PHC空心管桩在水库段地基处理中的应用

苏 鹏

(山西省交通规划勘察设计院有限公司 太原市 030032)

1 工程概况

国道208线晋中长治界至屯留小河北段改扩建工程路线全长107.9km,采用具有干线功能部分控制出入的双向四车道一级公路标准，分起点至漳源镇、漳源镇至终点两段，其中：起点至漳源镇设计速度为60km/h，整体式路基宽度24.5m、分离式路基宽度2×12.0m，漳源镇至终点设计速度为80km/h，整体式路基宽度25.5m、分离式路基宽度2×12.75m；本项目K952+300～K952+600段路基位于后湾水库库区内，工程类型为填方工程，最大填高约9m，路基处地表水深1.2～2.0m，地层湿软，具有较高压缩性，属湿软地基。

2 地质条件

2.1 地形、地貌

项目位于剥蚀侵蚀黄土丘陵区，微地貌为宽缓河谷区，地形较开阔平坦。

2.2 地层时代、成因及岩性特征

各岩土层特征及参数见表1。

表1 主要地层参数

2.3 水文地质条件

后湾水库是海河流域漳卫南运河水系浊漳河西源干流上的以防洪为主，兼顾农业灌溉、工业供水、水产养殖等综合利用的大(Ⅱ)型水库工程，控制流域面积1300km2，防洪标准为百年一遇洪水设计，两千年一遇洪水校核。建库以来最大一次洪水发生在1993年8月4日，入库洪峰498m3/s，泄量144m3/s。

路基段位于后湾水库库区边缘地带，路线范围内水位随降雨、蓄水、泄洪等因素变化而变化，勘察期间，水深约1.2～2.0m，枯水期时地表干涸无水。

2.4 场地类别及地震动参数

根据相关规范，软基段场地土的类型为软弱土-中软土，结合区域资料，场地土的平均剪切波速为250 m/s≥υse>150m/s，场地内覆盖土层厚度>50m。综合评价，场地类别评定为Ⅲ类。

根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)，软基场地类别评定为Ⅲ类，地震动峰值加速度及地震反应谱特征周期需要调整。调整后的地震动峰值加速度为0.10g×1.25=0.125g，地震动反应谱特征周期0.45s×1.45=0.65s，地震基本烈度7度。

2.5 地基稳定性

湿软地基地层主要由稍密-中密粉土、软塑-可塑粉质黏土、中密中砂、稍密圆砾等构成，经钻探、原位测试、土工试验，粘性土具高含水量、高压缩性和低强度，地基承载力介于100～300kPa，且受后湾水库内蓄、泄水影响，路基基底会出现干、湿交替现象。综合评价，地基稳定性差。

3 处治方案

由于本段水库地基稳定性差，含水量高，压缩性高，结合PHC管桩具有强度高、抗弯抗裂性能强、单桩承载力高、桩身防腐性能好、设计选用范围广、施工速度快、施工环保等优点[1]，本段水库路段地基采用预制PHC空心管桩，采取正三角形布置，桩间距1.5m，桩外直径为40cm, 桩内直径为24cm，壁厚8cm，一般路段桩长采用7.0m，桥台与路堤相接处30m范围桩长采用12.0m，管桩桩身混凝土强度为C80。桩顶桩帽采用C30钢筋混凝土，在桩顶设置一层0.5m厚的碎石垫层，并铺一层三向土工格栅，同时在路基边坡坡脚处设置C25现浇混凝土基础。具体处治方案见图1。

图1 水库段地基处治方案

4 承载能力验算

4.1 地基承载能力要求计算

该水库路段路基最大填高9.0m<10.0m。

车辆荷载附加荷载强度[2]q=10+1.25×(10-9)=11.25kN/m2；

等效均布土层厚度[2]h0=q/γ=11.25/18=0.625m，γ为路基填土重度kN/m3；

原地面地基承载能力要求值fk=(9+0.625)×18=173.25kPa。

4.2 复合地基承载能力计算

采用PHC空心管桩处理地基时的复合地基承载能力计算公式如下式[3-4]：

Quk= Qsk+ Qpk= u∑qsikli+ qpk(Aj+ λpAp1)

其中：m为面积置换率;λ为单桩承载能力发挥系数;Ra为单桩承载能力特征值(kN);Quk为单桩竖向极限承载能力标准值(kN);AP1为空心桩敞口面积(m2)；β为桩间土承载力发挥系数；fsk为处理后地基桩间土承载力特征值；fspk为复合地基承载能力特征值。

4.2.1计算桩长为7.0m时的复合地基承载力

Aj=0.785×(0.42-0.082)=0.1206m2

Quk=3.14×0.4×(3.0×10+3.0×15+1.0×30)+3000×(0.1206+0.667×0.785×0.242)=584.16kN

Ra=584.16/2=292.08kN

m=0.42/(1.05×1.5)2=0.0645

fspk=0.0645×1.0×292.08/(0.785×0.42)+0.9×(1-0.0645)×100=234.19kPa

4.2.2计算桩长为12.0m时的复合地基承载力

Aj=0.785×(0.42-0.082)=0.1206m2

Quk=3.14×0.4×(3.0×10+3.0×15+2.0×30+2.0×30+2.0×35)+2000×(0.1206+0.8×0.785×0.242)=646.38kN

Ra=646.38/2=323.19kN

m=0.42/(1.05×1.5)2=0.0645

fspk=0.0645×1.0×323.19/(0.785×0.42)+0.9×(1-0.0645)×100=250.16kPa

4.3 复合地基承载能力验算

(1)当桩长为7.0m时，fspk=234.19kPa>173.25kPa，复合地基承载能力满足要求。

(2)当桩长为12.0m时，fspk=250.16kPa>173.25kPa，复合地基承载能力满足要求。

(3)桩长由7.0m增加为12.0m时，复合地基承载能力由234.19kPa提高为250.16kPa，提高15.97kPa,提高率为6.8%。

5 工后沉降验算

5.1 容许工后沉降

路基工后沉降应满足表2的要求。

表2 容许工后沉降[2] m

本项目为一级公路，桥台与路堤相邻处容许工后沉降≤0.1m，涵洞、箱涵、通道处容许工后沉降≤0.2m，一般路段容许工后沉降≤0.3m。

5.2 工后沉降变形计算

刚性桩处理地基的最终沉降量计算，可不考虑桩间土压缩变形对沉降的影响，应采用单向压缩分层总和法进行计算[1]，计算公式如下:

其中：s为桩基最终沉降量(m)；m为桩端平面以下压缩土层分层的数目；Esj,i为桩端平面以下第j层土第i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为桩端平面以下第j层土的计算分层数；Δhj,i为桩端平面以下第j层第i分层的厚度(m)；σj,i为桩端平面以下第j层第i分层的竖向附加应力(kPa)；ψp为桩基沉降计算经验系数。

沉降变形计算至中密中砂层顶面，由上式计算工后沉降变形见表3。

表3 工后沉降变形计算表

由沉降变形计算可知：

(1)一般路段：桩长为7.0m时桩端平面以下压缩土层的总沉降。

S=0.034+0.030+0.068+0.024=0.156m≤0.20m，满足容许工后沉降设计要求。

(2)桥台与路堤相接处：桩长为12.0m时桩端平面以下压缩土层的总沉降。

S=0.068+0.024=0.092m≤0.10m，满足桥台与路堤相邻处容许工后沉降。

(3)桩长由7.0m增加为12.0m时，工后沉降变形由0.156m降低为0.092m，降低0.064m,降低率为41.0%。

6 结语

(1)对于一级公路水库路段软弱地基，采用PHC预制空心管桩进行处理，不仅能满足复合地基承载能力的要求，还能满足工后沉降变形的要求。

(2)通过增加桩长提高复合地基承载能力效果没有降低工后沉降变形效果明显，因此增加桩长是有效地降低工后沉降变形的措施。

(3)PHC空心管桩由于其本身强度高，施工时可提前预制成桩，加快施工速度、提高施工效率，因此PHC空心管桩必将成为处理软弱地基的一把利剑。