预应力管桩在某公路软土路基处理中的应用

吕 博 谭雅中

(中交路桥技术有限公司，北京 100011)

预应力管桩在某公路软土路基处理中的应用

吕 博 谭雅中

(中交路桥技术有限公司，北京 100011)

以某公路工程为例，分析了该路段的软土地基情况，通过对各种软基处理方案的比选，确定了复合地基法中的预应力管桩治理方案，并对管桩的设计方法及施工注意事项进行了总结，以确保公路工程的合理性、耐久性。

软土地基，预应力，管桩，计算

0 引言

软土地基具有天然含水量高、孔隙比大、压缩性强、承载能力低等特点，是公路工程建设中遇到的难点之一，也是勘查设计与施工重点控制的一个环节。软土地基处理是否合理是公路后期运营是否顺畅的重要因素。目前，我国的公路工程建设中，对软土地基的处理已经有了较为成熟的设计和施工经验。对于不同类型的软土处治如何选取适当的处治措施，对合理确定工程造价和保证公路安全运营具有十分重要的影响。

1 项目概况

该公路项目为高速公路，地处低缓丘陵，地形起伏较大。区内气候温和，雨量充沛，地表径流对坡面坡脚的冲刷较大。地下水类型为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水，以第四系松散层孔隙水为主，孔隙含水量随季节变化，地下水以侧向渗流的形式向沟谷排泄或蒸发。地下水埋深较浅，水位埋深约0.5 m～2.3 m。根据钻探资料及野外地质调绘成果，边坡主要由第四系坡残积粉质粘土和燕山期花岗岩及其风化层组成。软土地基分布于K115+215～K115+480段，路基以填方形式通过，最大填土高度23.4 m，且在K115+390处设置一处混凝土盖板涵。

2 软土地基概况

根据勘查揭示该段路基范围内软土地基分布如表1所示。

表1 软土分布统计表

经过钻探取样，土工试验测定的软土各项物理力学指标如表2所示。

表2 软土物理力学性质统计表

3 处治措施及方案的比选

为确保工程的后期运营安全，提高工程路基施工质量，减小工后沉降，确保路基稳定，减少运营维护成本及对运营交通的影响，对本段软土路基进行了多方考察论证，通过几种处治方案比选分析，确定软土地基处理方案。

3.1 浅层处理法

浅层处理法主要包括强夯法与换填法。强夯法主要适用于非饱和的松散砂层及粉砂土、松散的厚层人工填土和软土路段，深度一般不超过7 m，且该段软土地基地下水位较高，地下水丰富，强夯排水效果和工后地下水回流均难以控制。换填法主要适用于层底深度不超过3 m的一般浅层软弱地基。浅层处理法具有施工工艺、机具简单、施工速度快、施工质量易于控制等优点，但处治深度较浅，不适于本段深度达8.1 m的软土地基处理，且换填法填方与弃方均较大，易造成环境污染和水土流失。

3.2 排水固结法

排水固结法主要包括塑料排水板、袋装砂井、堆载预压法。堆载预压处治造价低，弃方少，但其处治深度较浅，深层预压效果难以控制，且施工工期很长。塑料排水板与袋装砂井具有相同的处治效果，具有施工工艺、机具简单，施工速度快等优点，但不能较大的提高地基承载力，亦不能提高砂土地基的抗液化能力；对于深厚软土且填土高度较高的构造物路段或对于深厚软土且工期小于2年的工程难以满足工后沉降及工期的要求。排水固结法由于等载、超载的需要，导致大量借方、弃方的存在。

3.3 复合地基法

复合地基法主要包括水泥搅拌桩、碎石桩、水泥粉煤灰桩(CFG)和预应力混凝土管桩(PHC)。复合地基法处治深度均较深，均可满足本段软土路基处治深度的要求，但是又各有不同优缺点。

水泥搅拌桩加固后地基强度提高较多，可以比排水固结法大量减少地基沉降量，施工工期较短，但作为隐蔽工程，施工质量难以控制，桩体检测时间长。

碎石桩可提高地基的承载力、降低孔隙比、减少地基沉降，提高地基抗液化能力，同时还兼有排水和置换作用，施工工期短，但施工质量难以控制和检测，无法保证总体施工质量。

水泥粉煤灰桩质量容易保证，桩身强度高，工期短，可以比排水固结法大量减少地基沉降量，但作为隐蔽工程，当桩长较长时，施工质量难以保证，且检测复杂。

预应力管桩产品由工厂流水线生产，质量稳定可靠，桩身强度高，贯穿能力强，适用于各种类型的地基处理，运输方便，施工速度比较快，工期短，检测方便，可以大幅地提高地基承载力，大量减少地基沉降量，处理深度可达40 m，但造价相对较高，运距较远。

3.4 处治方案的确定

该段软土地基长度265 m，软土层厚度达6.2 m，上有覆盖层，并且地下水位比较浅，经现场浅层开挖，地下水大量涌出，开挖处土严重坍塌，施工机具难以施展，不能采用浅层处治办法。由于施工工期比较紧，地下水丰富，且路基填土高度高达23.4 m，排水固结法在较短时间内排水效果难以保证，且丰富的地下水在排水固结后仍会继续影响已固结的软土，且对于提高地基承载力无明显效果。

考虑到该段需要在较短时间内达到较好的软基处理效果，且要设置涵洞，需大幅提高地基承载力满足构造物要求，该段软土地基处治考虑采用复合地基法中的预应力管桩处治，具体布置方式根据设计及计算确定。

4 管桩设计

4.1 管桩设计原则

管桩的应力应变曲线形状与其他混凝土桩的应力应变曲线形状相似，刚性桩的特征明显，可全桩长发挥摩擦作用。公路路基管桩复合地基，桩和桩间土共同承担路基荷载。

用于公路软土地基加固的管桩的直径、长度及间距的设计采用以桩体与桩周土形成刚性复合地基满足路基工后沉降要求为原则。

4.2 管桩设计计算

1)承载力计算。管桩复合地基承载力可采用下式计算：

Fspk=mRa/Ap+β(1-m)Fsk。

式中：Fspk——复合地基承载力特征值，kPa；m——面积置换率；Ra——单桩竖向承载力特征值，kN；Ap——桩截面面积，m2；Fsk——处理后桩间土的承载力特征值，kPa；β——桩间土的承载力折减系数，不考虑桩间软土作用时可取0，桩间为硬土时可取0.1～0.4，桩间为软土时可取0.5～1.0。

单桩承载力特征值Ra可采用下式计算：

式中：up——桩周长，m；n——桩长范围内所划分土层数；qsi——第i层土的桩侧摩阻力特征值，kPa；li——第i层土的厚度，m；qp——桩端土承载力特征值，kPa；Ap——桩的截面面积，m2。

2)工后沉降计算。工后沉降计算采用JTG D30-2004公路路基设计规范中第7.6.2中规定的计算方法进行计算。主固结沉降Sc采用分层总和法计算，总沉降S采用沉降系数ms与主固结沉降计算。

4.3 管桩布置

本次预应力混凝土管桩采用预应力PHC桩,外直径为30 cm,壁厚不小于7 cm,管桩离心混凝土强度为C70。桩顶托板采用C25钢筋混凝土。管桩采用静压法施工，桩身嵌入持力层深度不小于2 m。

根据各项土层及管桩参数经多次试算，确定该段软土地基管桩处治布置情况为：涵洞底宽6 m，设置4排管桩，由涵洞向两侧路基做过渡段，桩间距由2.0 m起，桩间距逐次增加0.2 m，至桩间距扩大为3 m过渡段结束，按照3 m桩间距布置一般路基段管桩，管桩桩长取整不小于11 m。桩顶设置碎石褥垫层,碎石采用级配碎石,最大粒径应小于50 mm。

管桩布置示意图见图1。

4.4 其他设计要点

1)管桩按平行于涵洞轴线方向布置。涵洞处理区外按正常路段处理方式实施。

2)碎石垫层设置至坡脚外1 m的位置,并用30 cm厚的粘土封层,坡脚位置处的泄水管入水口设置土工布包裹碎石的反滤层。

3)碎石垫层顶部和底部各铺设一层双向土工格栅。土工格栅幅宽不小于2 m,搭接长度不小于30 cm,并用U形钉每隔2 m按正方形将格栅拉紧固定。

4)施工完管桩后,填土预压(涵洞处垒沙包预压),待预压3个月,实施涵洞底的管桩托板,之后可以进行涵洞施工和填土。

5 施工注意事项与质量控制

1)管桩大规模施工以前须选在有地质钻孔的位置来进行试打,并且进行单桩承载力和复合地基承载力的检测,以确定是否需要调整收锤标准,管桩施工完毕以后,管桩桩顶高差应该控制在15 cm以内。

2)严格控制压桩速度，一般应控制在1 m/min左右为宜，使各层土体能在均匀受力的情况下对管桩产生预定的侧摩阻力，并能在管桩下沉过程中发生偏向时及时发现并做出调整。

3)管桩对接时,应采用法兰盘连接或采用焊接连接。注意焊好的桩接头应自然冷却后方可施打。焊接处的强度不应低于出厂的强度。

4)涵洞整个范围的管桩高程在打设阶段应基本在同一水平上,待施工涵洞时,再将涵底处的管桩截断至涵底基础底高程。

5)在软基处理后、填土前，设置测斜管、位移边桩等检测设备，测斜管弯曲性能应适应被测土体的位移情况。

6 结语

随着我国的公路建设尤其是高等级公路建设的飞速发展，在具体工程实践中由于建设任务的紧迫性，预应力混凝土管桩技术已经越来越广泛地应用于软土地基处理，管桩也越来越发挥其自身的优势。在实际应用时应结合工程地质情况，有针对性地选择与借鉴，优化设计方案，加强施工监管，保证施工质量，确保整体工程的合理性、耐久性。

[1] JTG D30-2004，公路路基设计规范[S].

[2] 叶书麟.地基处理工程实例应用手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.

[3] 王晓谋，袁怀宇.高等级公路软土地基路堤设计与施工技术[M].北京：人民交通出版社，2001.

[4] 刘晓梁.高速公路修建过程中的软土地基处理问题[J].山西建筑，2012，38(10)：162-163.

Application of prestressed concrete pipe pile in treatment of soft soil subgrade of highway

LV Bo TAN Ya-zhong

(CCCCRoadandBridgeTechnologyCo.,Ltd,Beijing100011,China)

Based on some road project, the paper analyzes the soft-soil subgrade of some road, identifies the treatment scheme for the prestressed pipe pile in the composite foundation method by comparing with various soft foundation treatment schemes, and sums up the design methods for the pipe pile and some precautions of the construction, so as to ensure the road projects to be reasonable and durable.

soft-soil subgrade, prestress, pipe pile, calculation

1009-6825(2014)11-0149-03

2014-02-07

吕 博(1983- ),男，工程师; 谭雅中(1987- ),女，助理工程师

TU753.3

A