浅谈PST管桩在桥头软弱地基处理中的应用

陈飞彪

（福建省迅捷交通科技有限公司，福建 福州 350000）

1 概念

预制竖向劲性体[1]，也称为增强体劲性体，简称PST 管桩，是一种新型薄壁管桩，作为竖向增强体用于软基处理以形成刚性桩复合地基。其作用相当于对软弱地基采用置换、挤密、胶结等形成复合地基，从而增加地基的竖向受力能力，起到改善软弱地基的作用，满足承载力与沉降要求。PST 管桩的结构设计模型如图1 所示。

图1 PST 管桩的结构设计模型图

PST 管桩复合地基的优点有6 个：1）施工质量容易控制（工厂化预制，质量看得见）。2）施工速度快（成品桩打入、桩间距大、桩数少）。3）工后沉降小、不均匀沉降小（桩身强度高，承载力大）。4）地基处理深度大（可采用焊接或机械连接方式接桩）。5）复合地基承载力大。6）造价较为适中。

2 PST 管桩的设计验算

由于PST 管桩的单桩造价比普通的水泥土桩要高，同时桩身强度大，承载力高，因此在设计中普遍采用充分发挥桩土共同工作和疏化桩距的方法来进行复合地基的设计。

一般要求桩体须位于稳定的地层作为持力层，桩端全截面（不含桩尖）进入持力层深度，黏性土、粉土，不宜小于2 d；砂土不宜小于1.5 d。当存在软弱下卧层时，桩端以下持力层厚度不宜小于4 d，并进行软弱下卧层承载力和沉降验算。

桩长设计时，对深厚软土地基来说，只要桩长穿过软土层到达相对较硬的土层，就可以较好地控制地基的沉降变形，桩长的确定宜以打穿软土层为主，不可过度追求到达很硬的土层，桩长的具体取值应根据软基的沉降以及稳定性计算确定。

PST 管桩在设计中主要以承载力和沉降进行控制，可不验算复合地基的承载力[2]。

2.1 PST 管桩的承载力可按下列两个公式进行验算

式中：R—单桩竖向承载力设计值（kN）；

γ0—建筑物桩基重要系数，取1.1；Fcap—桩顶上的荷载压力（kN）；Qsk、Qpk—单桩的总极限侧阻力特征值和单桩的总极限端阻力特征值（kN）；γs、γp—侧阻抗力分项系数和端阻抗力分项系数，γs=γp。

2.2 沉降验算

可不考虑桩间土压缩变形对沉降的影响，采用单向压缩分层总和法计算最终沉降。

式中：S—桩基最终沉降；m—桩端平面以下压缩层内土层分层的数目；Esj，i—桩端平面下第j层土第i个分层在自重应力至自重应力加附加应力作用段的压缩模量（MPa）；nj—桩端平面下第j层土的计算分层数；△hj，i—桩端平面下第j层第i分层的厚度（m）：σj，i—桩端平面下第j层第i分层的竖向附加应力（kPa）；ψP—桩基沉降计算经验系数，根据当地的工程实测资料统计对比确定。

常见的“桥头跳车”问题主要是由于桩基桥台的几乎零沉降与软土地基路堤的工后沉降相比要小得多，导致桥面与路面的错台现场。工程设计中通常采用较强的路基处理措施，从而减小桥梁与路基之间的沉降差，保证行车的舒适性。

就软土地基处理来说，处置方式的选用、技术标准须根据总的沉降量与容许工后沉降来确定，一味地追求舒适性必然会使软弱地基处理的经济性变差，这就需要在软弱地基处理的舒适性与经济性指标中寻找一个平衡点。

3 依托工程概况

某城市主干路，主路设计速度为60km/h，辅道设计速度为40km/h。主路为双向六车道，路面总宽度24m；辅道为双向两车道，路面总宽度14m，标准路段红线宽度为47m。道路以跨境交通为主，是长距离、跨城区交通通道的重要组成部分，同时兼具区内部分集散交通功能。拟建场地高程变化为4.73 m～16.23 m，场地地基土层除表层为人工填土外，主要为淤积、冲积、冲洪积成因土层，基底为燕山晚期形成的花岗岩，原始地貌属冲积平原地貌单元。道路于2008 年竣工，至今已通行近13 年。经过现场踏勘发现桥头跳车明显，桥头路基沉降严重（最大处近1 m），对行车安全和行车舒适性有很大的影响，查阅原始相关资料， 桥头接坡处路基采用水泥搅拌桩进行加固处理。根据原路面结构、原地勘资料、原设计高程及现状路面高程，对桥头接坡段的理论工后沉降与实际沉降量进行验算对比。结果见表1。

表1 桥头接坡段路基沉降验算分析表

经验算比对发现：桥头接坡段现状实际沉降量比理论沉降量大，沉降比例基本大于100%，说明原软基处理方案的效果不佳。

4 软基处理方案比较

以桩号K5+575 桥头接坡段路基段为例，根据地勘资料的地层分布为第①层为1.3 m 厚的填碎石土，第②层为12.7m深的淤泥层，第③层为5.3 m 的卵石层。根据该道路竣工图，原桥头路基处理采用水泥搅拌桩，经过现场踏勘发现效果不佳，鉴于桥头路基沉降严重（最大处沉降近1m），结合当地水泥搅拌桩沉桩质量总体效果不佳的情况，本次不考虑水泥搅拌桩。

4.1 方案1：预制竖向劲性体（PST 桩），桩顶路基填筑采用泡沫混凝土

刚性桩适用于处理深厚软土地基上荷载较大、变形要求较严格的高路堤段、桥头或通道与路堤衔接段。传统的PHC管桩质量可靠，用于道路软基处理，其桩体承载力存在较大的富余，工后沉降小，处理深度较深，但价格较高。而PST劲性体是在保证工程质量的前提下，通过减少管桩的壁厚、降低配筋率等方式降低工程造价，在复合地基加固中与PHC管桩处理效果基本一致情况下，工程造价可节省15%～20%。

泡沫混凝土施工简单，材料来源丰富，工程质量可控。同时泡沫混凝土[3]质量轻，约为普通填料的1/3 左右，利用泡沫混凝土质量轻的特点，可以有效减少对基底的压力，甚至实现“零”附加应力，从而有效遏制了软弱地基段的工后沉降，尤其在结构刚度差异较大的路基与桥梁过渡段中设置时，可有效减少两者之间的差异沉降。

软基处理方案：在施工区域路基两侧处施打钢板桩，开挖台背及原褥垫层并整平后，再进行PST 桩施工（由桥台跳桩跳排向后退打施工，PST 管桩在平面上按正方形布置，桩间距为2.0 m，桩径为40 cm）。待管桩施工完毕并检测合格后，铺设双向土工格栅及级配碎石褥垫层，待观测到稳定的初始值后，采用泡沫混凝土进行路堤填筑。方案处理模型如图2 所示。

图2 PST 管桩软基处理方案图

4.2 方案2：碎石粉煤灰混凝土桩（CFG 桩），桩顶采用泡沫混凝土路基填筑

CFG 桩是一种低强度混凝土桩，可充分利用桩间土的承载力共同作用，并可传递荷载到深层地基中去，同时可通过褥垫层来调节桩和桩间土的应力和变形，使桩间土的强度得到充分发挥，具有较好的技术性能和经济效果。

软基处理方案：在施工区域路基两侧处施打钢板桩，开挖台背及原褥垫层并整平后，再进行CFG 桩施工（要求由桥台跳桩跳排向后退打施工，CFG 管桩在平面上按正三角形布置，桥头两侧各10m 范围内桩间距为1.3m，其余10m～20m桩间距为1.6m，桩径为40cm）。待管桩施工完毕并检测合格后，铺设双向土工格栅及级配碎石褥垫层，待观测到稳定的初始值后，采用泡沫混凝土进行路堤填筑。方案处理模型如图3 所示。

图3 CFG 桩软基处理方案图

4.3 方案3：高压旋喷桩

高压旋喷注浆法[4]是通过在软弱土层中形成水泥固结体与桩间土一起形成复合地基，从而提高地基的承载力，减少地基的沉降变形，达到地基加固目的。旋喷桩的承载力取决于桩体的强度和地基土对桩的承载力，桩身强度成为决定桩承载力的决定因素，当桩身强度较高时，增加长度能显著提高桩的承载力。

软基处理方案：无须开挖台背填方，直接采用引孔施工高压旋喷桩（要求由桥台跳桩跳排向后退打施工，在平面上按正三角形布置，桥头两侧各10m 范围内桩间距为1.3m，其余10 m～20 m 桩间距为1.6m，桩径为50cm）。待管桩施工完毕并检测合格后，铺设双向土工格栅及级配碎石褥垫层。方案处理模型如图4 所示。

图4 高压旋喷桩软基处理方案图

5 软基处理方案对比分析

该文针对桥头跳车情况，就常用的CFG 桩和高压旋喷桩两种方法与PST 管桩进行软基处理方案对比分析，表2 结果表明：综合考虑工期、工后沉降以及运营期使用和养护等影响时，显然PST 管桩相较于CFG 桩、高压旋喷桩，具有桩材质量好、工程地质适应性强、场地施工文明等优点，而高压旋喷桩容易污染环境，CFG 桩则成本较高，工期长，同时对周边土体有挤压作用。

表2 桥头跳车软基处理方案比较

6 结语

该文针对桥头接坡段的软基处理方案，基于减少桥梁与路堤之间的差异沉降，实现桥梁与路基的刚柔过渡衔接，减少直至消除桥头跳车现象，提高行车的安全性，保证行车的舒适性等因素，采用PST 桩结合填筑泡沫混凝土对桥头接坡段进行软基处理，有效遏制了软弱地基段的工后沉降，能有效解决桥头跳车问题。且施工方便，质量保证，经济合理，具有良好的应用前景。