剛性樁復合地基單樁承載力與復合地基承載力關系探討

楊杰，楊浩

（1．安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230031;2．正德人力資源股份有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

軟土具有大孔隙比、高含水量、高壓縮性、低強度、流變性等特點，道路建設中的軟土路段應結合地質詳勘資料及工程建設的特點選擇合理的處置方案進行處理[1-2]。

剛性樁復合地基是以摩擦型剛性樁作為豎向增強體的復合地基。如鋼筋混凝土樁、素混凝土樁、預應力管樁、大直徑薄壁簡樁等[2-5]。

在設計工作中，公路軟土地基路堤設計與施工技術細則中明確剛性樁可不驗算復合地基承載力，而采用單樁豎向承載力設計值與樁頂上的荷載壓力乘以建筑物樁基重要系數后進行比較。這一提法與常規的采用單樁承載力及復合地基承載力進行方案設計的思路有所不同。

本文結合路基設計規范及細則內容，結合某二級公路的特殊路基處理方案資料，對剛性樁處治的路基段落的復合地基承載力與單樁承載力之間關系進行分析，為設計工作提供參考。

2 工程概況

①道路概況

該建設工程為二級公路，路基設計寬度17m，路面寬度15．5m，設計時速60km/h，是連通縣、鎮、地方的重要交通道路，該段軟土分布范圍廣，設計繞行的代價過大，因此必須對該段路基進行特殊路基處理。

②地形地貌

軟土分布區地貌單元為江淮波狀平原區，微地貌為河漫灘，地勢平坦，K24+288～K25+050 段地面標高一般在8．55～12．10m 之間，K25+514～K29+881 段地面標高一般在4．50～6．44m之間。

③水文地質

本次勘察地下水屬于第四系松散孔隙水，埋深較淺。根據區域地質資料，地表水對混凝土結構和鋼筋混凝土中的鋼筋均具有微腐蝕性。

④地震

根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306-2001），本場地的地震動峰值加速度為0．05g。

3 軟土分布及巖土參數

該段主要分布的是②層軟土，層厚2．1～22．0m，下臥層為④層粉質粘土。軟土主要由淤泥質粉質粘土和粉質粘土組成，青灰色-灰褐色，稍濕，流塑～軟塑，濕～飽和，厚度約在2．1～22．0m。承載力基本容許值70kPa。

本路段均為填方路基。由于軟土沉積時間短、固結性差，具有含水量大、壓縮性高、承載力低、滲透系數小、易變形等特點，工程性質差。由于軟土層的容許承載力低，易引起路堤失穩或沉降過大，不能滿足公路工程建設的需求。危害主要表現在易造成構筑物開裂、路基變形、路堤滑移等，破壞工程的整體性。對相間分布工程地質性質差的軟弱土層等均應進行處理，確保工程安全。

根據勘察結果，推薦地基處理設計參數詳見表1。

表1 軟土地基設計參數推薦表

4 計算分析

4.1 設計方案

選取K27+445 至K27+820 段特殊路基處理段落作為研究對象，地勘資料揭示，該段軟土層最厚達22～30m ,且最大路基填高約6～8m，具有典型性。一般路段采用的雙向水泥攪拌樁在設計計算及施工工藝上均很難達到標準要求，設計采用PHC 預制管樁進行復合地基處理。

預應力高強混凝土管樁（PHC）樁型為A300（70），樁長打穿軟土層進入相對持力層，一般路段樁間距為2．7m，平行于線路走向，正三角形布設。混凝土有效預壓應力4．0N/mm2，極限彎矩檢驗值27kN·m，開裂彎矩檢驗值25kN·m，開裂剪力檢驗值96kN。

樁頭設置樁帽，樁帽1．2m×1．2m×0．3m，強度不小于C20，配一層鋼筋網片。

4.2 單樁承載力計算

《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》（JTG/TD31-02-2013）采用單樁豎向承載力設計值與樁頂上的荷載壓力乘以建筑物樁基重要系數后進行比較，即要求[6]：

式中：γ0—建筑物樁基重要系數，取1．1；R—單樁豎向承載力設計值（kN）。

單樁豎向承載力計算結果如表2 所示。

表2 單樁豎向承載力計算結果

4.3 樁頂上的荷載壓力計算

式中：σsu—作用在樁間土上的應力（kPa）；

Kp—被動土壓力系數，；

φ—路堤填料的內摩擦角（°）；

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。

該隱式方程手動求解很難計算，計算中采取將式（2）、式（3）帶入式（4）式中進行計算，得到關于α 的隱式方程，然后利用WPS 軟件中的規劃求解功能進行迭代計算。在計算表格中，單擊菜單欄中“數據”“模擬分析”“規劃求解”，結合帶入整理后的公式，將HS2r 值所在單元格設定為目標值，待定系數α 所在單元格設定為可變單元格，公式所在單元格設置為目標單元格，點擊求解，即可根據設定好的相關土工參數進行迭代計算，可求出相應的待定系數α，從而可以進一步求解出樁間土應力及樁頂的荷載壓力。

計算過程需注意，以填高5m、樁間距2．7m、樁帽寬度1．2m 為例，填料內摩擦角取值35°，填料重度19kN/m3利用規劃求解功能進行求解，設定不同的起始值將獲得兩個不同的解，即α=0．271 及α=0．671，其函數圖形如圖1所示。

圖1 樁頂上的荷載壓力計算函數圖形

代入公式分別求得Fcap1=136．8kN及Fcap2=472．53kN，差別很大，分析認為小值Fcap1的值等于單個樁帽上土體自重對樁帽的力，大值Fcap2則應是土拱效應下的樁帽頂的荷載壓力，結合規范要求，采用土拱效應下的樁頂荷載進行研究[7-9]。

對2．7m，2．4m 間距條件下不同填高情況進行計算，計算的待定系數及樁頂荷載如下表所示：

表3 樁頂荷載壓力計算結果

在不同填高的工況中，采用的設計方案計算出的計算結果顯示，當側阻抗力分項系數和端阻抗力分項系數rs、rp分別取1．65 時，管樁的單樁豎向承載力均能滿足規范計算所得的樁頂荷載壓力要求，下面對復合地基承載力進行驗算。

4.4 復合地基承載力計算

《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》（JTG/TD31-02-2013）中5．8．12 條剛性樁可不驗算復合地基承載力，但實際設計中，尤其是對于高填方或者橋涵構造物處，往往對基礎的復合地基承載力有著相應要求。本次進一步的對PHC 管樁處理軟土路基的復合地基承載力進行計算。

《復合地基技術規范》（GB/T 50783-2012）中對于剛性樁復合地基均要求驗算復合地基承載力，并給出相應計算要求。

經計算得到的各路段復合地基承載力如表4所示。

4.5 分析對比

將單樁豎向承載力設計值與樁頂上的荷載壓力乘以建筑物樁基重要系數以及復合地基承載力與附加應力進行對比可見在一般路段，當單樁豎向承載力滿足樁頂荷載壓力的要求時，依據《復合地基技術規范》（GB/T 50783-2012）計算出的復合地基承載力同樣能滿足道路附加應力的要求。

對比兩者對應關系可以發現，r*Fcap/R 與F/Fspk具有相似的對應關系。當填高≥2m 時，兩者范圍分別為55～87%以及45～65%，具有較好的一致性，但依據計算結果剛性樁設計在滿足樁頂上的荷載壓力的要求時，相應計算的復合地基承載力數值上明顯有一些富余，因此在一般路段軟基處理設計中，在單樁承載力滿足樁頂荷載壓力的要求時，其復合地基承載力也相應能夠滿足道路附加應力要求，因此可以依照公路軟土地基路堤設計與施工技術細則的要求，可不驗算復合地基承載力。

計算結果可見，當樁間距2．7m，樁長20～30m 之間時，計算所得的復合地基承載力范圍基本在150～195kN 之間，而涵洞、管線等構造物往往對基底的承載力要求較高。因此當設計路段內存在構造物，對地基承載力有專門要求時，應結合實際要求進行計算，通過對樁間距、樁長或者樁徑型號進行調整。調整樁間距時應注意：

①5．8．4 剛性樁可按正方形或等邊三角形布置，樁徑宜根據成樁設備確定，且不宜小于5倍樁徑；

表4 復合地基承載力計算結果

表5 分析對比表

②為確保土拱的形成，充分發揮土拱效應，避免樁（帽）土頂面的差異沉降反射到路面而出現蘑菇狀高低起伏的現象，要求剛性樁處理路段的路堤高度宜大于1．4（S～b），即當樁徑為30cm 時，樁間距最小值宜不小于1．5m，填土高度為2．1m，樁帽1．2m 時，樁間距最大值宜不大于2．7m。

由此可對樁間距在1．8～2．7m 之間進行取值，以K27+500 段為例計算可得，其復合地基承載力變化范圍為188～280kN，基本能滿足一般涵洞構造物對基底承載力要求。

5 結論

可采用表格中的規劃求解功能對公路軟土地基路堤設計與施工技術細則中樁頂荷載壓力的隱式進行求解，求解結果一般為雙解，應剔除不合理的Fcap值（一般為小值），另一解為土拱效應下的樁帽頂的荷載壓力。

一般路段在單樁承載力滿足樁頂荷載壓力的要求時，其合地基承載力也相應能夠滿足道路附加應力要求，因此可以依照公路軟土地基路堤設計與施工技術細則的要求可不驗算復合地基承載力。

對于橋涵構造物等對地基承載力要求較高的段落，應結合樁基設計，分別驗算樁頂荷載壓力與單樁豎向承載力以及復合地基承載力與構造物要求承載力是否滿足要求。

一般情況下，采用調整樁間距的方法可以有效提升復合地基承載力。