刚柔性长短桩处理高速公路软土地基的应用研究

岳建东

(河北省高速公路邢衡筹建处)

1 引言

复合地基处理技术自20世纪60年代提出以来，以其良好的应用效果，得到广泛发展。多元复合地基应用技术是基于复合地基理论及应用研究发展而产生的，它解决了单一桩型复合地基难以同时满足特殊地基承载力和变形要求的缺陷，丰富了复合地基处理技术，郑俊杰曾对多元复合地基的承载力计算及检测方法进行研究。长短桩复合地基作为多元复合地基的一种类型，以其设计的灵活性、处理效果明显性和经济性而得到广泛引用，长桩以控制沉降为主，一般选用刚性桩，短桩作用为提高浅层地基承载力，多为柔性桩，因此又可称之为刚柔性长短桩复合地基。马骥曾提出长短桩复合地基的设计思想，对长短桩复合地基的承载力及变形的计算方法进行了介绍，并对设计中的有关参数进行了分析。闫明礼对多桩型复合地基及复合模量的基本概念进行了讨论，并提出了多桩型复合地基承载力及变形的计算方法。徐日庆曾以某七层建筑地基处理为依托，通过现场试验及有限元分析等手段，对刚柔性桩复合地基工程特性及设计计算理论进行了系统研究。

2 工程概况

邢衡高速公路一期工程包括枣园枢纽互通段和衡水南绕城段，全长18.684 km。本项目跨越衡水湖湖泊相软土地区，地基土体具有孔隙率高，含水率大，压缩性大，承载力低等特点，因此，如何采用合理有效的地基处理方法解决湖泊相软土地基引起的高速公路路基工后沉降过大的问题，成为工程建设的重点。针对这一问题，选取ZK2+030～ZK2+407里程段作为试验段，包括桥头10 m、过渡段20 m、路基段347 m，提出采用刚柔性长短桩复合地基处理技术进行处理。

3 设计思路

3.1 作用机理

(1)刚性长桩作用。通过在复合地基中设置刚性长桩，分担基础底部的作用荷载，提高地基承载力;同时由于刚性长桩具有良好的应力传递性，可将地基上部应力沿桩体向地基深处传递，减小地基上部土体的压缩变形，达到控制沉降的目的。

图1 刚柔性长短组桩复合地基示意图

(2)柔性短桩作用。通过在地基浅层设置柔性短桩，提高上部地基桩体置换率，以承受地基上部较大的附加应力，提高浅层地基的承载力;柔性短桩的设置还提高了浅层复合地基的压缩模量，有利于减小浅层地基的压缩变形。

(3)褥垫层作用。褥垫层的主要作用为保证桩与桩间土共同承担荷载、调整桩土荷载分担比、减少基础底部的应力集中、调整桩土水平荷载的分担。

(4)下卧层作用。下卧层作为刚性长桩的持力层，承受由刚性长桩传递的荷载，与上部桩体及褥垫层共同参与复合地基的工作。作为复合地基的下端持力层，该土层承载力及压缩模量的大小对复合地基整体工作性状具有重要影响。

3.2 设计方法

(1)布桩形式。一般常用的布桩形式有三角形布桩、正方形布桩等，由于正方形布桩形式具有受力分析简单明确、布置方便、利于施工的特点，本设计采用该种布桩形式，刚柔性长短桩的组合形式为一根刚性长桩周边配置八根柔性短桩，如图2所示。

(2)桩型的选择。为保证良好的应力传递性，达到控制沉降的目的，刚性长桩通常选用刚度较好的摩擦型桩，一般可用CFG桩、素混凝土桩、预制管桩等。由于CFG桩具有施工工艺成熟、成桩效果好等特点，本设计将刚性长桩桩型选定为CFG桩。

图2 刚柔性长短桩组合形式示意图

由于短桩以提高上部桩体置换率，提高浅层复合地基承载力为主，一般采用强度较低的柔性桩体，如水泥土搅拌桩、灰土桩、碎石桩等。针对试验段地基上部土层含水量大、地下水位较高的特点，本设计采用灰土中掺入钢渣形成钢渣灰土材料，通过夯实挤密成桩对上部地基进行处理，以达到提高地基承载力、加速地基土体固结的目的。

(3)桩长的确定。刚柔性长短桩的桩长应由实际地基土层的分布特点分别确定。通过分析该段工程地质勘察资料，该段地基土层在6～9 m处存在中砂土层，承载力较好，在9～10.5 m处存在高液限粘土层，压缩系数较高，承载力较差，下部又为较好土层，具体土层物理力学参数如表1所示。根据该段土层特点，选定柔性短桩桩长为8 m，将中砂土层作为柔性短桩的桩端持力层，以提高浅层地基的承载力;选定刚性长桩桩长为12 m，使其桩体穿过高液限软弱土层，将桩端落于下部较好的持力层，以减小高液限软弱土层的压缩变形，达到控制沉降的目的。

表1 各土层主要物理力学性质指标

(4)桩径的确定。由于一般高速公路路基荷载较小，对于地基承载力的要求不高，因此，用于地基处理的桩体桩径较小，同时由于施工工艺及设备的限制，一般桩径选为0.4～0.5 m。本设计选定刚性长桩桩径为0.4 m，柔性短桩桩径为0.50 m。

(5)桩间距的选取。由于本设计采取变桩间距的设计方法，根据相应规范中多桩型复合地基承载力估算公式及变形计算公式对刚柔性长短桩复合地基置换率进行设计，确定出满足桥头过渡段及路基段设计要求的刚柔性长短桩的桩体置换率，进一步计算得出各段满足要求的桩间距，桥头、过渡段、路基段桩间距分别为1.2 m、1.4 m、1.5 m。

(6)褥垫层设计。刚性桩与柔性桩组合的复合地基中，垫层的厚度宜取复合地基刚性桩直径的二分之一，垫层材料主要以碎石垫层、灰土垫层、土工格栅加筋垫层为主。根据本试验段实际工况，本设计选用厚度为30 cm的6%灰土垫层。

4 现场检测试验

4.1 静载试验数据分析

图3、图4分别为CFG桩和钢渣灰土挤密桩的单桩承载力静载试验数据，CFG桩、钢渣灰土桩单桩最大试验荷载分别为600 kN、320 kN，根据相应规范中单桩承载力特征值的确定方法，取钢渣灰土桩单桩承载力特征值为160 kN，CFG桩单桩承载力特征值为300 kN。根据相应规范中多桩型复合地基承载力特征值计算公式，以一般路基段(S=1.5 m)为例，对刚柔性长短桩复合地基承载力特征值进行计算:

刚性长桩面积置换率

m1=Ap1/Ae=3.14×0.22/3×3=0.014

柔性短桩面积置换率

m2=Ap2/Ae=3×3.14×0.252/3×3=0.065

刚性长桩、柔性短桩的单桩承载力发挥度及桩间土承载力发挥系数根据等变形准则并参考当地工程经验选取。则刚柔性长短桩复合地基承载力特征值为

fspk1×300/0.125 6+0.065×1×160/0.196+0.8×(1-0.014-0.065)×100=160.18 kPa＞130 kPa，满足设计值要求。

用相同计算方法算得桥头、过渡段试验段刚柔性长短桩复合地基承载力分别为203.58 kPa、172.15 kPa，均满足设计值要求。

4.2 桩间土重型动力触探试验数据分析

图5为天然地基土体及1.2 m、1.4 m、1.5 m桩间距下长短桩中心处桩间土体重型动力触探试验数据曲线图。

(1)不同桩间距下桩间土与原土相比，均表现出不同的挤密效果，地基土体承载力均有明显提高。

图3 CFG桩单桩静载试验Q-s曲线

图4 钢渣灰土挤密桩单桩静载试验Q-s曲线

(2)随桩间距不断增大，桩间土挤密效果随深度发生不均匀变化，1.2 m桩间距下的桩间土较1.4 m、1.5 m桩间距下桩间土整体挤密效果均匀。

图5 重型动力触探数据曲线图

5 结语

(1)针对邢衡高速公路衡水湖湖泊相软土地基提出了刚柔性长短桩复合地基的处理方法，并对该复合地基的作用机理及设计方法进行了详细介绍。

(2)通过对处理后28 d的复合地基进行长短桩的单桩承载力静力载荷试验，并对刚柔性长短桩复合地基承载力进行了计算，计算结果满足设计要求，施工效果良好。刚柔性长短桩复合地基单位处理面积较大，复合地基承载力难以采用直接有效的方法进行检测这一问题，有待于进一步研究。

(3)桩间土重型动力触探数据表明，桩间土整体挤密效果良好，随深度的变化，桩间土承载力提高幅度逐渐变大;桩间距变大使得桩间土的整体挤密效果略显不均匀，但相对与原土比较，承载力均有明显提高。说明选取钢渣灰土挤密桩作为柔性短桩处理上部地基是有效可行的。

［1］ 郑俊杰，袁内镇.多元复合地基的承载力计算方法及检测方法［J］.岩石力学与工程学报，2001，20(3):391-393.

［2］ 马骥，张东刚.长短桩复合地基设计计算［J］.岩土工程技术，2001，17(12).

［3］ 闫明礼，王明山.多桩型复合地基设计计算方法讨论［J］.岩土工程学报，2003，24(3).

［4］ 朱奎，徐日庆.刚-柔性桩复合地基［M］.北京.化学工业出版社，2007.