，樁身強度高，工期短，可以比排水固結法大量減少地基沉降量，但作為隱蔽工程，當樁長較長時，施工質量難以保證，且檢測復雜。

預應力管樁產品由工廠流水線生產，質量穩定可靠，樁身強度高，貫穿能力強，適用于各種類型的地基處理，運輸方便，施工速度比較快，工期短，檢測方便，可以大幅地提高地基承載力，大量減少地基沉降量，處理深度可達40 m，但造價相對較高，運距較遠。

3.4 處治方案的確定

該段軟土地基長度265 m，軟土層厚度達6.2 m，上有覆蓋層，并且地下水位比較淺，經現場淺層開挖，地下水大量涌出，開挖處土嚴重坍塌，施工機具難以施展，不能采用淺層處治辦法。由于施工工期比較緊，地下水豐富，且路基填土高度高達23.4 m，排水固結法在較短時間內排水效果難以保證，且豐富的地下水在排水固結后仍會繼續影響已固結的軟土，且對于提高地基承載力無明顯效果。

考慮到該段需要在較短時間內達到較好的軟基處理效果，且要設置涵洞，需大幅提高地基承載力滿足構造物要求，該段軟土地基處治考慮采用復合地基法中的預應力管樁處治，具體布置方式根據設計及計算確定。

4 管樁設計

4.1 管樁設計原則

管樁的應力應變曲線形狀與其他混凝土樁的應力應變曲線形狀相似，剛性樁的特征明顯，可全樁長發揮摩擦作用。公路路基管樁復合地基，樁和樁間土共同承擔路基荷載。

用于公路軟土地基加固的管樁的直徑、長度及間距的設計采用以樁體與樁周土形成剛性復合地基滿足路基工后沉降要求為原則。

4.2 管樁設計計算

1)承載力計算。管樁復合地基承載力可采用下式計算：

Fspk=mRa/Ap+β(1-m)Fsk。

式中：Fspk——復合地基承載力特征值，kPa；m——面積置換率；Ra——單樁豎向承載力特征值，kN；Ap——樁截面面積，m2；Fsk——處理后樁間土的承載力特征值，kPa；β——樁間土的承載力折減系數，不考慮樁間軟土作用時可取0，樁間為硬土時可取0.1～0.4，樁間為軟土時可取0.5～1.0。

單樁承載力特征值Ra可采用下式計算：

式中：up——樁周長，m；n——樁長范圍內所劃分土層數；qsi——第i層土的樁側摩阻力特征值，kPa；li——第i層土的厚度，m；qp——樁端土承載力特征值，kPa；Ap——樁的截面面積，m2。

2)工后沉降計算。工后沉降計算采用JTG D30-2004公路路基設計規范中第7.6.2中規定的計算方法進行計算。主固結沉降Sc采用分層總和法計算，總沉降S采用沉降系數ms與主固結沉降計算。

4.3 管樁布置

本次預應力混凝土管樁采用預應力PHC樁,外直徑為30 cm,壁厚不小于7 cm,管樁離心混凝土強度為C70。樁頂托板采用C25鋼筋混凝土。管樁采用靜壓法施工，樁身嵌入持力層深度不小于2 m。

根據各項土層及管樁參數經多次試算，確定該段軟土地基管樁處治布置情況為：涵洞底寬6 m，設置4排管樁，由涵洞向兩側路基做過渡段，樁間距由2.0 m起，樁間距逐次增加0.2 m，至樁間距擴大為3 m過渡段結束，按照3 m樁間距布置一般路基段管樁，管樁樁長取整不小于11 m。樁頂設置碎石褥墊層,碎石采用級配碎石,最大粒徑應小于50 mm。

管樁布置示意圖見圖1。

4.4 其他設計要點

1)管樁按平行于涵洞軸線方向布置。涵洞處理區外按正常路段處理方式實施。

2)碎石墊層設置至坡腳外1 m的位置,并用30 cm厚的粘土封層,坡腳位置處的泄水管入水口設置土工布包裹碎石的反濾層。

3)碎石墊層頂部和底部各鋪設一層雙向土工格柵。土工格柵幅寬不小于2 m,搭接長度不小于30 cm,并用U形釘每隔2 m按正方形將格柵拉緊固定。

4)施工完管樁后,填土預壓(涵洞處壘沙包預壓),待預壓3個月,實施涵洞底的管樁托板,之后可以進行涵洞施工和填土。

5 施工注意事項與質量控制

1)管樁大規模施工以前須選在有地質鉆孔的位置來進行試打,并且進行單樁承載力和復合地基承載力的檢測,以確定是否需要調整收錘標準,管樁施工完畢以后,管樁樁頂高差應該控制在15 cm以內。

2)嚴格控制壓樁速度，一般應控制在1 m/min左右為宜，使各層土體能在均勻受力的情況下對管樁產生預定的側摩阻力，并能在管樁下沉過程中發生偏向時及時發現并做出調整。

3)管樁對接時,應采用法蘭盤連接或采用焊接連接。注意焊好的樁接頭應自然冷卻后方可施打。焊接處的強度不應低于出廠的強度。

4)涵洞整個范圍的管樁高程在打設階段應基本在同一水平上,待施工涵洞時,再將涵底處的管樁截斷至涵底基礎底高程。

5)在軟基處理后、填土前，設置測斜管、位移邊樁等檢測設備，測斜管彎曲性能應適應被測土體的位移情況。

6 結語

隨著我國的公路建設尤其是高等級公路建設的飛速發展，在具體工程實踐中由于建設任務的緊迫性，預應力混凝土管樁技術已經越來越廣泛地應用于軟土地基處理，管樁也越來越發揮其自身的優勢。在實際應用時應結合工程地質情況，有針對性地選擇與借鑒，優化設計方案，加強施工監管，保證施工質量，確保整體工程的合理性、耐久性。

[1] JTG D30-2004，公路路基設計規范[S].

[2] 葉書麟.地基處理工程實例應用手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1998.

[3] 王曉謀，袁懷宇.高等級公路軟土地基路堤設計與施工技術[M].北京：人民交通出版社，2001.

[4] 劉曉梁.高速公路修建過程中的軟土地基處理問題[J].山西建筑，2012，38(10)：162-163.

Application of prestressed concrete pipe pile in treatment of soft soil subgrade of highway

LV Bo TAN Ya-zhong

(CCCCRoadandBridgeTechnologyCo.,Ltd,Beijing100011,China)

Based on some road project, the paper analyzes the soft-soil subgrade of some road, identifies the treatment scheme for the prestressed pipe pile in the composite foundation method by comparing with various soft foundation treatment schemes, and sums up the design methods for the pipe pile and some precautions of the construction, so as to ensure the road projects to be reasonable and durable.

soft-soil subgrade, prestress, pipe pile, calculation

1009-6825(2014)11-0149-03

2014-02-07

呂 博(1983- ),男，工程師; 譚雅中(1987- ),女，助理工程師

TU753.3

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