刚性桩复合地基单桩承载力与复合地基承载力关系探讨

杨杰，杨浩

（1．安徽省综合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230031;2．正德人力资源股份有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

软土具有大孔隙比、高含水量、高压缩性、低强度、流变性等特点，道路建设中的软土路段应结合地质详勘资料及工程建设的特点选择合理的处置方案进行处理[1-2]。

刚性桩复合地基是以摩擦型刚性桩作为竖向增强体的复合地基。如钢筋混凝土桩、素混凝土桩、预应力管桩、大直径薄壁简桩等[2-5]。

在设计工作中，公路软土地基路堤设计与施工技术细则中明确刚性桩可不验算复合地基承载力，而采用单桩竖向承载力设计值与桩顶上的荷载压力乘以建筑物桩基重要系数后进行比较。这一提法与常规的采用单桩承载力及复合地基承载力进行方案设计的思路有所不同。

本文结合路基设计规范及细则内容，结合某二级公路的特殊路基处理方案资料，对刚性桩处治的路基段落的复合地基承载力与单桩承载力之间关系进行分析，为设计工作提供参考。

2 工程概况

①道路概况

该建设工程为二级公路，路基设计宽度17m，路面宽度15．5m，设计时速60km/h，是连通县、镇、地方的重要交通道路，该段软土分布范围广，设计绕行的代价过大，因此必须对该段路基进行特殊路基处理。

②地形地貌

软土分布区地貌单元为江淮波状平原区，微地貌为河漫滩，地势平坦，K24+288～K25+050 段地面标高一般在8．55～12．10m 之间，K25+514～K29+881 段地面标高一般在4．50～6．44m之间。

③水文地质

本次勘察地下水属于第四系松散孔隙水，埋深较浅。根据区域地质资料，地表水对混凝土结构和钢筋混凝土中的钢筋均具有微腐蚀性。

④地震

根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2001），本场地的地震动峰值加速度为0．05g。

3 软土分布及岩土参数

该段主要分布的是②层软土，层厚2．1～22．0m，下卧层为④层粉质粘土。软土主要由淤泥质粉质粘土和粉质粘土组成，青灰色-灰褐色，稍湿，流塑～软塑，湿～饱和，厚度约在2．1～22．0m。承载力基本容许值70kPa。

本路段均为填方路基。由于软土沉积时间短、固结性差，具有含水量大、压缩性高、承载力低、渗透系数小、易变形等特点，工程性质差。由于软土层的容许承载力低，易引起路堤失稳或沉降过大，不能满足公路工程建设的需求。危害主要表现在易造成构筑物开裂、路基变形、路堤滑移等，破坏工程的整体性。对相间分布工程地质性质差的软弱土层等均应进行处理，确保工程安全。

根据勘察结果，推荐地基处理设计参数详见表1。

表1 软土地基设计参数推荐表

4 计算分析

4.1 设计方案

选取K27+445 至K27+820 段特殊路基处理段落作为研究对象，地勘资料揭示，该段软土层最厚达22～30m ,且最大路基填高约6～8m，具有典型性。一般路段采用的双向水泥搅拌桩在设计计算及施工工艺上均很难达到标准要求，设计采用PHC 预制管桩进行复合地基处理。

预应力高强混凝土管桩（PHC）桩型为A300（70），桩长打穿软土层进入相对持力层，一般路段桩间距为2．7m，平行于线路走向，正三角形布设。混凝土有效预压应力4．0N/mm2，极限弯矩检验值27kN·m，开裂弯矩检验值25kN·m，开裂剪力检验值96kN。

桩头设置桩帽，桩帽1．2m×1．2m×0．3m，强度不小于C20，配一层钢筋网片。

4.2 单桩承载力计算

《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》（JTG/TD31-02-2013）采用单桩竖向承载力设计值与桩顶上的荷载压力乘以建筑物桩基重要系数后进行比较，即要求[6]：

式中：γ0—建筑物桩基重要系数，取1．1；R—单桩竖向承载力设计值（kN）。

单桩竖向承载力计算结果如表2 所示。

表2 单桩竖向承载力计算结果

4.3 桩顶上的荷载压力计算

式中：σsu—作用在桩间土上的应力（kPa）；

Kp—被动土压力系数，；

φ—路堤填料的内摩擦角（°）；

γ—路堤填料的重度（kN/m3）；

S—桩间距（m）；

b—桩帽宽度（m）；

δ—桩帽宽度与桩间距之比。

该隐式方程手动求解很难计算，计算中采取将式（2）、式（3）带入式（4）式中进行计算，得到关于α 的隐式方程，然后利用WPS 软件中的规划求解功能进行迭代计算。在计算表格中，单击菜单栏中“数据”“模拟分析”“规划求解”，结合带入整理后的公式，将HS2r 值所在单元格设定为目标值，待定系数α 所在单元格设定为可变单元格，公式所在单元格设置为目标单元格，点击求解，即可根据设定好的相关土工参数进行迭代计算，可求出相应的待定系数α，从而可以进一步求解出桩间土应力及桩顶的荷载压力。

计算过程需注意，以填高5m、桩间距2．7m、桩帽宽度1．2m 为例，填料内摩擦角取值35°，填料重度19kN/m3利用规划求解功能进行求解，设定不同的起始值将获得两个不同的解，即α=0．271 及α=0．671，其函数图形如图1所示。

图1 桩顶上的荷载压力计算函数图形

代入公式分别求得Fcap1=136．8kN及Fcap2=472．53kN，差别很大，分析认为小值Fcap1的值等于单个桩帽上土体自重对桩帽的力，大值Fcap2则应是土拱效应下的桩帽顶的荷载压力，结合规范要求，采用土拱效应下的桩顶荷载进行研究[7-9]。

对2．7m，2．4m 间距条件下不同填高情况进行计算，计算的待定系数及桩顶荷载如下表所示：

表3 桩顶荷载压力计算结果

在不同填高的工况中，采用的设计方案计算出的计算结果显示，当侧阻抗力分项系数和端阻抗力分项系数rs、rp分别取1．65 时，管桩的单桩竖向承载力均能满足规范计算所得的桩顶荷载压力要求，下面对复合地基承载力进行验算。

4.4 复合地基承载力计算

《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》（JTG/TD31-02-2013）中5．8．12 条刚性桩可不验算复合地基承载力，但实际设计中，尤其是对于高填方或者桥涵构造物处，往往对基础的复合地基承载力有着相应要求。本次进一步的对PHC 管桩处理软土路基的复合地基承载力进行计算。

《复合地基技术规范》（GB/T 50783-2012）中对于刚性桩复合地基均要求验算复合地基承载力，并给出相应计算要求。

经计算得到的各路段复合地基承载力如表4所示。

4.5 分析对比

将单桩竖向承载力设计值与桩顶上的荷载压力乘以建筑物桩基重要系数以及复合地基承载力与附加应力进行对比可见在一般路段，当单桩竖向承载力满足桩顶荷载压力的要求时，依据《复合地基技术规范》（GB/T 50783-2012）计算出的复合地基承载力同样能满足道路附加应力的要求。

对比两者对应关系可以发现，r*Fcap/R 与F/Fspk具有相似的对应关系。当填高≥2m 时，两者范围分别为55～87%以及45～65%，具有较好的一致性，但依据计算结果刚性桩设计在满足桩顶上的荷载压力的要求时，相应计算的复合地基承载力数值上明显有一些富余，因此在一般路段软基处理设计中，在单桩承载力满足桩顶荷载压力的要求时，其复合地基承载力也相应能够满足道路附加应力要求，因此可以依照公路软土地基路堤设计与施工技术细则的要求，可不验算复合地基承载力。

计算结果可见，当桩间距2．7m，桩长20～30m 之间时，计算所得的复合地基承载力范围基本在150～195kN 之间，而涵洞、管线等构造物往往对基底的承载力要求较高。因此当设计路段内存在构造物，对地基承载力有专门要求时，应结合实际要求进行计算，通过对桩间距、桩长或者桩径型号进行调整。调整桩间距时应注意：

①5．8．4 刚性桩可按正方形或等边三角形布置，桩径宜根据成桩设备确定，且不宜小于5倍桩径；

表4 复合地基承载力计算结果

表5 分析对比表

②为确保土拱的形成，充分发挥土拱效应，避免桩（帽）土顶面的差异沉降反射到路面而出现蘑菇状高低起伏的现象，要求刚性桩处理路段的路堤高度宜大于1．4（S～b），即当桩径为30cm 时，桩间距最小值宜不小于1．5m，填土高度为2．1m，桩帽1．2m 时，桩间距最大值宜不大于2．7m。

由此可对桩间距在1．8～2．7m 之间进行取值，以K27+500 段为例计算可得，其复合地基承载力变化范围为188～280kN，基本能满足一般涵洞构造物对基底承载力要求。

5 结论

可采用表格中的规划求解功能对公路软土地基路堤设计与施工技术细则中桩顶荷载压力的隐式进行求解，求解结果一般为双解，应剔除不合理的Fcap值（一般为小值），另一解为土拱效应下的桩帽顶的荷载压力。

一般路段在单桩承载力满足桩顶荷载压力的要求时，其合地基承载力也相应能够满足道路附加应力要求，因此可以依照公路软土地基路堤设计与施工技术细则的要求可不验算复合地基承载力。

对于桥涵构造物等对地基承载力要求较高的段落，应结合桩基设计，分别验算桩顶荷载压力与单桩竖向承载力以及复合地基承载力与构造物要求承载力是否满足要求。

一般情况下，采用调整桩间距的方法可以有效提升复合地基承载力。