PHC管桩桩网结构加固软土路基设计方法探讨

肖文辉，李 敏

(湖北省城建设计院股份有限公司，湖北 武汉 430051)

1 PHC管桩桩网结构及其加固机理

本文通过PHC管桩桩网结构在二(连浩特)广(州)高速公路怀集至三水段某桥头路段实际工程中的应用，对其加固处理深厚软土路基进行了详细的计算分析，并通过现场测试加以验证，可为类似工程提供指导。

PHC管桩即预应力高强度混凝土管桩，与普通预应力混凝土桩相比，具有快速施工，对周围环境扰动小，质量容易控制、工后沉降较小，且大部分沉降发生在施工期等特点[1]。桩网结构路基中的网是指与土体共同作用的工程材料，具备加筋补强、均布应力、提高承载力、减少沉降等功能。参考文献[2-3]，可将PHC管桩桩网结构体系分为：路堤填土、加筋垫层、桩土加固区以及加固区下的天然软土层或持力层。桩网复合地基包括竖向增强体和水平增强体，其核心部分是桩和加筋垫层。加筋垫层位于路堤填土之下、桩头之上，是由级配砂石与网共同组成的均匀压密的柔性过渡层，在工作过程中主要承受拉力并将上部荷载传递给下部桩土复合地基，桩土加固区是设置于地基土中的PHC管桩与土组成的桩土复合地基[4]。

2 PHC管桩桩网结构设计方法总结

2.1 加筋垫层的设计

加筋垫层作为一种水平增强加固体系，其主要目的是保证桩土共担荷载，将上部荷载能有效地传递到桩顶。加筋垫层与周围土体之间的摩阻力对地基表面的侧限作用，可改变地基中应力场和位移场的分布，从而保证地基的稳定。

2.1.1 垫层材料的选取

软弱土中的桩网复合地基，其加筋体在满足强度要求的同时还需具备一定的延伸性能，抗拉刚度过高易造成垫层刚度过大从而产生应力集中现象。垫层的设计指标宜通过试验确定。

2.1.2 加筋垫层承载力计算

加筋垫层的承载力特征值应通过载荷试验确定，初步设计时可按式(1)[5]确定：

(1)

式中，fspk1为加筋垫层承载力特征值；S为桩间距；Zn为加筋垫层厚度；θ为压力扩散角；fsk为加固后桩间土承载力特征值，按当地经验取值，如无经验时可取天然地基承载力特征值；n为加筋体的层数；Tr为应变为5%时对应的加筋体拉力，无相关资料时宜通过张拉试验曲线确定；δ为加筋体拉力方向与桩顶水平面的夹角；φ为垫层填料的内摩擦角。

2.2 地基承载力分析

2.2.1 单桩承载力计算

单桩竖向承载力特征值应通过现场载荷试验确定，初步设计时可按式(2)进行估算：

(2)

式中，qsi为第i层土的桩侧摩阻力特征值；qp为桩端土承载力特征值；Ap为桩的截面积；li为桩周第i层土的厚度；n为桩身范围内的土层数。

2.2.2 复合地基承载力计算

刚性桩复合地基的承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计也可按式(3)估算：

fspk=mRa/Ab+β(1-m)fak

(3)

式中，m为复合地基按桩帽面积计算得到的置换率；Ra为单桩竖向承载力特征值；Ab为桩帽面积；β为桩间土的承载力折减系数；fak为处理后桩间土承载力特征值，宜按当地经验取值，无经验时可取天然地基承载力特征值。

2.3 路基沉降计算

总沉降s由加固区变形s1和下卧层变形s2组成，可采用分层总和法计算变形量：

(4)

式中，n1为加固区分层数；n2为总分层数；pi为第i层土平均附加应力增量；Esci为第i层复合土体土的压缩模量；hi为第i层土的厚度；ψs为沉降计算经验修正系数，根据当地沉降观测资料及经验确定，也可按表1确定。

表1 沉降计算经验系数表

3 PHC管桩桩网结构在工程实践中的应用

3.1 工程概况

二(连浩特)广(州)高速公路(粤境)怀集至三水段路线经过河流冲积平原地貌，软土发育。本路段软土路基主要分布于北江至上洲仔垭口及龙江至终点段，地表鱼塘密布，软土埋深一般在2～6 m，软土层厚多在10～25 m，局部路段埋深达40 m左右，软土层中多含有砂层和薄粉质黏土层或淤泥与砂互层状分布。

以K17+706～K17+747桥头段为试验段，路基顶面宽33.5 m，路堤填高7 m，边坡坡率1∶1.5。根据地勘报告，土体具体参数如表2所示。在收集国内软基处理成功经验的基础上，考虑本项目软土特点，从工程地质条件、施工条件和质量管控等方面考虑，软基处理方案拟定采用PHC管桩桩网复合地基。

表2 各土层物理力学性质指标

3.2 桩网结构布置

选取监控K17+710断面来进行计算。断面路基结构包括下部软基部分和上部路堤部分。

具体构成如图1所示。

图1 预应力管桩加固断面图

桩网复合地基设计参数如下：本次设计采用PHC-A300-70型预应力管桩，桩径30 cm，壁厚7 cm。管桩混凝土抗压强度为C80，桩长26 m，桩径0.3 m，桩间距2 m，正方形布置；桩帽(1.0 m×1.0 m×0.30 m)，采用C25钢筋混凝土参数取值。桩帽顶设置级配碎石垫层，夹铺2层土工格栅，土工格栅采用CATT60型钢塑土工格栅，第1层位于桩帽顶端，第2层位于桩帽上25 cm，加筋垫层总共厚50 cm。

3.3 理论计算

通过以上相应公式计算得出：加筋垫层承载力fspk1=191.3 kPa；单桩承载力Ra=625.6 kN；复合地基承载力载力fspk=165.9 kPa；车辆荷载及路基填土荷载经计算取pk=155 kPa

pk≤fspk≤fspk1

承载力满足要求。

路基工后沉降计算：s=4.9 cm

3.4 单桩静载试验

为了检验设计及桩基的施工质量，进一步了解桩-网结构在加荷过程中的受力状态，校验设计思路，在试验段管桩施工完成后进行了单桩承载力静载试验。3根桩静载试验的Q-S曲线见图2。

图2 桩-网结构单桩静载试验结果

从图2可知，单桩的Q-s曲线为一缓变型曲线，曲线前半部分近似为一斜直线，表明桩顶受力与沉降呈线性关系，随着荷载继续增大接近桩基的极限承载力时，位移增长明显加快，曲线的后半部分曲率变化较为明显，但没有出现明显的破坏点，说明桩有良好的变形协调能力和承载能力。

由图2还可以得出承压板累计沉降量最大值为8.63 cm，残余沉降量最大值为4.57 cm。试验结果表明单桩承载力满足要求，且在最大试验荷载的作用下桩体最大沉降值也不超过10 cm，满足工后沉降要求。

单桩静载试验结果见表3。

表3 桩网结构单桩荷载试验结果

4 结 论

综上所述，将桩网复合地基设计分为加筋垫层设计和复合地基设计，并经单桩静载试验检验，桩网结构受力变形特征符合预期，桩网复合地基设计方案合理有效。可为同类型的软土路基加固设计和施工提供借鉴和参考。

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