PHC管樁在巖溶地區公路工程軟土地基處理中的應用

黃 銳

(四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，四川成都 610041)

石灰巖在我國廣泛分布，由于地表水和地下水的長期作用，巖層產生溶蝕，形成溶洞、溶槽、溶溝、漏斗、暗河、石芽、土洞等巖溶現象。巖溶地帶被其后來次生的風化或沖積物所填充和覆蓋，深埋于地下，在溝谷的開闊地帶、河流兩側、河漫灘等地段，細顆粒物質常沉積于此，形成淤泥、淤泥質土、軟塑狀粉質黏土等軟弱土層。該類土層承載力低、壓縮變形大，在巖溶地區軟土地基上修筑高速公路，易產生沉降及穩定問題，需進行地基處治。預應力管樁作為一種空心細長混凝土預制構件，具有單樁承載力高、對樁端持力層起伏變化大的地質條件適應性強、施工速度快、工效高、工期短、抗彎性好、成樁質量可靠等優點，可應用于處理高等級公路軟土地基處治。本文以某高速公路巖溶地段軟基處理為基礎，從勘察、設計方面對預應力管樁復合地基處治巖溶地區軟土地基進行了總結，重點介紹了PHC管樁復合地基的計算和設計方法。實踐證明，運用PHC管樁復合地基進行軟土地基處理能取得良好的加固效果，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某項目場地屬北江二級階地地貌，地層主要由第四系填土層、沖積層、泥盆系灰巖組成。根據鉆探資料，地層自上而下依次為：

①第四系人工堆積層：厚度1.00～1.5 m。

②第四系沖洪積層粉質黏土：灰褐色，軟塑，中壓縮性，低強度，厚度5.0～5.5 m。

③第四系更新統沖洪積層黏土：灰色，軟塑～可塑，高壓縮性，低強度，厚度5.5～5.7 m。

④粉質黏土：黃色、黃褐色，軟塑～可塑，高壓縮性，低強度，層厚大于6.0～6.5 m。

⑤礫砂：灰褐色，稍密，飽和，主要為石英質砂，含少量卵石，厚度6.4～7.0 m。

⑥泥盆系天子嶺組微風化灰巖：灰色，隱晶質結構，塊狀構造，巖體較完整，局部巖溶發育。

其中第②、③、④層為主要壓縮層，主要物理力學指標見表1。

表1 PHC管樁試驗段主要土層物理力學指標

2 巖溶地區軟土地質勘察

巖溶地區軟土工程地質勘察，應采用物探、鉆探、靜力觸探、室內試驗等手段，著重查明軟土性質、軟土厚度、持力層性質、持力層厚度、巖土交界面巖溶(土洞)發育情況、基巖埋深等。

物探能有效查明巖溶的分布范圍、埋藏深度和發育情況。鉆探是工程地質勘察最直接的勘探手段，精確度高，能直接、準確獲取土層的信息，獲取土樣，用作物理力學試驗，獲取參數。根據物探、鉆探資料，有針對性的布置靜力觸探孔，可確定軟土、黏性土和砂類土的承載力。對于覆蓋型巖溶，還可查明第四系覆蓋層中有無隱蔽土洞存在、土洞的規模及埋藏位置。

對于一般地區軟土工程，規范規定按200 m間距布置鉆孔。對于覆蓋型巖溶地質，規范未作特殊規定，建議詳勘鉆孔間距宜不大于100 m。本場地在管樁在大面積施工前，在管樁試樁時，發現詳勘鉆孔入巖深度和實際試樁深度存在較大差異，通過分析詳勘資料及試樁資料，得知由于巖面起伏較大所致。施工階段有針對性的進行施工補充鉆探，施工勘察鉆探間距調整為100 m，并按30 m間距補充了大量靜力觸探孔，為管樁復合地基設計提供了有效的基礎資料。

3 巖溶地區軟基處治設計

3.1 方案選擇

高等級公路軟基處治要考慮多方面的因素，包括施工工期、工程造價、處治效果、施工技術可靠度、資源消耗、機具條件、對環境的影響等。

本場地由于本項目工期緊張，故考慮采用CFG 樁或預應力管樁等剛性樁進行加固。而相比CFG 樁單樁承載力較PHC管樁低，單根樁處理面積僅為PHC管樁處理面積的1/3，且CFG樁易出現塌孔、縮孔等問題，質量難以保證。預應力管樁一般為工廠預制，質量可靠，對軟土地基加固也更加有效。因此，綜合考慮確定采用預應力管樁對軟弱地基進行加固。

3.2 基本參數的選擇

3.2.1 樁徑

管樁樁徑的選擇與上部荷載、樁間距、樁側、樁端阻力等力學參數有關。公路工程軟基處治中預制管樁直徑一般采用φ300 mm或φ400 mm。根據類似工程經驗教訓，路堤填土較高時，φ300 mm管樁的斷樁率較高，易產生穩定問題；而管樁直徑較大，承載力得不到充分利用，易造成浪費?？紤]本項目路堤填土荷載為7～11 m，上部荷載較大，故采用直徑φ400 mm管樁，正方形布置。

3.2.2 樁距

PHC管樁復合地基根據上部填土荷載、地基土性質、單樁承載力等確定樁距。樁距越大，單樁承載力要求越高；樁距過小，管樁的擠土效應比較明顯，不利于擠土導致的樁間土超孔隙水壓力消散，相鄰樁間中心距按不小于5d控制。本項目根據鉆探、靜力觸探資料、填土高度，根據上部荷載和地基承載力分段、分區調整間距，樁間距為2.0～2.6 m。

3.2.3 樁長

PHC管樁樁長宜根據靜力觸探提供的各土層側阻力參數及樁端持力層端阻力參數按JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》計算確定。巖溶地區灰巖以微風化為主，PHC管樁很難入巖，故樁長按摩擦樁計算[1]。

Quk=u∑qsikli+qpkAp

(1)

式中：qsik、qpk為樁側第i層土的極限側阻力標準值和極限端阻力標準值；u為樁身周處；li為樁周土第i層土的厚度；Ap為樁端面積。

3.2.4 樁帽

樁頂在上部荷載、負摩阻作用下，若樁接近破壞狀態、樁頂沉降增大時，樁土應力比減小、樁間土荷載增大，不利于路堤穩定和沉降控制。為充分利用PHC管樁的承載力，增大樁土應力比，樁頂應設置樁帽。較大覆蓋率的樁帽可以有效提高樁荷載率，減少對土工合成材料的依賴，因此樁帽覆蓋率應盡量大，樁帽示意圖見圖1。樁帽可按式(2)～式(4)進行抗彎、抗沖切計算[2]。

M=0.125ζ(H-H1)γf(b-a)2b

(2)

F1≤0.14fc(a+h0)h0

(3)

F1=Pp[1-(a+2h0)2/b2]

(4)

圖1 樁帽示意

式中：M為樁邊緣處截面的彎矩(kN·m)；ζ為修正系數，H1為樁帽頂面以下填土厚度(m)；a為方樁邊長，圓樁時a=0.886d(d為樁直徑)。

3.3 墊層設計

墊層設計包括墊層構造形式、加筋材料的選用以及墊層受力計算(圖2)。

圖2 墊層設計示意

3.3.1 加筋材料

路堤邊坡土體向外側滑移時，樁頂會產生向外水平力，為減小水平力，樁頂應設置加筋材料。設計時水平土壓力全部由加筋材料承擔為原則。為減少加筋層數，采用高強度土工格柵、雙向鋪設的單向土工格柵。土工合成材料置于土體中，可以擴散土體的應力，傳遞拉應力，增加土體與筋材之間的摩阻力，限制土體的側向位移，提高土體穩定性。加筋設計采用碎石墊層頂部和底部各鋪設一層雙向土工格柵。

3.3.2 墊層設計

墊層能夠保證樁、土共同承擔荷載，它是PHC管樁形成復合地基的重要條件。通過改變墊層厚度，可調整樁土荷載分擔比。墊層的設置，可以使樁間土承載力充分發揮，作用在樁間土表面的荷載在樁側的土單元體產生豎向和水平向附加應力，水平附加應力作用在樁表面具有增大側阻的作用，在樁端產生的豎向附加應力對提高單樁承載力是有益的。墊層宜選擇級配良好的碎石、砂礫、石屑等，墊層的厚度不宜小于0.3 m 。

3.4 單樁承載力的確定

3.4.1 按規范的計算公式確定

JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》規定，當根據土的物理指標與承載力參數之間的經驗關系確定單樁豎向極限承載力標準值時，按式(1)確定。

用靜力觸探確定樁側阻力和樁端阻力，方便迅速，精度也較高。本文采用雙橋靜力觸探資料確定混凝土預制單樁豎向極限承載力標準值時，按式(5)計算[1]。

Quk=u∑liβifsi+αqcAp

(5)

式中：βi為第i層土樁側阻力綜合修正系數，黏性土、粉土：βi=10.04(fsi)-0.55；砂土：βi=5.05(fsi)-0.45。fsi為第i層土的探頭平均側阻力(kPa)；qc為樁端平面上、下探頭阻力，取樁端平面以上4d(d為樁的直徑或邊長)范圍內按土層厚度的探頭阻力加權平均值(kPa)；然后再和樁端平面以下1d范圍內的探頭阻力進行平均；α為樁端阻力修正系數，對于黏性土、粉土取2/3，飽和砂土取1/2。

預制樁還應按式(6)驗算樁身強度。

Quk≤φψcfcAp

(6)

式中：φ為受壓穩定系數；ψc為基樁成樁工藝系數；fc為樁身立方抗壓強度設計值；AP為樁身截面面積。

3.4.2 按單樁豎向抗壓靜載試驗確定

單樁豎向抗壓靜載試驗是最可靠的確定單樁承載力的方法，它不僅可確定樁的極限承載力，還可以通過埋設各類測試元件，獲得荷載傳遞、樁側阻力、樁端阻力、荷載—沉降關系等諸多資料。由于靜載試驗耗用的費用、時間、資源等較大，只能對對有代表性的少量樁進行試驗。

3.4.3 按高應變檢測確定

高應變檢測的基本原理：用重錘沖擊樁頂，往樁頂軸向施加一個沖擊力，使樁土產生足夠的相對位移，以充分激發樁周土阻力和樁端支承力。通過安裝在樁頂以下樁身兩側的力和加速度傳感器接收樁的應力波信號，應用應力波理論分析處理力和速度時程曲線，從而判定樁的承載力和評價樁身質量完整性。

3.4.4 計算值與實測值的對比

試驗表明，利用靜力觸探取得樁側阻力和樁端阻力等計算參數，結合規范公式，得到的極限承載力標準值計算值和靜載試驗最大試驗荷載基本吻合。而高應變試驗最大試驗荷載與極限承載力標準值計算值相比則較為離散，但承載力和樁長呈正相關。工程實踐表明，采用靜載試驗確定單樁承載力特征值可靠性較高，確定收錘標準時應參考靜載試驗確定的試驗荷載(表2、表3)。

表2 靜載試驗結果匯總

3.5 穩定性分析

JTG/T D31-02-2013《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》規定，剛性樁復合地基的穩定性可采用圓弧滑動法驗算，滑動面上的抗剪強度采用樁土復合抗剪強度。復合地基內滑動面上的抗剪強度采用復合地基抗剪強度τps、τps可按式(7)計算[3]。

τps=mτp+(1-m)τs

(7)

式中：τs為土體的抗剪強度，τp為樁體的抗剪強度，m為樁土面積置換率。

表3 高應變試驗結果匯總表

樁承路堤通常不需要進行穩定分析，但是土工合成材料鋪設時未拉緊的現象時有發生，土工合成材料發揮作用時樁間土已經承受不少荷載。為謹慎起見，有必要進行穩定驗算?？紤]土工合成材料鋪設時張拉不緊、樁間軟黏土沉降緩慢等因素，路堤滑塌前土工合成材料發揮作用有限，穩定驗算時不考慮土工合成材料的作用[4]。

3.6 沉降計算分析

PHC管樁樁復合地基沉降等于加固區沉降與下臥層沉降之和。由于PHC管樁剛度較大，樁身壓縮量很小，且在加載期快速完成，可不考慮樁間土壓縮變形對沉降的影響，采用分層總和法計算最終沉降[3]。

(8)

式中：Ss為樁基最終沉降，m為樁端平面以下壓縮層內土層分層數目；Esj,i為樁端平面下第j層土第第i個分層在自重應力至自重應力附加應力作用段的壓縮模量；nj為樁端平面下第i層土的計算分層數；Δhj,i為樁端平面下第j層第i個分層的厚度；σj,i為樁端平面下第j層第i個分層的豎向附加應力；ψP為沉降計算經驗系數。

4 PHC管樁試樁

4.1 PHC管樁試樁目的

通過試樁復核地質資料以及設備、工藝、施打順序是否適宜，確定錘重、落距值、收錘標準等施工參數，用于整個場地的預應力管樁的施工。

4.2 靜載試驗

PHC管樁試樁測試荷載由液壓千斤頂進行逐級加荷，千斤頂所需的反力由沙袋堆重平臺承擔。測試加荷方式為快速維持荷載分級加載法，每級荷載加載量為最大試驗荷載的1/10，在每一級荷載作用下，樁頂沉降量達到相對穩定后加下一級荷載。最大測試荷載加至2 000 kN。靜載試驗壓重平臺堆載見圖3。

圖3 靜載試驗壓重平臺堆載

4.3 收錘標準的確定

收錘標準即停止施打的控制條件與管樁的承載力之間的關系相當密切，尤其是最后貫入度，常常被作為收錘時的重要條件。公路工程中管樁收錘標準應以達到的樁端持力層和最后貫入度或最后三陣錘(每陣10錘)錘擊數作為主要的收錘控制指標。最后貫入度控制值可參考Hilley打樁公式的計算結果，實際工程中通過試樁的靜載試驗確定[5](表4)。

表4 收錘標準匯總

通過表4可知，對于本項目場地，采用最后三陣錘(每陣10錘)的貫入度小于40 cm，靜載最大試驗荷載均大于2 000 kN，即采用最后三陣錘(每陣10錘)的貫入度小于40 cm，靜載最大試驗荷載均小于2 000 kN。單樁設計承載力特征值的取值，取單樁豎向極限承載力除以安全系數2的值。因此，單樁豎向承載力特征值均大于等于1 000 kN，滿足設計要求[6]。

為便于施工，同一場地宜統一單樁承載力特征值。不同填土高度，可通過調整樁間距實現單樁承載力特征值的統一。對于地質差異較大的區域，應分區試樁，分區確定收錘標準。

5 結論

(1) PHC管樁具有施工快速、質量可靠等明顯優勢，適用于巖溶地區軟土層底具有一定厚度持力層的軟土地基處理。

(2)巖溶地區軟土地基場地勘察應采用綜合勘探手段，并適當加密勘探孔；用于確定管樁樁長的計算參數宜采用靜力觸探確定。

(3)單樁承載力應現場單樁靜載試驗確定；靜力觸探力學參數可用于確定單樁承載力，且準確度較高。

(4)同一場地宜統一單樁承載力特征值，地質差異較大的區域，應分區試樁，分區確定收錘標準。