勁性體復(fù)合地基預(yù)制樁帽設(shè)計及沉降分析

薛 嶺 趙明綱 涂圣武

(1.江蘇省交通工程建設(shè)局，南京 210004; 2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210017)

0 引言

勁性體復(fù)合地基處理相較于傳統(tǒng)的軟基處理方式，其可有效縮短施工環(huán)節(jié)、 強(qiáng)度較高、 可集中工廠化預(yù)制， 隨著工程實(shí)際應(yīng)用的增多及該施工工藝逐漸被認(rèn)可， 已成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)施工工藝的一種新型的軟基處理方式。

勁性體可認(rèn)為是管樁的衍生產(chǎn)品， 在滿足相同的強(qiáng)度要求及安全質(zhì)量控制下， 勁性體相較管樁具有其天然的優(yōu)勢。勁性體相較于管樁節(jié)約配筋約10%以上，壁厚明顯減小表現(xiàn)為混凝土用量節(jié)約20%以上， 壁厚及配筋的減少也會便于運(yùn)輸及安裝。

傳統(tǒng)的管樁樁帽一般采用現(xiàn)澆施工， 本文根據(jù)勁性體自身工廠化預(yù)制特點(diǎn)并結(jié)合設(shè)計施工標(biāo)準(zhǔn)化理念，對勁性體樁帽也進(jìn)行預(yù)制樁帽設(shè)計及預(yù)制樁帽標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝控制進(jìn)行研究， 從而真正實(shí)現(xiàn)勁性體復(fù)合地基處理工藝的工廠化、預(yù)制化、高效化的目的。

勁性體預(yù)制樁帽可極大的縮短澆筑及養(yǎng)護(hù)周期，因其工廠化預(yù)制也可避免操作不當(dāng)?shù)热藶橐蛩氐挠绊懀跐M足強(qiáng)度要求及工程質(zhì)量控制的前提下， 也因其自身的優(yōu)點(diǎn)可減少鋼筋及水泥的用量， 具有一定的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境保護(hù)效益。

勁性體本質(zhì)可認(rèn)為對傳統(tǒng)管樁的優(yōu)化和升級， 本文結(jié)合依托項目重點(diǎn)對勁性體預(yù)制樁帽設(shè)計、施工工藝、控制要點(diǎn)及沉降分析進(jìn)行深入研究， 并結(jié)合有限元分析軟件對勁性體復(fù)合地基加固軟基沉降進(jìn)行數(shù)值分析， 將現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與理論分析相結(jié)合， 對勁性體復(fù)合地基加固軟基的沉降變形進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 依托工程

本文依托海安至啟東高速公路HQ-BH1 標(biāo)段某橋頭試驗(yàn)段， 海啟高速公路項目所在南通地區(qū)屬于典型軟土地區(qū)，因此該試驗(yàn)段勁性體復(fù)合地基處理結(jié)果，可較好直觀的反映勁性體及預(yù)制樁帽對軟基處理的效果。

2 勁性體施工及預(yù)制樁帽設(shè)計

試驗(yàn)段長度約80m，勁性體上部填土約為6.5m，設(shè)計勁性體樁間距按2.8m 及3.2m 布置，勁性體樁長16m，勁性體樁徑400mm，壁厚80 mm 的A 型張法勁性體，勁性體混凝土強(qiáng)度C80。

勁性體復(fù)合地基加固軟基采用靜壓法施工， 靜壓勁性樁體至設(shè)計樁長或達(dá)到持力層深度后， 吊裝預(yù)制樁帽并進(jìn)行勁性樁體與預(yù)制樁帽連接施工， 完成后鋪設(shè)墊層及土工格柵，完成勁性體復(fù)合地基加固軟基的施工。

試驗(yàn)段勁性樁采用正方形布樁施工， 為減少打樁過程中的土體的擠壓效應(yīng)， 勁性樁體的布設(shè)及施工沿路堤走向進(jìn)行靜壓樁施工，具體如圖1 所示。

圖1 勁性體平面布置及打樁順序示意圖

勁性體預(yù)制樁帽采用1.5×1.5×0.4 正方形尺寸及形式，內(nèi)部采用縱向與橫向交叉配筋形式。預(yù)制樁帽中采用階梯孔，階梯孔分為上下兩層階梯，以此孔做為與勁性體樁體連接的通道，上層階梯分擔(dān)勁性樁上刺效應(yīng)。

勁性體預(yù)制樁帽頂部均勻布設(shè)起吊、運(yùn)輸、安裝用吊環(huán)。為保證預(yù)制樁帽與勁性體連接，現(xiàn)場采取填芯混凝土處理， 填芯處理前在勁性體樁體內(nèi)壁均勻涂抹水泥漿以保證填芯與勁性體形成統(tǒng)一整體。

勁性體與預(yù)制樁帽均為預(yù)制構(gòu)件， 兩者間通過連接件進(jìn)行連接，如圖2 所示。本試驗(yàn)段采用預(yù)制構(gòu)件預(yù)留鋼筋焊接進(jìn)行勁性體與預(yù)制樁帽的連接。

圖2 預(yù)制樁帽示意圖

3 數(shù)值模擬及沉降分析

3.1 模型組成

數(shù)值計算模型如圖3， 第一部分為勁性樁體和預(yù)制樁帽； 第二部分為勁性體加固軟土地基和試驗(yàn)段路堤填土；第三部分為墊層及土工格柵。

圖3 數(shù)值計算模型

3.2 材料參數(shù)

樁體、樁帽、碎石墊層、路基填土等數(shù)值模擬材料參數(shù)見表1。

3.3 網(wǎng)格劃分

試驗(yàn)段路基與勁性樁體的單元類型為CPE4 單元，加固軟基土體采用CPE4P 單元來模擬。 填筑路基下方的勁性樁體及樁周土體網(wǎng)格相對密集， 而未進(jìn)行勁性體加固區(qū)域的土體網(wǎng)格相對稀疏， 且樁土接觸面勁性體樁身與土體網(wǎng)格一致，網(wǎng)格劃分如圖4 所示。

表1 數(shù)值模擬材料參數(shù)

圖4 有限元模型網(wǎng)格劃分

3.4 計算結(jié)果的分析驗(yàn)證

通過對不同填筑情況或時間下勁性體地基處理的數(shù)值模擬分析可知。勁性體復(fù)合地基勁性體、預(yù)制樁帽及墊層形成復(fù)合整體，并未發(fā)生單獨(dú)剝離的狀態(tài)發(fā)生，該整體同步產(chǎn)生剛性位移沉降，隨著填筑及時間的推移，整體沉降也隨之增大。

如圖5 勁性體地基處理沉降云圖可知， 道路中心附近沉降較大， 隨著距離的變化沉降量也同步發(fā)生負(fù)相關(guān)變化。待勁性體地基處理路堤填筑完成時，道路中心附近最大的沉降量為132mm；在預(yù)壓期結(jié)束時最大沉降量增大25mm，增至157mm；在運(yùn)營15 年后的總沉降量為179 mm。 試驗(yàn)段工后沉降量滿足高速公路沉降要求，勁性體復(fù)合路基對軟基的加固處理及沉降控制具有良好的處理效果。

圖5 沉降云圖

將數(shù)值模擬分析結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)段實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)相對比，如圖6 和圖7 所示，數(shù)值模擬計算結(jié)果略大于現(xiàn)場實(shí)測， 但數(shù)值分析與現(xiàn)場實(shí)測下勁性體復(fù)合地基處理段落沉降變化情況變化情況基本保持一致， 其變化規(guī)律相吻合， 因此該試驗(yàn)段勁性體地基處理沉降變形數(shù)值模擬分析符合現(xiàn)場實(shí)際情況，能較好的分析模擬現(xiàn)場實(shí)際。

圖6 土體沉降結(jié)果比較

圖7 樁體沉降結(jié)果比較

3.5 沉影響因素分析

基于對試驗(yàn)段數(shù)值計算模型分析， 現(xiàn)對影響勁性體復(fù)合地基加固效果的主要因素進(jìn)行對比研究， 包括勁性體樁長、預(yù)制樁帽尺寸，以對不同的施工情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

(1)樁長的影響

在保持其他參數(shù)一致的情況下， 對不同樁長情況下(L1=8m，12m，16m，20m，24m)的加固效果進(jìn)行對比分析，此時計算勁性體樁長與實(shí)際樁長的比值L1/L 為0.5，0.75，1.0，1.25，1.5。

從圖8、圖9、圖10 中可得，勁性體加固軟基處理表面沉降、最大沉降、差異沉降隨著勁性體樁長的增加而明顯減少；

圖8 表面沉降

圖9 最大沉降

圖10 最大差異沉降

綜合沉降分析結(jié)果可知增加勁性體樁長有利于減小沉降，提高樁體承擔(dān)的荷載值，這是由于增加了樁長，相應(yīng)地，樁側(cè)表面積也得以增加，從而增大了樁側(cè)摩阻力并改善樁的承載力。樁長在設(shè)計中可調(diào)性較大，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，可采用變樁長設(shè)計進(jìn)行沉降控制。

(2)樁帽尺寸的影響

在保持其他參數(shù)一致的情況下， 對不同樁帽尺寸下的加固效果進(jìn)行對比分析， 假設(shè)樁帽寬度與樁間距的比值a/s 為0.3，0.4，0.5，0.6，0.7。

圖11 表面沉降

圖12 最大沉降

圖13 最大差異沉降

由圖11、圖12、圖13 可知，勁性體加固軟基處理表面沉降、 最大沉降及差異沉降均隨著樁帽尺寸的增加而減小。當(dāng)比值a/s 從0.3～0.5 變化時時，樁間土最大沉降量從197.9 mm 減小到179.1 mm，樁土最大差異沉降從28.0 mm 減小到18.2 mm。 而當(dāng)比值a/s 大于0.5 后沉降量及差異沉降變化幅度較小，預(yù)制樁帽影響變?nèi)酢?/p>

綜上可得， 通過調(diào)整樁帽尺寸可以使得路堤荷載更好地集中于勁性樁體，有效減少沉降量，但隨著樁帽寬度與樁間距比例的增加，影響效果逐漸被弱化。 因此，從減小沉降和節(jié)約經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)， 勁性體復(fù)合地基適宜的樁帽尺寸為：a/s=0.5。

4 結(jié)論

本文依托海啟高速公路項目， 對勁性體復(fù)合地基及預(yù)制樁帽設(shè)計展開研究， 通過現(xiàn)場施工檢測及數(shù)值計算模擬可知：

(1)勁性體復(fù)合地基對軟土地基加固具有良好的處理效果，有效減少項目路基沉降，相較于傳統(tǒng)的施工工藝，勁性體及預(yù)制樁帽擁有其自身先天優(yōu)勢， 可在相關(guān)軟土加固工程中得以推廣和應(yīng)用。

(2)通過對勁性體復(fù)合地基的不同影響因素分析可知，勁性體樁長、樁帽尺寸變化影響軟基加固的沉降，可有效減少工后沉降并提高地基的承載力。 但從沉降控制及經(jīng)濟(jì)角度綜合分析， 以調(diào)整勁性體樁長來控制沉降為最優(yōu)選擇，樁帽尺寸與樁間距比值a/s 宜控制在0.5。