薄壁筒桩技术在软基处理中的应用及试验研究

齐辛伟 方海珊 李 辉

1 概述

浙江某高速公路是国家重点公路建设规划的一条纵向公路——黑龙江嘉荫—福建南平支线(南通—嘉兴)的重要组成部分，也是浙江省交通建设规划“十八连”之一连。公路全长111.495 km，其中嘉兴段主线全长102 km，其中桥长30.5 km，占全线29.9%，软土地基处理占74.6 km，占全线 73.1%。软土孔隙比1.047～1.210，压缩系数0.53 MPa-1～0.87 MPa-1，各合同段一般均有20 m～25 m的深厚软土，其中 11，14，15合同段最深厚处可达34 m～47 m。设计采用了塑料排水板、水泥搅拌桩、预应力管桩等7种地基处理方法，根据桥头、箱头或一般路段，分别采用欠、等、超载预压处理，其中采用筒桩+土工格栅处理软土层深度较厚并且填土较高的桥头、涵洞、通道等路段。

我国目前的主导桩型有钻孔灌注桩、振动灌注桩、人工挖孔桩、预应力管桩、预制方桩以及用于软基处理的各种柔性、半柔性桩(如水泥搅拌桩与粉喷桩、砂石桩或碎石桩)。

2 薄壁筒桩施工工艺原理及流程

预制环形桩靴，桩靴上部凸出，下部呈环锥状;施工时把环形桩靴套入内外套管之间，内外套管的下端面与桩靴上部环形凸面的内外侧相接触;套管上部与压盖相连，内套管上部锥管穿过压盖，插入施力压头与出泥孔导通;将桩靴尖头压入土层;接着振动下沉，在成筒形孔的同时亦同步自动排出软土;放入钢筋笼，灌注混凝土，最后拉出内外套管即成筒状桩基。其施工流程如图1所示。为了选择桩型，在桩基工程论证中，根据勘测部门提供的初勘资料，以同一钻孔进行单桩承载力分析比较，现以薄壁筒桩承载力为基础，计算各桩混凝土量进行造价分析，对现浇薄壁筒桩与目前我国使用频率较高的4种传统桩型——振动灌注桩、钻孔灌注桩、预制方桩、预应力管桩作出技术和经济指标的初步对比(见表1)。从表1可知，对比中选用的现浇薄壁筒桩的外径1 000 mm，内径880 mm，筒桩壁厚0.12 m，纵然如此，它亦较4种对比桩型造价低。此外，还应指出，所做的桩基础对比并未考虑现浇薄壁筒桩的内侧摩阻力及桩靴的桩底反力。因此，现浇薄壁筒桩实际的单桩承载力明显超过2 990 kN。

表1 桩基础方案比较

3 试验概况

选取K8+662～K8+715路桥过渡段筒桩处理软基试验段数据进行分析，场地地处冲湖积平原，地形平坦。采用筒桩对其桥台过渡段进行变刚度地基处理，设计筒桩均为外径1 000 mm，壁厚120 mm，混凝土为C25，试桩S1的桩长为20 m;S2的桩长为25 m。试验段共选取5根单桩和一组四桩复合地基竖向静载荷试验。同时，选取桩长18 m，分三种情况进行试验。其中，试桩A19-1被挖去土心7 m，试桩A19-2的土心 18 m全部挖去，以便进行对比试验。

3.1 单桩竖向静载试验

试验采用慢速加载法，试桩结果见图2及表2。从图2试桩曲线可见:试桩曲线平缓光滑，无明显的拐点，说明筒桩在力学性质较差的土层中亦能表现出良好的受力特性。

由表2可见S1和S2的桩型均表现出良好的承载性能，桩长25 m筒桩的极限承载力1 200 kN，桩长20 m的筒桩极限承载力已达900 kN。这说明:桩周土力学特性较差时，桩长对桩竖向承载力的影响不很明显;而当桩周土力学性质较好，适当加长筒桩长度可获得较大的承载力。测试表明:空心桩的单桩承载力值比实体桩要低，约低20%～30%。由此可证明，内侧摩阻力确实存在，提高量值一般在20%～30%。

表2 桩基础方案比较

3.2 复合地基试验

四桩复合地基试验，桩长均为18 m，桩间距2.5 m，以粉质黏土为持力层，主要是通过承台试验了解群桩效应对承载力的影响和桩土应力分担比，并在桩顶土体不同位置埋设了土压力计，测试结果见图3，图4。结果表明，在试验加荷结束时仍无明显拐点出现，说明群桩仍未破坏。

由图4可看出，桩间土中心点处平均应力与桩侧平均应力大致相同且分担的应力较小，随荷载的增加变化不明显，但桩土应力比随着荷载的增大而增大，荷载越高，应力比增大的也相对较快，对于沉降到9.57 mm时，承载力主要由筒桩承担，约占总承载力的70%～80%。同时可看出，由于群桩效应，承载力衰减百分量小于10%，这是因为到5 000 kN时，群桩荷载仍未达到极限，由单桩竖向承载试验可知，四根桩最大荷载5 600 kN，故可以分析桩间距2.5 m时，筒桩承载力富余量大，桩间土压缩变形小，群桩效应不是特别明显。

4 结语

1)现浇薄壁筒桩作为一种新型桩基技术，具有成桩快速、工艺简单、成本低、承载力高、质量易于控制、污染少等特点。2)在与振动灌注桩、钻孔灌注桩、预制方桩、预应力管桩对比分析的过程中可以看到，薄壁筒桩应用前景非常广阔，经济效益极其可观。3)在与目前国内广泛使用的钻孔灌注桩进行承载力及经济技术分析发现，在相同条件下，薄壁筒桩不仅造价低廉，而且承载力也在钻孔灌注桩之上，具有良好的优良性能。4)试验表明，筒桩竖向承载力高且总沉降量小，在土质较差的情况下主要以摩擦桩为主。筒桩为刚性桩，混凝土环体与内外土体共同构成复合地基，极大地提高了地基的承载力，地基受力以筒桩为主，约占总承载力的70%～85%，沉降以桩间土为主，而且混凝土桩体壁为一较好的排水通道，有利于桩间土的排水固结，提高地基的强度和稳定性。

[1] JGJ 94-94，建筑桩基技术规范[S].

[2] 曾国熙，卢肇钧，蒋国澄.地基处理手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1988.

[3] 黄宏伟.微型预制桩单桩承载力时效现场试验分析[J].岩石力学与工程学报，2000，19(5):666-669.

[4] 张晓青.浅谈几种软土地基处理的方法[J].山西建筑，2009，35(6):153-154.