PHC空心管樁在水庫段地基處理中的應用

蘇 鵬

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司 太原市 030032)

1 工程概況

國道208線晉中長治界至屯留小河北段改擴建工程路線全長107.9km,采用具有干線功能部分控制出入的雙向四車道一級公路標準，分起點至漳源鎮、漳源鎮至終點兩段，其中：起點至漳源鎮設計速度為60km/h，整體式路基寬度24.5m、分離式路基寬度2×12.0m，漳源鎮至終點設計速度為80km/h，整體式路基寬度25.5m、分離式路基寬度2×12.75m；本項目K952+300～K952+600段路基位于后灣水庫庫區內，工程類型為填方工程，最大填高約9m，路基處地表水深1.2～2.0m，地層濕軟，具有較高壓縮性，屬濕軟地基。

2 地質條件

2.1 地形、地貌

項目位于剝蝕侵蝕黃土丘陵區，微地貌為寬緩河谷區，地形較開闊平坦。

2.2 地層時代、成因及巖性特征

各巖土層特征及參數見表1。

表1 主要地層參數

2.3 水文地質條件

后灣水庫是海河流域漳衛南運河水系濁漳河西源干流上的以防洪為主，兼顧農業灌溉、工業供水、水產養殖等綜合利用的大(Ⅱ)型水庫工程，控制流域面積1300km2，防洪標準為百年一遇洪水設計，兩千年一遇洪水校核。建庫以來最大一次洪水發生在1993年8月4日，入庫洪峰498m3/s，泄量144m3/s。

路基段位于后灣水庫庫區邊緣地帶，路線范圍內水位隨降雨、蓄水、泄洪等因素變化而變化，勘察期間，水深約1.2～2.0m，枯水期時地表干涸無水。

2.4 場地類別及地震動參數

根據相關規范，軟基段場地土的類型為軟弱土-中軟土，結合區域資料，場地土的平均剪切波速為250 m/s≥υse>150m/s，場地內覆蓋土層厚度>50m。綜合評價，場地類別評定為Ⅲ類。

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2015)，軟基場地類別評定為Ⅲ類，地震動峰值加速度及地震反應譜特征周期需要調整。調整后的地震動峰值加速度為0.10g×1.25=0.125g，地震動反應譜特征周期0.45s×1.45=0.65s，地震基本烈度7度。

2.5 地基穩定性

濕軟地基地層主要由稍密-中密粉土、軟塑-可塑粉質黏土、中密中砂、稍密圓礫等構成，經鉆探、原位測試、土工試驗，粘性土具高含水量、高壓縮性和低強度，地基承載力介于100～300kPa，且受后灣水庫內蓄、泄水影響，路基基底會出現干、濕交替現象。綜合評價，地基穩定性差。

3 處治方案

由于本段水庫地基穩定性差，含水量高，壓縮性高，結合PHC管樁具有強度高、抗彎抗裂性能強、單樁承載力高、樁身防腐性能好、設計選用范圍廣、施工速度快、施工環保等優點[1]，本段水庫路段地基采用預制PHC空心管樁，采取正三角形布置，樁間距1.5m，樁外直徑為40cm, 樁內直徑為24cm，壁厚8cm，一般路段樁長采用7.0m，橋臺與路堤相接處30m范圍樁長采用12.0m，管樁樁身混凝土強度為C80。樁頂樁帽采用C30鋼筋混凝土，在樁頂設置一層0.5m厚的碎石墊層，并鋪一層三向土工格柵，同時在路基邊坡坡腳處設置C25現澆混凝土基礎。具體處治方案見圖1。

圖1 水庫段地基處治方案

4 承載能力驗算

4.1 地基承載能力要求計算

該水庫路段路基最大填高9.0m<10.0m。

車輛荷載附加荷載強度[2]q=10+1.25×(10-9)=11.25kN/m2；

等效均布土層厚度[2]h0=q/γ=11.25/18=0.625m，γ為路基填土重度kN/m3；

原地面地基承載能力要求值fk=(9+0.625)×18=173.25kPa。

4.2 復合地基承載能力計算

采用PHC空心管樁處理地基時的復合地基承載能力計算公式如下式[3-4]：

Quk= Qsk+ Qpk= u∑qsikli+ qpk(Aj+ λpAp1)

其中：m為面積置換率;λ為單樁承載能力發揮系數;Ra為單樁承載能力特征值(kN);Quk為單樁豎向極限承載能力標準值(kN);AP1為空心樁敞口面積(m2)；β為樁間土承載力發揮系數；fsk為處理后地基樁間土承載力特征值；fspk為復合地基承載能力特征值。

4.2.1計算樁長為7.0m時的復合地基承載力

Aj=0.785×(0.42-0.082)=0.1206m2

Quk=3.14×0.4×(3.0×10+3.0×15+1.0×30)+3000×(0.1206+0.667×0.785×0.242)=584.16kN

Ra=584.16/2=292.08kN

m=0.42/(1.05×1.5)2=0.0645

fspk=0.0645×1.0×292.08/(0.785×0.42)+0.9×(1-0.0645)×100=234.19kPa

4.2.2計算樁長為12.0m時的復合地基承載力

Aj=0.785×(0.42-0.082)=0.1206m2

Quk=3.14×0.4×(3.0×10+3.0×15+2.0×30+2.0×30+2.0×35)+2000×(0.1206+0.8×0.785×0.242)=646.38kN

Ra=646.38/2=323.19kN

m=0.42/(1.05×1.5)2=0.0645

fspk=0.0645×1.0×323.19/(0.785×0.42)+0.9×(1-0.0645)×100=250.16kPa

4.3 復合地基承載能力驗算

(1)當樁長為7.0m時，fspk=234.19kPa>173.25kPa，復合地基承載能力滿足要求。

(2)當樁長為12.0m時，fspk=250.16kPa>173.25kPa，復合地基承載能力滿足要求。

(3)樁長由7.0m增加為12.0m時，復合地基承載能力由234.19kPa提高為250.16kPa，提高15.97kPa,提高率為6.8%。

5 工后沉降驗算

5.1 容許工后沉降

路基工后沉降應滿足表2的要求。

表2 容許工后沉降[2] m

本項目為一級公路，橋臺與路堤相鄰處容許工后沉降≤0.1m，涵洞、箱涵、通道處容許工后沉降≤0.2m，一般路段容許工后沉降≤0.3m。

5.2 工后沉降變形計算

剛性樁處理地基的最終沉降量計算，可不考慮樁間土壓縮變形對沉降的影響，應采用單向壓縮分層總和法進行計算[1]，計算公式如下:

其中：s為樁基最終沉降量(m)；m為樁端平面以下壓縮土層分層的數目；Esj,i為樁端平面以下第j層土第i分層在自重應力至自重應力加附加應力作用段的壓縮模量(MPa)；nj為樁端平面以下第j層土的計算分層數；Δhj,i為樁端平面以下第j層第i分層的厚度(m)；σj,i為樁端平面以下第j層第i分層的豎向附加應力(kPa)；ψp為樁基沉降計算經驗系數。

沉降變形計算至中密中砂層頂面，由上式計算工后沉降變形見表3。

表3 工后沉降變形計算表

由沉降變形計算可知：

(1)一般路段：樁長為7.0m時樁端平面以下壓縮土層的總沉降。

S=0.034+0.030+0.068+0.024=0.156m≤0.20m，滿足容許工后沉降設計要求。

(2)橋臺與路堤相接處：樁長為12.0m時樁端平面以下壓縮土層的總沉降。

S=0.068+0.024=0.092m≤0.10m，滿足橋臺與路堤相鄰處容許工后沉降。

(3)樁長由7.0m增加為12.0m時，工后沉降變形由0.156m降低為0.092m，降低0.064m,降低率為41.0%。

6 結語

(1)對于一級公路水庫路段軟弱地基，采用PHC預制空心管樁進行處理，不僅能滿足復合地基承載能力的要求，還能滿足工后沉降變形的要求。

(2)通過增加樁長提高復合地基承載能力效果沒有降低工后沉降變形效果明顯，因此增加樁長是有效地降低工后沉降變形的措施。

(3)PHC空心管樁由于其本身強度高，施工時可提前預制成樁，加快施工速度、提高施工效率，因此PHC空心管樁必將成為處理軟弱地基的一把利劍。