PHC管樁樁網結構加固軟土路基設計方法探討

肖文輝，李 敏

(湖北省城建設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

1 PHC管樁樁網結構及其加固機理

本文通過PHC管樁樁網結構在二(連浩特)廣(州)高速公路懷集至三水段某橋頭路段實際工程中的應用，對其加固處理深厚軟土路基進行了詳細的計算分析，并通過現場測試加以驗證，可為類似工程提供指導。

PHC管樁即預應力高強度混凝土管樁，與普通預應力混凝土樁相比，具有快速施工，對周圍環境擾動小，質量容易控制、工后沉降較小，且大部分沉降發生在施工期等特點[1]。樁網結構路基中的網是指與土體共同作用的工程材料，具備加筋補強、均布應力、提高承載力、減少沉降等功能。參考文獻[2-3]，可將PHC管樁樁網結構體系分為：路堤填土、加筋墊層、樁土加固區以及加固區下的天然軟土層或持力層。樁網復合地基包括豎向增強體和水平增強體，其核心部分是樁和加筋墊層。加筋墊層位于路堤填土之下、樁頭之上，是由級配砂石與網共同組成的均勻壓密的柔性過渡層，在工作過程中主要承受拉力并將上部荷載傳遞給下部樁土復合地基，樁土加固區是設置于地基土中的PHC管樁與土組成的樁土復合地基[4]。

2 PHC管樁樁網結構設計方法總結

2.1 加筋墊層的設計

加筋墊層作為一種水平增強加固體系，其主要目的是保證樁土共擔荷載，將上部荷載能有效地傳遞到樁頂。加筋墊層與周圍土體之間的摩阻力對地基表面的側限作用，可改變地基中應力場和位移場的分布，從而保證地基的穩定。

2.1.1 墊層材料的選取

軟弱土中的樁網復合地基，其加筋體在滿足強度要求的同時還需具備一定的延伸性能，抗拉剛度過高易造成墊層剛度過大從而產生應力集中現象。墊層的設計指標宜通過試驗確定。

2.1.2 加筋墊層承載力計算

加筋墊層的承載力特征值應通過載荷試驗確定，初步設計時可按式(1)[5]確定：

(1)

式中，fspk1為加筋墊層承載力特征值；S為樁間距；Zn為加筋墊層厚度；θ為壓力擴散角；fsk為加固后樁間土承載力特征值，按當地經驗取值，如無經驗時可取天然地基承載力特征值；n為加筋體的層數；Tr為應變為5%時對應的加筋體拉力，無相關資料時宜通過張拉試驗曲線確定；δ為加筋體拉力方向與樁頂水平面的夾角；φ為墊層填料的內摩擦角。

2.2 地基承載力分析

2.2.1 單樁承載力計算

單樁豎向承載力特征值應通過現場載荷試驗確定，初步設計時可按式(2)進行估算：

(2)

式中，qsi為第i層土的樁側摩阻力特征值；qp為樁端土承載力特征值；Ap為樁的截面積；li為樁周第i層土的厚度；n為樁身范圍內的土層數。

2.2.2 復合地基承載力計算

剛性樁復合地基的承載力特征值應通過現場復合地基載荷試驗確定，初步設計也可按式(3)估算：

fspk=mRa/Ab+β(1-m)fak

(3)

式中，m為復合地基按樁帽面積計算得到的置換率；Ra為單樁豎向承載力特征值；Ab為樁帽面積；β為樁間土的承載力折減系數；fak為處理后樁間土承載力特征值，宜按當地經驗取值，無經驗時可取天然地基承載力特征值。

2.3 路基沉降計算

總沉降s由加固區變形s1和下臥層變形s2組成，可采用分層總和法計算變形量：

(4)

式中，n1為加固區分層數；n2為總分層數；pi為第i層土平均附加應力增量；Esci為第i層復合土體土的壓縮模量；hi為第i層土的厚度；ψs為沉降計算經驗修正系數，根據當地沉降觀測資料及經驗確定，也可按表1確定。

表1 沉降計算經驗系數表

3 PHC管樁樁網結構在工程實踐中的應用

3.1 工程概況

二(連浩特)廣(州)高速公路(粵境)懷集至三水段路線經過河流沖積平原地貌，軟土發育。本路段軟土路基主要分布于北江至上洲仔埡口及龍江至終點段，地表魚塘密布，軟土埋深一般在2～6 m，軟土層厚多在10～25 m，局部路段埋深達40 m左右，軟土層中多含有砂層和薄粉質黏土層或淤泥與砂互層狀分布。

以K17+706～K17+747橋頭段為試驗段，路基頂面寬33.5 m，路堤填高7 m，邊坡坡率1∶1.5。根據地勘報告，土體具體參數如表2所示。在收集國內軟基處理成功經驗的基礎上，考慮本項目軟土特點，從工程地質條件、施工條件和質量管控等方面考慮，軟基處理方案擬定采用PHC管樁樁網復合地基。

表2 各土層物理力學性質指標

3.2 樁網結構布置

選取監控K17+710斷面來進行計算。斷面路基結構包括下部軟基部分和上部路堤部分。

具體構成如圖1所示。

圖1 預應力管樁加固斷面圖

樁網復合地基設計參數如下：本次設計采用PHC-A300-70型預應力管樁，樁徑30 cm，壁厚7 cm。管樁混凝土抗壓強度為C80，樁長26 m，樁徑0.3 m，樁間距2 m，正方形布置；樁帽(1.0 m×1.0 m×0.30 m)，采用C25鋼筋混凝土參數取值。樁帽頂設置級配碎石墊層，夾鋪2層土工格柵，土工格柵采用CATT60型鋼塑土工格柵，第1層位于樁帽頂端，第2層位于樁帽上25 cm，加筋墊層總共厚50 cm。

3.3 理論計算

通過以上相應公式計算得出：加筋墊層承載力fspk1=191.3 kPa；單樁承載力Ra=625.6 kN；復合地基承載力載力fspk=165.9 kPa；車輛荷載及路基填土荷載經計算取pk=155 kPa

pk≤fspk≤fspk1

承載力滿足要求。

路基工后沉降計算：s=4.9 cm

3.4 單樁靜載試驗

為了檢驗設計及樁基的施工質量，進一步了解樁-網結構在加荷過程中的受力狀態，校驗設計思路，在試驗段管樁施工完成后進行了單樁承載力靜載試驗。3根樁靜載試驗的Q-S曲線見圖2。

圖2 樁-網結構單樁靜載試驗結果

從圖2可知，單樁的Q-s曲線為一緩變型曲線，曲線前半部分近似為一斜直線，表明樁頂受力與沉降呈線性關系，隨著荷載繼續增大接近樁基的極限承載力時，位移增長明顯加快，曲線的后半部分曲率變化較為明顯，但沒有出現明顯的破壞點，說明樁有良好的變形協調能力和承載能力。

由圖2還可以得出承壓板累計沉降量最大值為8.63 cm，殘余沉降量最大值為4.57 cm。試驗結果表明單樁承載力滿足要求，且在最大試驗荷載的作用下樁體最大沉降值也不超過10 cm，滿足工后沉降要求。

單樁靜載試驗結果見表3。

表3 樁網結構單樁荷載試驗結果

4 結 論

綜上所述，將樁網復合地基設計分為加筋墊層設計和復合地基設計，并經單樁靜載試驗檢驗，樁網結構受力變形特征符合預期，樁網復合地基設計方案合理有效。可為同類型的軟土路基加固設計和施工提供借鑒和參考。

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