公路工程中刚性桩复合地基设计计算的探讨

■谢 磊 ■中交第一公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430000

当前，在计算刚性桩复合地基的承载力时，主要是以单桩承载力为基础进行计算的。由于公路工程的路基结构和建筑结构不同，如果仍然按照建筑桩的设计方法来计算公路路基桩，路基的稳定性就得不到保证。本文以实际工程为例，对公路工程刚性桩复合路基的计算进行探讨。

1 刚性桩复合地基设计计算的意义

工程设计人员通过对国内外工程进行大量研究和考察，总结得出散体材料柔性桩的一些缺陷，如果利用增大散体材料柔性桩进行软弱地基的加固，虽然可以提升一定的地基承载力，但是其提升幅度有限。比如对软弱粘性土进行处理时采用碎石桩，虽然其承载力程度可以提高20%到60%，但是地基的沉降依然没有得到显著的改善［1］。这是由于碎石桩的构成主要是以散体材料为主，其粘结强度较低，维持桩形的能力较弱，很难增强其承载能力。

除此之外，灰土桩和石灰桩也具有承载能力低的特点，其荷载传递深度也有一定的限制，在达到一定深度时，桩体的作用并不是支撑，而是挤密，因此即便增加了桩体的长度也不会增加地基的承载能力。工程人员通过对碎石桩、柔性桩了解和分析得出，要想加固地基，增强其承载力，就应该先增强桩体材料的刚度，使上半部分的荷载可以很好的传递到深层的土层。工程人员进行强化材料刚度试验后发现，使用这类刚度较为坚硬的材料后，地基的承载力以及沉降问题得到了很好的改善，不仅提高了工程的质量，还提升了工程的经济效益。

2 刚性桩复合地基的基本作用

地基发生沉降变形一般是由于基础受到了垂直荷载，从而使桩和桩间土受到外力而产生一定的变形。在地基荷载一定的情况下，沉降一般不发生变化，只有荷载力增加时，桩与桩间土才会随着相互之间的压力而产生变形。桩体与桩间土体的压缩变形模量是有一定区别的，前者要比后者大，而压缩变形则是后者大于前者，正是由于这样的原因，所以在桩顶部平面位置的桩体移动要比土体小。这类协调过程属于应力集中效应，效应的变化一般随着荷载的增加而增加。褥垫层一般处于地基上部，为了改善应力不协调的情况，一般会将桩刺入褥垫层，使桩的顶部产生负摩阻区，与此同时桩的顶部以下的位置会出现等沉面。沉面上下两侧的桩与桩间土的摩阻力是不相同的，上半部分桩间土移动位置相对于桩来说是向下的，对桩产生的是负摩阻力，而下半部分正好相反［2］。摩阻力一般随着荷载的增加而增加，待摩阻力达到最大时，桩端就会发生移动，从而使桩端阻力可以发挥。随后，随着阻力的增加，桩端土所承担的应力增量也会增加，进而使桩顶部与底部的土体可以塑形。到目前为止，复合地基变形的计算理论还在不断的发展，其实际的计算公式多以经验公式为主，因此具有一定的局限性。而我国的工程设计一般会被要求用规范规定的方法进行，但是经过多次的实际验证发现，这种算法算出的结果一般会比实际情况大一些，甚至会大出实际沉降量的三倍不止。因此，在进行实际工程计算时，要根据现场的实际情况进行算法的选择，找出最合理的方法，以便更大程度的保证路基的处理质量。

3 刚性桩复合地基设计计算实际应用

3.1 案例介绍

某公路路基工程使用具有代表性的K46 +357 段路基，路基填土高度为7.4m～9m，路基属于软土地区的高填土路基。勘察证明Qm1属于人工填土层，主要由鱼塘底粘性土和素填土构成;Q43al属于河流相沉积，主要由中、高压缩性的粘土构成;Q42m主要由粘土和亚粘土构成的海流相沉积构成。

3.2 案例路基的处理方法

反压护道可以有效的提高路基边坡的稳定性，精确计算后得出反压护道的宽度为6 米。路基的处理需要现浇混凝土薄壁管桩(PCC)和水泥搅拌桩，其中PCC 桩分为三级过度，需要进行分别的处理，其处理的长度共有50m，可分为15m、15m、20m。PCC 桩单桩的长度也各不相同，第一级、第二级、第三级分别为16m、14m、12m，按照等边三角形的形式进行布桩，桩距、桩径、壁厚分别为3.0m、1m、0.12m。除此之外还要在等边三角形的中间插入一根10m 长的水泥搅拌桩，要求桩径为0.5m，这样做可以有效的降低工程预算。路基处理示意图如图1 所示。

图1 路基处理示意图

3.3 路基的计算原理

3.3.1 具体方案

通过测量得出:路面高程、周围地坪高程、鱼塘底面高程、填土的高度(h)分别为:10.6m、3.0m、1.5m、8.0m，路基宽度(B)、填土容重()分别为:34.5m、18KN/m3，由于路堤荷载分布的形式为梯形，面层重和车辆荷载的最大的值P=gh=18 ×8=144kpa，此外路堤的复合地基承载力必须在要求的范围内，一般要大于144kpa。

3.3.2 计算刚性复合地基的承载力

本工程是使用水泥搅拌桩+PCC 桩复合地基来对公路路基进行处理的。依据《岩土工程勘察报告》，桩间土层天然地基的允许承载力为120kpa，试验证明PCC 单桩竖向承载力特征值为Ra=400KN，那么复合地基承载力特征值(fspk)按下式进行计算:

水泥搅拌桩地基承载力的特征值取Ra=96KN;(1-m)fsk=24.35 kpa

复合地基的总承载力特征值为:fspk=fspk(ppc 桩)+fspk(水泥桩)+fspk(桩间土)=51.48 +24.35 +91.70=167.53，大于规定要求的144kpa 承载力要求值，达到了规定要求。

3.4 路基的沉降观测及其补强效果

进行路基填筑施工时，要对路基进行实时监控和测量。如果要求说明这样的处理方法是有效的。与此同时，使用堆载反力慢速加载的试验方法对单桩的复合地基的承载力特征值进行计算。试验方形压板来进行试验，压板面积为2m2，利用JCQ-503C 全自动静载荷测试系统来进行加载试验，荷载最高值为700KPa，一共分10 个级别来施加荷载。实验结果如图1 所示。

图1 单桩载荷试验结果曲线

根据上图来分析，复合地基单桩静荷载试验曲线沉降均匀、缓慢，当荷载增加到700Kpa 时依然没有出现比较显著的拐点。所以，可以断定单桩荷载没有达到极限值，达到了工程的施工要求。

4 结论

刚性桩复合路基的计算需要根据实际情况计算地基的承载力，然后对路基处理方式进行设计。本文首先对刚性桩复合路基的特点进行了分析，然后以实际工程为例，对刚性桩复合路基的设计进行计算方式进行了探讨。经计算，工程使用刚性桩处理地基处理效果良好。

［1］郑刚，李帅，刁钰.刚性桩复合地基支承路堤稳定破坏机理的离心模型试验［J］.岩土工程学报，2012，34(11):1977 -1989.

［2］周同和.复合地基变形计算理论方法探讨［J］.建筑科学，2005，21(1):61 -65.