預制混凝土勁性體在道路軟基處理中的應用

唐一明

（中國十七冶集團有限公司設計研究院，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

PHC 管樁剛性復合地基是道路軟基處理中較為常見的一種方案，特別適用于軟土較深、工后沉降要求嚴格的工程，如高填方路基施工、橋頭路基施工、道路改建拓寬等，但當上部荷載較小時，管樁的樁體承載力往往得不到充分利用，會造成一定的資源浪費。近年來，國內多個地區在PHC 管樁剛性復合地基技術的基礎上，通過適當減小管樁壁厚、降低配筋率、優化混凝土配合比等方式，形成了預制混凝土勁性體復合地基技術。

勁性體復合地基技術是一種新型的地基處理技術，其作用機理和使用效果基本與管樁復合地基技術一致，具有施工質量易控制、施工速度快、地基承載力高、工后沉降小、地基處理深度大等突出優點，工程造價也比管樁低，極具推廣應用價值。

1 預制混凝土勁性體概述

預制混凝土勁性體是一種先張法高強度混凝土管樁，采用先張法預應力張拉工藝，經過蒸汽養護、離心成型制成的一種空心柱狀的混凝土預制構件。其生產工藝和PHC 管樁基本相同，但是樁壁較薄，故在粗細骨料配比、砂率和外加劑的使用上略有不同。勁性體一般用作抗壓樁，配筋率在0.35%～0.55%之間，混凝土強度不低于C60，常用規格為300mm、400mm、500mm、600mm 四種，壁厚55～85mm，豎向抗壓承載力設計值能達到760～2340kN，單樁承載力較大[1]。

2 勁性體復合地基的工程特性

勁性體復合地基主要由勁性體樁身、樁間土和褥墊層組成，屬于一種剛性樁復合地基，由剛度較大的勁性體和樁間土共同分擔路基填土自重及上部車輛荷載，樁身對周圍土體產生擠密作用，能有效改善樁身周邊土的性能，提高其對樁側的摩阻力，同時樁端阻力的發揮能使荷載傳遞到更深的土層，當勁性體樁端處于硬土或砂石等良好土層上時，端承力作用較大，能共同發揮樁側摩阻力和樁端阻力的作用，大幅度提高地基的承載能力，有效增強地基的抗變形能力和減少工后沉降。特別適用于處理黏性土、回填土、淤泥質土和工程特性較差的淤泥、有機土等地基，具有施工速度快、承載能力高、沉降變形小、穩定較快、處理深度大、質量易于控制等特點。

勁性體樁端進入持力層后，上部荷載通過樁頂的托板及在其上設置的土工格柵和碎石層形成“樁-網”結構，一部分荷載由樁間土承擔，能使上部荷載均勻地傳遞到持力層，從而滿足地基承載力要求，有效控制工后沉降，共同發揮復合地基樁和樁間土的功能[2]。

3 工程實例

3.1 工程概況

以蕪湖市某省道改線項目為例，該工程路線全長為2.186km，主要為青弋江橋及接線段，為一級公路，路基寬為27m，設計速度為80km/h，沿線路基以填方為主，橋頭路基較高，最高處達到7～8m，該處原地面工程地質較差，存在淤泥質粉質黏土，軟土較厚，考慮到相關規范對橋頭路基穩定性及工后沉降要求較高，經過前期對比驗證，決定采用預制混凝土勁性體剛性復合地基處理技術[3]。

3.2 不良地質的構成

根據地質勘察報告，該項目沿線存在淤泥質粉質黏土，位于③層，干強度低，韌性低，該層厚度為4.6～16.2m，層頂面埋深為1～12m。

具體場地巖土層自上而下劃分如下。

①層：填土及耕土，成分不均，雜色，結構比較松散，厚度為0.4～9.6m。

②層：粉質黏土，灰、灰黃色，軟-可塑狀，局部夾少量粉土。無搖振反應，稍有光澤，干強度較低，韌性較低，厚度為1～6m。

③層：淤泥質粉質黏土，灰、灰黑色，流塑-軟塑狀，局部夾薄層粉土、粉砂，含貝類，無光澤，干強度低，韌性低，厚度為4.6～16.2m。

④層：粉質黏土，灰、灰黃色，可塑-硬塑狀，含高嶺土。無搖振反應，稍有光澤，干強度中等，韌性中等。該層分布不均，厚度為1.2～6.5m。

⑤層：粉土夾粉砂，灰色，可塑-稍密狀，飽和，局部呈薄透鏡體狀，該層分布不均，厚度為1.2～4.3m。

⑥層：卵石，灰、灰黃色，含量約50%～70%，充填中粗砂、礫砂及黏性土，中密-密實狀為主，成分為石英巖、硅質巖及石英砂巖。卵石層未揭穿，可見厚度大于30m。

3.3 預制混凝土勁性體復合地基處理方案

預制混凝土勁性體采用正方形布置，樁型采用PPRC400，壁厚為60mm，混凝土強度等級為C60，布置間距視不同路基高度而定，分別選取2m 和2.5m，橋頭段加密，處理深度以打穿軟土層進入持力層不小于1.5m 為準，設計樁長為8～19m。樁頂設置托板，尺寸為1.2m×1.2m×0.3m，鋼筋混凝土現澆，托板上設置40cm 未篩分碎石，并采用土工格柵包裹。預制混凝土勁性體復合地基處理設計圖如圖1 所示。

圖1 預制混凝土勁性體復合地基處理設計圖

3.4 施工工藝

第一，施工準備：勁性體施工前應平整場地，清除場地障礙物。

第二，儀器、設備準備：勁性體推薦采用靜力壓樁機施工，壓樁機最大壓樁力應不小于200t，壓樁速度不小于1m/min，一次壓樁行程1～2m，靜壓機自帶壓力表且經過標定。施工現場應配備起吊設備，其起吊能力宜大于5t。

第三，施工前應進行成樁工藝試驗，試樁數量不得少于2 根。

第四，沉樁前應按設計文件進行放樁并標記樁位，樁機就位時，對樁位進行復測。

第五，沉樁時，應嚴格控制傾斜率，第一節勁性體起吊就位插入地面時的傾斜率不得大于0.5%，如果存在超差，則應及時調整，調整時必須確保樁身不裂，必要時應拔出重插，樁尖進入硬土層后，嚴禁采用移動樁機等強行回扳的方法進行糾偏。

第六，靜壓法施工沉樁速度不宜大于2m/min。沉樁時宜將每根樁一次性連續施工到底，盡量減少中間停歇時間。避免在接近設計深度時進行接樁，遇有較難穿透的土層時，接樁宜在穿透該土層后進行。

第七，當勁性體需要接樁時，其入土部分樁段的樁頭宜高出地面50～100cm。下節樁的樁頭處宜設置導向箍，接樁時上、下節樁段應保持順直，上、下節樁應接直焊牢，錯位偏差不宜大于2cm，逐節接樁時，節點彎曲矢高比不得大于1/1000 樁長，且不得大于2cm。焊接時應先在坡口圓周上對稱點焊5～6 點，待上、下節樁固定后拆除導向箍，再分層焊接，焊接層數不得少于2 層，焊縫要求飽滿、連續。

第八，送樁：送樁前檢查樁頂質量，測出垂直度，垂直度經檢測合格立即送樁。用測量儀器確定地面標高，在送樁桿上進行標記，送樁過程中應動態檢測送樁深度。送樁器底部應設置樁墊，樁墊厚度均勻并與樁頂全面接觸。

停止沉樁的標準應綜合考慮場地地質條件、設計樁長、壓樁力、貫入度等因素以及試樁參數，一般按不小于單樁容許承載力的1.3 倍送樁，達到設計高程后持荷（正常壓力）10min 且沉降量不超過2mm/min 方可結束送樁。

在同一地質類型的路段，若出現壓樁力顯著增加或送樁時靜壓力明顯減小等異常情況，需立即暫停施工，必要時增加施工勘察補鉆資料，找出原因后提出處理措施[4]。

第九，樁帽施工：沉樁、送樁結束驗收合格后才可進行樁帽施工。樁頭開挖后應整修，形成土模，然后按照設計要求綁扎鋼筋，澆筑混凝土并進行樁頭養護。

3.5 使用效果

該工程目前已經交工投入使用，道路軟基采用勁性體復合地基處理后，施工單位對路基進行了穩定性及沉降觀測，根據監測結果可知處理效果較好，達到了設計及相關規范的要求[5]。

4 預制混凝土勁性體復合地基的優缺點分析

道路深層軟基處理一般采用塑料排水板+堆載預壓、水泥攪拌樁、CFG 樁和PHC 管樁等處理方式，結合上述一級公路改線工程施工經驗，可以總結出預制混凝土勁性體復合地基在處理道路軟基時相比于其他方案存在以下優缺點。

第一，樁身質量高。勁性體一般采用工廠集中預制，自動化工藝生產，檢驗程序嚴格，樁體質量可以得到有效保障。

第二，適用性強。勁性體復合地基主要通過樁體自身的單樁承載力承受上部荷載，對原有地質的工程特性要求不高，適用于各種不同土質的不良地質處理，地下水對勁性體施工影響也較小[6]。

第三，施工工藝成熟、速度快。預制混凝土勁性體施工與PHC 管樁基本一致，采用靜壓或錘擊施工，工藝成熟。樁體采用集中預制方式，地基處理施工不受氣候、溫度和季節等因素的影響，前期準備工作少，施工速度快，監測和檢驗時間短，節省工期，特別適用于道路改建等工期要求較嚴格的工程。

第四，成樁長度可以靈活控制，不需要鋸樁。預制混凝土勁性體預制成型，每節樁長可根據設計和施工需求進行調整，接長方便，不同樁長可以靈活搭配，減少了截樁操作，節約用樁量。

第五，在深層軟基處理方面，勁性體在造價上也存在一定程度的優勢。在同一工程地基處理的應用中，勁性體的造價要稍高于水泥攪拌樁和塑料排水板，低于CFG 樁與PHC 管樁。

第六，施工質量易于控制。勁性體在工廠預制，進場時需要經過質量檢測，樁體質量能得到保證，沉樁過程便于監測，不存在水泥攪拌樁、CFG 樁等施工方式現場成樁較為隱蔽、質量不好把控的狀況[7]。

第七，處理效果好，沉降量小。勁性體樁身混凝土強度高，彈性模量大，加之樁體內有預應力筋，使得其整體剛度大，能承受大部分的上部荷載，復合地基變形沉降量小。根據工程實踐經驗，采用預制混凝土勁性體復合地基處理的工后沉降一般可控制在50mm以內，處理效果明顯優于水泥攪拌樁、CFG 樁等方案。

第八，施工現場干凈整潔、綠色環保。打樁一般采用靜壓方式，無噪聲污染，且樁體采用集中預制，施工時不會對地下水、周邊土地造成污染，有利于施工期間的生態環境保護。

預制混凝土勁性體的缺點：

一是有一定的地域限制，由于遠距離運輸會增加工程造價，因此要求工程周邊存在可集中預制的生產廠家[8]。

二是預制混凝土勁性體配筋較少，一般作為抗壓樁使用，不適用于有抗拉、抗彎要求的工況。

5 結語

沿江地區的地質情況較為復雜，道路路基處理極為重要，其工程造價占整個工程總投資的比例往往很大，選擇合適的軟基處理方案對提升工程質量、提高經濟效益有重要意義。塑料排水板+堆載預壓、水泥攪拌樁、CFG 樁、PHC 管樁等方法或多或少存在一些不足，而預應力混凝土勁性體綜合了各方案的優點，無論在施工工藝、處理效果、工程造價方面都具有一定的優勢，可為道路工程深層軟基處理提供新思路，具有顯著的社會經濟效益和廣泛的推廣應用前景。