PHC 管桩在某赛车场软土地基上的应用研究

刘 鹏，刘 浩，杨 渝（中国建筑第二工程局有限公司华东公司，上海 200135）

PHC 管桩（预应力高强度混凝土管桩）具有较高的承载力且便于施工，近年来被广泛地应用到地基处理施工中[1-2]。湖北省武汉市某新能源与智能汽车基地封闭测试场项目地质条件复杂，设计采用 PHC 桩＋CFG 桩的软土地基处理方案。其中 PHC 桩多达 33 380 根。PHC 管桩施工能否满足设计要求对于地基处理效果尤为重要。影响 PHC 管桩地基处理效果的因素主要有桩长、桩径、桩间距、混凝土标号等[3-4]。考虑到场区地质条件变异性大，且赛道形状不规则，因此设计采用固定的桩间距，通过采用不同的桩长以控制不均匀沉降。综合考虑沉降、承载力持力层因素，得到各区域 PHC 桩的设计桩长。为了验证桩长设计的合理性，一般情况下可通过理论计算、现场试验、数值模拟等方法[5-6]。本文采用理论计算结合现场试验进行研究，分别计算单桩承载力以及沉降值是否符合规范要求，计算结果验证了桩长设计的合理性。现场进行单桩静载试验，试验结果与理论计算的结果一致。

1 工程概况

该基地封闭测试场一期赛道位于武汉经济技术开发区东荆河河畔，规划用地面积为 0.875 km2，按照际汽联二级赛道设计。主赛道总长为 4 188.6 m，规划观众数量约 5.8 万人，属重点建设项目。赛道范围内需要对软土地基进行处理，以满足赛道 1/2 000 平整度的要求。 根据专家评审会议，形成了 CFG 桩＋PHC 桩的地基处理方案，以及泡沫轻质土＋处治土的路基填筑方案，确定了工后沉降 10～15 cm的沉降控制标准。

2 赛道 PHC 桩软土地基理论分析

2.1 PHC 桩设计方案

PHC 桩的设计参数： PHC 桩采用 PHC 500 AB 100 型号，桩身强度采用 C 80 高强混凝土，桩径为 500 mm，壁厚为 100 mm，采用正方形布桩方式，桩间距 3.00 m。桩顶部设 1.50 m×1.50 m×0.35 m 方形桩帽，强度 C 30。PHC桩横断面示意图如图 1 所示。

图1 PHC 桩横断面示意图

路基填筑方案为：对于路基填方高度为 2.00～4.75 m的区域采用水泥土填筑，对于填方高度 ＞4.57 m 的区域，采用水泥土＋泡沫轻质土方式填筑，使得荷载控制在（100±10）kPa 范围。

根据赛道部分岩土勘察报告，软弱土 ②-2 层、 ③ a 层及 ④ 层为场区主要不良地基土层，具有低承载力、高压缩性等特点，埋深 1.60～8.30 m，厚薄不均，可能会引起构筑物的过量沉降、不均匀沉降和地基的滑移，造成破坏。地基处理应结合地质条件和荷载水平，采取不同的桩长、桩间距以控制不均匀沉降。考虑到该区域地质条件变异性大，且赛道形状不规则，因此本方案采用固定的桩间距，通过采用不同的桩长以控制不均匀沉降。综合考虑沉降、 承载力持力层因素，得到各区域 PHC 桩的设计桩长。

2.2 桩顶部荷载计算

根据 JTGTD 31-01—2013《公路软土路基路堤设计与施工技术细则》，桩顶上的荷载压力Fcap可根据路堤填料中的土拱效应按式（1）和式（2）计算。

以 HK 165 为例，此勘探点桩长设计值为 25.00 m，计算得到桩体荷载分担比、桩顶部作用荷载。桩顶荷载计算结果如表 1 所示。

表1 桩顶荷载计算结果

2.3 承载力验算

刚性桩可不验算复合地基承载力。本文仅对单桩承载力进行计算。根据建筑桩基技术规范，对桩间土沉降引起的桩侧负摩擦阻力进行考虑，承载力应扣除中性点以上的桩侧阻力。单桩竖向抗压极限承载力取R=1 900 kN。桩侧下拉荷载计算按式（6）计算，桩侧负摩擦阻力按式（7）计算。

表2 中性点深度 ln

ln、l0分别为自桩顶算起的中性点深度和桩周软土层下限深度，本计算中取至 4 层底。当桩周土层计算沉降量＜20 mm 时，ln应按列表值乘以 0.4～0.8 折减。

表3 负摩擦阻力系数表

对于挤土桩，表 3 中取大值，对于非挤土桩，表 3 中取小值；填土按其组成取表中同类土的较大值。

分析 HK 165 勘探点，初步计算中性点位置，ln=11 m，下拉荷载计算如表 4 所示。

表4 下拉荷载计算表

2.4 沉降计算

根据 JGJ 94—2018《建筑桩基技术规范》，按照承台底地基土分担荷载的复合地基计算沉降。对于桩端平面下地基中由桩基引起的附加应力，按照明德林（Mindlin）解计算确定。将桩端阻力和桩侧阻力简化为图的形式，求解明德林解应力影响系数。桩间土对地基中某点产生的附加应力按照布辛奈斯克（Boussinesq）解计算，与桩基产生的附加应力叠加计算最终沉降量。按式（9）计算最终沉降量。

桩顶的集中力按式（10）计算。

桩侧摩阻力沿桩身线性增长的情况按式（12）计算。

对于一般型摩擦桩，桩侧阻力可简化为沿着桩身线性增大将沉降计算点水平面影响范围内各基桩对应力计算点产生的附加应力叠加，采用单向压缩分层总和法计算土层的沉降。桩基的最终沉降量可按式（13）计算。计算深度桩端平面下 15.00 m，根据 JG J94—2018，分层厚度 ≤ 计算深度的 0.3 倍，取 4.50 m。按式（13），勘探点 HK 165 沉降取桩基和桩间土产生的沉降之和，为81.31 mm。综上所述，81.31 mm 作为该勘探点最终沉降值，满足 15 cm 的沉降控制标准。

3 赛道 PHC 桩静载试验

3.1 单桩承载力试验

现场已经完成了全部的 PHC 管桩施工，为了验证理论计算结果，本次单桩承载力试验选择勘探孔 HK 165 对应的管桩。试验管桩的编号为 P 30-18-10-2，桩长为 25.00 m，位于现场 30 区。根据设计文件要求，单桩承载力特征值为950 kN，试验加载量取单桩承载力特征值的 2.4 倍。试验采用分级加载，每级加载量为荷载总量的 1/10，第一级加载量为 2.0 倍分级荷载；每级加载完成后按每隔 5、10、15、15、15 min 各测读一次。累计 1 h 后每隔 30 min 进行一次读数。当连续两次每小时的沉降量＜0.1 mm 时，则判定管桩已相对稳定,可进行下一级加载。

3.2 单桩静载试验结果分析

记录现场单桩静载试验的数据，当加载至 2 280 kN时，现场沉降量为 37.39 mm，小于规范规定的 40.00 mm，单桩承载力满足设计要求，证明桩长满足设计要求。单桩静载试验结果如图 2 所示。

图2 静载试验结果图

4 结 语

(1) 通过理论计算得出勘探点 HK 165 的单桩承载力为868.95 kN，桩顶部荷载为 655.34 kN，单桩承载力大于桩顶部荷载，承载力满足要求。该勘探点的最终沉降值为 81.31 mm，满足 15 cm 的沉降控制标准。

(2) 现场单桩静载试验总沉降为 37.39 mm，小于规范要求的 40 mm，静载试验结果满足设计要求。HK 165 勘探点的管桩设计符合规范要求。