管樁在沿海高速公路改擴(kuò)建軟土地基中的應(yīng)用

謝澤華，肖 侃，譚 毅

(1.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007；2.南寧市港航發(fā)展中心，廣西 南寧 530003)

0 引言

近年來，管樁被廣泛運(yùn)用在基礎(chǔ)工程上，其具有處理軟基深度深、豎向承載能力強(qiáng)、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)。在對沉降要求嚴(yán)格的橋頭路堤、橋梁涵洞等構(gòu)造物基礎(chǔ)以及改擴(kuò)建中的拼寬路堤等路段中廣泛使用[1-2]。

管樁屬于剛性樁，當(dāng)在公路軟土地基中運(yùn)用時，應(yīng)根據(jù)《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T D31-02-2013)(以下簡稱細(xì)則)中對剛性樁的要求進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計主要包括三個方面的內(nèi)容，分別為結(jié)構(gòu)的受力計算、樁體承載力驗算、地基沉降計算以及穩(wěn)定驗算[3-5]。本文對廣西某沿海高速公路改擴(kuò)建工程K2220+120～K2220+930右側(cè)深厚軟土地基采用管樁進(jìn)行地基處治設(shè)計，通過理論計算、數(shù)值模擬驗算以及現(xiàn)場承載力試驗結(jié)果可知，設(shè)計符合規(guī)范要求。

1 工程概況

廣西某沿海高速公路已運(yùn)營十余年，交通量已趨于飽和，為響應(yīng)國家“一帶一路”倡議，提升公路運(yùn)輸能力，促進(jìn)沿線經(jīng)濟(jì)增長，對該高速公路實施改擴(kuò)建。該項目為沿海主要通道，沿線軟土分布廣泛，部分路段以路堤形式從水塘、農(nóng)田通過，其地基軟土厚度>3 m，其含水量高、孔隙比高，承載力低，經(jīng)沉降計算和穩(wěn)定性驗算，其工后沉降不能滿足設(shè)計及規(guī)范要求，需要對軟土地基進(jìn)行處治。在比較多種方案后，對深度>5 m的軟基拼寬路堤選取管樁進(jìn)行處治。

2 管樁處治設(shè)計

2.1 設(shè)計方案

綜合考慮該路段路基設(shè)計高度和地質(zhì)情況，原有路基寬度為28 m，兩側(cè)拼寬路基寬度為7 m，將舊路基邊坡削坡至1∶1，在坡腳處開始設(shè)置管樁，管樁間距為2 m，樁徑為0.4 m，樁體貫入持力層≥1 m。管樁頂設(shè)置正方形樁帽，樁帽尺寸為1.2 m×1.2 m，厚度為0.3 m。管樁樁帽之間用0.3 m厚的碎石填充密實，碎石上部覆蓋雙向土工格柵，管樁樁帽頂部鋪設(shè)0.3 m厚度的碎石墊層，碎石墊層頂部鋪設(shè)雙向土工格柵。

選取典型斷面K2220+240右側(cè)管樁處治地基進(jìn)行設(shè)計研究，設(shè)計圖如圖1所示。軟土總厚度為8.7 m，設(shè)置管樁長度為10 m，管樁下部貫入持力層強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r1.3 m，路堤填土高度為5 m，從地表至持力層的地層分別為淤泥質(zhì)砂土、粉砂、強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r，厚度分別為4.5 m、4.2 m、2.3 m，各地層及碎石墊層的巖土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

(a)橫斷面

表1 地層的巖土物理力學(xué)參數(shù)表

2.2 設(shè)計計算

《細(xì)則》中對于剛性樁的設(shè)計要求，主要包括三個方面，分別為結(jié)構(gòu)的受力計算、樁體承載力驗算、地基沉降計算以及穩(wěn)定驗算[3]，不要求進(jìn)行復(fù)合地基承載力驗算，只要求在一定保證率下樁頂荷載壓力小于單樁豎向承載力設(shè)計值。該設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則的具體驗算方法如下：

2.2.1 樁頂?shù)暮奢d壓力Fcap計算

根據(jù)《細(xì)則》第5.8.8條式(1)和式(2)計算樁頂荷載壓力Fcap。

(1)

(2)

式中：Kp——被動土壓力系數(shù)；

σsu——作用在樁間土上的應(yīng)力(kPa)；

γ——路堤填料的重度(kN/m3)；

S——樁間距(m)；

b——樁帽寬度(m)；

δ——樁帽寬度與樁間距之比；

H——路堤高度(m)；

α——待定系數(shù)，通過式(3)計算[3]。

γS2H=Fcap(α)+σsu(α)(S2-b2)

(3)

將式(1)和式(2)代入式(3)，手工進(jìn)行迭代計算較困難，將公式在Excel中編輯后進(jìn)行迭代運(yùn)算，計算得Fcap=338.29 kN；σsu=20.21 kPa；α=0.675 7。

2.2.2 承載力驗算

根據(jù)《細(xì)則》第5.8.11條式(4)和式(5)計算剛性樁的承載力。

γ0Fcap≤R

(4)

(5)

式中：γ0——建筑物樁基重要系數(shù)；

R——單樁豎向承載力設(shè)計值(kN)；

Qsk、Qpk——單樁的總極限側(cè)阻力特征值和總極限端阻力特征值(kN)；

γs、γp——側(cè)阻抗力分項系數(shù)和端阻抗力分項系數(shù)[3]。

經(jīng)查表和計算得γs=γp=1.65，γ0Fcap=372.12 kN，R=385.33 kN，γ0Fcap

2.2.3 沉降計算

根據(jù)《細(xì)則》第5.8.13條剛性樁可不考慮樁間土壓縮變形對沉降的影響，采用單向壓縮分層總和法計算最終沉降[3]。

(6)

式中：S——樁基最終沉降；

j，i——第j層土第i個分層；

Esj，i——土體壓縮模量(MPa)；

Δhj，i——土體分層厚度(m)；

σj，i——分層后所受豎向附加應(yīng)力(kPa)；

ψp——樁基沉降計算經(jīng)驗系數(shù)[3]。

計算得S=32.39 mm，滿足《細(xì)則》第4.3.11條容許工后沉降的要求。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 計算模型及參數(shù)

《細(xì)則》僅對剛性樁的受力以及新拼寬路堤沉降進(jìn)行計算，該高速公路已運(yùn)營十余年，舊路基已完成固結(jié)沉降，新拼寬路堤對舊路堤的附加應(yīng)力、雙向土工格柵對路堤不均勻沉降的減弱以及新舊路堤的沉降差異值都需要通過數(shù)值模擬進(jìn)行計算分析。結(jié)合高速公路改擴(kuò)建工程實際，數(shù)值模擬分析時假設(shè)高速公路路基長度足夠，將該路堤簡化為平面應(yīng)變模型，因其以路基中心為對稱軸，簡化計算取右半部分1/2路基進(jìn)行模擬分析，土體采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，根據(jù)鉆探結(jié)果舊路地基各地層巖土物理力學(xué)參數(shù)如表2所示，模型底部為持力層，限制X、Y方向位移，左右兩側(cè)限制X方向位移。

表2 舊路地基地層巖土物理力學(xué)參數(shù)表

(a)無管樁路堤

3.2 計算結(jié)果分析

從圖2路堤沉降變形圖中可以看出新拼寬路堤填筑后，無管樁處治地基處路堤產(chǎn)生較大的沉降，邊坡有潛在圓弧滑動面，管樁處治后路堤沉降較小，整體穩(wěn)定性較好。取路堤表面為研究截面，計算沉降與路堤中心距離的關(guān)系，結(jié)果見圖3。結(jié)果表明未處治路堤表面沉降從路堤中心開始增加，在新拼寬路堤處增加速率陡然加大，舊路堤范圍(0～14 m)沉降最大值為28.79 mm，新拼寬路堤范圍(14～21 m)沉降最大值出現(xiàn)在路堤邊坡坡頂處，沉降值為89.72 mm。管樁處治后的路堤表面沉降呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，舊路堤范圍(0～14 m)沉降最大值為15.63 mm，新拼寬路堤范圍(14～21 m)沉降最大值出現(xiàn)在距離路堤中心15 m處，沉降值為16.02 mm。舊路堤范圍(0～14 m)管樁處治路堤沉降最大值是無管樁路堤的54.29%，新拼寬路堤范圍(14～21 m)管樁處治路堤沉降為未處治路堤沉降最大值的17.86%，沉降值降低明顯。無管樁路堤新舊路堤沉降差值分別為：60.93 mm、28.36 mm，差異值為32.57 mm；管樁處治路堤新舊路堤沉降差值分別為：9.66 mm、15.53 mm，差異值為5.87 mm，僅為無管樁路堤的18.02%，管樁處治新舊路堤的不均勻沉降效果明顯。

圖3 路堤表面沉降與路基中心線的關(guān)系圖

管樁處治路堤和無管樁路堤的新拼接路堤沉降值都明顯大于舊路堤，主要原因是新拼寬路堤填筑后產(chǎn)生的豎向荷載主要集中在新拼接路堤范圍內(nèi)，新舊路堤結(jié)合部為薄弱位置，舊路堤在十余年的運(yùn)營中其自身的變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，整體性較好，同時管樁承擔(dān)了新拼寬路堤的大部分豎向荷載，減小新拼寬路堤填土產(chǎn)生的荷載對舊路堤的影響。管樁處治新拼寬路堤能整體降低路堤表面沉降，明顯減小新舊路堤沉降的差異值，有效改善路堤工后沉降，對改擴(kuò)建工程的保暢通具有重要意義。

4 承載力現(xiàn)場檢測情況

在項目施工期間，根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行單樁承載力試驗，試驗采取逐級加載的方法，最大加載量為1 000 kN，每級加載量為200 kN，K2220+240右幅-1管樁承載力試驗Q-S曲線如圖4所示，試驗結(jié)果如表3所示。

圖4 K2220+240右幅-1管樁承載力試驗Q-S曲線圖

表3 K2220+240右幅-1管樁承載力試驗結(jié)果表

承載力試驗中加載2.5倍設(shè)計荷載(1 000 kN)后，管樁位移發(fā)生陡降，產(chǎn)生的最大沉降為22.78 mm，單樁承載力為400 kN，達(dá)到單樁豎向承載力設(shè)計值，滿足規(guī)范和設(shè)計的要求。

5 結(jié)語

本文對沿海高速公路改擴(kuò)建工程K2220+120～K2220+930右側(cè)深厚軟土地基采用管樁進(jìn)行地基處理計算設(shè)計，得到如下結(jié)論：

(1)在改擴(kuò)建工程中，管樁處治能明顯降低新拼寬軟土路堤沉降值，其沉降值僅為未處治路堤沉降值的17.86%，同時管樁處治能夠整體降低新舊路堤沉降差異值，其差異值僅為無管樁路堤的18.02%，有效提升軟土路堤施工質(zhì)量，對改擴(kuò)建工程的保暢通提供有力支持。

(2)舊路堤與新拼寬路堤結(jié)合部是改擴(kuò)建工程中路堤施工的薄弱位置，施工時需重點(diǎn)控制，管樁處治軟土路堤通過管樁和雙向土工格柵共同承擔(dān)荷載，有效減小薄弱位置的沉降值，提高新拼寬路堤整體穩(wěn)定性，改善改擴(kuò)建公路后期的運(yùn)營品質(zhì)。

(3)經(jīng)過理論計算、數(shù)值模擬以及單樁試驗，管樁處治的軟土路堤承載力和沉降都滿足規(guī)范和設(shè)計要求，為同類型的改擴(kuò)建拼寬軟土路堤加固設(shè)計提供借鑒和參考。