預應力管樁處理公路軟基工后沉降的監測與預測分析

蔡 軍 馬昊天 陳園園 王 哲 宋佳峰

（1.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311100；2.浙江工業大學土木工程學院，浙江 杭州 310023）

0 引言

在軟土地基修建道路，地基沉降需高標準、高要求控制，而工后不均勻沉降的控制更是重中之重[1]。經加固處理后軟土地基的壓縮性顯著降低，從而降低地基沉降量[2]。樁網復合地基能在短時間內完成沉降，并使得沉降量顯著降低，能夠有效控制工后沉降，同時可以節約成本，降低工程造價[3]，在工程實際的應用中取得了較為理想的效果。預應力管樁因為其承載能力高、適用性廣泛、樁體長度設計靈活、節省工期等優點，在地基處理領域被迅速推廣使用[4]。預應力管樁[5]是先采用先張法預應力和離心成型工藝，然后經過蒸壓養護而成的一種空心圓筒狀的等截面剛性樁體。樁體施工應用時主要分為制作和沉樁兩個步驟[6]，逐節打入待處理的軟基中，樁與樁之間采用二氧化碳氣體保護焊在現場進行焊接，最后采用水準儀進行復核。

在沉降分析方面，李國維等[7]研究了雙曲線法并對其進行了修正，提出了改進沉降預測精度的措施。王偉等[8]研究表明沉降速率相同的條件下，指數模型沉降預測結果會大于雙曲線模型預測結果。由于預測結果與實際監測結果具有差異，需要將工程監測與理論預測相結合進行沉降分析。

在526 國道岱山段改建支線二Z2K1+955.889～Z2K4+569.328段工程中，對預應力管樁處理軟基后的沉降進行了現場監測，并與雙曲線法預測的沉降相結合進行分析，對有效提升施工效率具有重要的工程意義，可為后續施工打下堅實的基礎。

1 .工程概況

1.1 項目概況

526 國道岱山段改建工程支線二Z2K1+955.889～Z2K4+569.328段起點與高雙線K13+770相交，路線向北沿東沙工業基地規劃道路后，再往北經現狀鹽田區、養殖塘至規劃燕窩山客運碼頭。本段軟基處理的方式為預應力管樁/素混凝土樁+等載預壓。預應力管樁采用PC400A95，直徑為400mm，壁厚為95mm。素混凝土樁采用樁徑75cm，樁身強度為C20，正方形布置，水泥用P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，水灰比0.5~0.6，砂采用潔凈細砂，碎石采用粒徑15~40mm的潔凈碎石。樁帽、系梁采用C30混凝土，并與管樁/素混凝土樁連接。樁帽尺寸為長×寬×厚=1.3m（1m）1.3m（1m）0.35m，系梁截面尺寸為50cm（寬）×35cm（高）。路基填筑典型斷面、管樁施工典型斷面、預應力管樁設計圖分別見圖1、圖2、圖3所示。

圖2 管樁施工典型斷面圖

圖3 預應力管樁設計圖

1.2 地質條件

地形總體較平坦，局部河道及養殖塘地勢相對低洼，屬于海積平原區。沿線局部表層分布有厚度不大的填土，主要分布于既有道路或村莊等，巖性復雜；下伏1.0~2.0m 厚的灰黃色粉質黏土，性質稍好；其下為一系列的海相高壓縮性軟土，厚度可達25~30m；中部主要為海陸交替沉積黏性土，下部為陸相沉積及基巖地層，基巖埋深起伏大。

1.3 管樁施工工藝

預應力管樁施工采用柴油錘打樁機進行施工。預制管樁運輸至施工現場后在堅實、平整的區域堆放，采用100mm×100mm 枕木進行兩點支墊。沉樁施工工藝流程按照測放樁位、樁位復核、樁機就位、樁起吊、穩樁、打樁的順序進行。采用CO2氣體保護焊進行接樁，焊接施工采用兩臺焊機對稱施焊，分三次焊接完成，確保焊縫飽滿。接樁完成后，須由質檢人員會同監理工程師進行驗收，驗收合格且靜置10min 以上方能繼續沉樁。管樁打設完成后，采用水準儀對樁位進行復核，同時對樁距、樁垂直度進行檢查，滿足設計要求后，樁機移位。管樁施工完成后，需按照隨機抽樣的原則，需進行樁身完整性檢測。

1.4 觀測方案

本文討論的監測里程為Z2K3+550~Z2K4+133，根據監測的實測數據，計算月沉降速率，從而推算工后允許沉降值是否滿足軟基預壓期卸載控制采用的雙標準控制要求，即要求推算的工后沉降量小于設計容許值，同時要求達到沉降速率標準時，方可卸載開挖路槽并開始路面鋪筑。對欠載預壓的路段，按連續2 個月的月沉降速率小于3mm/月進行控制；對等載預壓的路段，按連續2個月的月沉降速率橋頭小于3mm/月、一般路段小于5mm/月進行控制；對超載預壓的路段，當有效應力面積比小于0.75 并且預壓期超過6 個月以上時，按連續2個月的月沉降速率小于7mm/月進行控制。當有效應力面積比超過0.75 小于1.0 時，按連續2 個月的月沉降速率橋頭小于5mm/月、一般路段小于7mm/月進行控制。當有效應力面積比大于10 時，按連續2 個月的月沉降速率橋頭小于3mm/月、一般路段小于5mm/月進行控制。軟基段路堤在填筑過程中，應嚴格控制周圍位移速率，控制標準為路堤中心線地面沉降速率≤1.0cm/晝夜，坡腳水平位移速率<0.5cm/晝夜，深層側向位移速率<3mm/晝夜。在施工期，每填筑一層至少需觀測一次，因故停止施工期間，每3d 觀測一次；預壓期間，第一個月每3d 觀測一次，第二個月至第三個月每7d觀測一次看，從第四個月起每半個月觀測一次，直到鋪筑路面。通車期沉降觀測應該取少量的典型斷面（2個）進行跟蹤觀測，監測頻率為每1~2 個月監測1 次。側向位移觀測頻率與沉降觀測頻率相同，直至路堤達到設計的標高。

1.5 沉降預測方法

選用雙曲線法對軟土地基進行沉降預測，根據地基的沉降規律，采用公式（1）對施工過程中的沉降進行預測，采用公式（2）進行最終沉降預測。

式中：ta、Sa——擬合計算起始點參考點的觀測時間與沉降值；

t、St——擬合曲線上任意點的時間與對應沉降值；

A、B——根據實測值求出的參數，化為直線時分別表示直線的截距與斜率。

2 監測結果及分析

各樁號處1月沉降速率與2月沉降速率如表1所示；Z2K3+600、Z2K3+700、Z2K3+800、Z2K3+900、Z2K4+100、Z2K4+200區段的擬合曲線結果匯總如表2所示；預測總沉降、預壓期沉降、預測工后沉降匯總如表3所示。

表1 沉降速率匯總

表2 擬合曲線結果匯總

表3 預測結果匯總

在荷載預壓過程中，土體應力狀態發生改變，繼而發生土體沉降變形。沉降在初始階段，土體處于彈性狀態，孔隙水還未消散，發生瞬時剪切變形，隨著荷載升級，沉降呈線性發展并且隨著時間增長，超靜孔隙水壓力逐步消散，土體產生塑性變形，伴隨時間延長，沉降達到最終狀態，便為最終沉降量。由表1 可知，整個監測期間各沉降觀測點數據滿足設計標準，最大沉降速率發生在前1 個月，為4.95mm/月。并且可以發現，路基沉降速率整體隨時間變小，主要是因為，隨著軟基排水發展、超靜孔壓消散，土體的有效應力逐漸增長，沉降速率便會降低。采用雙曲線擬合得到的預測曲線整體性較好，說明采用現場觀測與雙曲線法結合的方式進行地基沉降預測具有可靠性。在后續鋪設加載時應嚴格控制加載速率，以保證路基的穩定安全。

3 結束語

本文將現場實際監測與雙曲線沉降預測方法相結合，對采用預應力管樁進行軟基處理后預壓階段的道路軟基沉降進行了分析，探討了土體沉降的變化規律。結果表明，采用預應力管樁進行軟基處理后，整個監測期間各沉降觀測點數據滿足設計標準，滿足雙標準控制要求；土體沉降速率逐漸降低，充分說明采用現場監測與雙曲線降預測方法相結合的方式進行地基沉降預測具有一定可靠性。