预制混凝土劲性体在道路软基处理中的应用

唐一明

（中国十七冶集团有限公司设计研究院，安徽 芜湖 241000）

0 引言

PHC 管桩刚性复合地基是道路软基处理中较为常见的一种方案，特别适用于软土较深、工后沉降要求严格的工程，如高填方路基施工、桥头路基施工、道路改建拓宽等，但当上部荷载较小时，管桩的桩体承载力往往得不到充分利用，会造成一定的资源浪费。近年来，国内多个地区在PHC 管桩刚性复合地基技术的基础上，通过适当减小管桩壁厚、降低配筋率、优化混凝土配合比等方式，形成了预制混凝土劲性体复合地基技术。

劲性体复合地基技术是一种新型的地基处理技术，其作用机理和使用效果基本与管桩复合地基技术一致，具有施工质量易控制、施工速度快、地基承载力高、工后沉降小、地基处理深度大等突出优点，工程造价也比管桩低，极具推广应用价值。

1 预制混凝土劲性体概述

预制混凝土劲性体是一种先张法高强度混凝土管桩，采用先张法预应力张拉工艺，经过蒸汽养护、离心成型制成的一种空心柱状的混凝土预制构件。其生产工艺和PHC 管桩基本相同，但是桩壁较薄，故在粗细骨料配比、砂率和外加剂的使用上略有不同。劲性体一般用作抗压桩，配筋率在0.35%～0.55%之间，混凝土强度不低于C60，常用规格为300mm、400mm、500mm、600mm 四种，壁厚55～85mm，竖向抗压承载力设计值能达到760～2340kN，单桩承载力较大[1]。

2 劲性体复合地基的工程特性

劲性体复合地基主要由劲性体桩身、桩间土和褥垫层组成，属于一种刚性桩复合地基，由刚度较大的劲性体和桩间土共同分担路基填土自重及上部车辆荷载，桩身对周围土体产生挤密作用，能有效改善桩身周边土的性能，提高其对桩侧的摩阻力，同时桩端阻力的发挥能使荷载传递到更深的土层，当劲性体桩端处于硬土或砂石等良好土层上时，端承力作用较大，能共同发挥桩侧摩阻力和桩端阻力的作用，大幅度提高地基的承载能力，有效增强地基的抗变形能力和减少工后沉降。特别适用于处理黏性土、回填土、淤泥质土和工程特性较差的淤泥、有机土等地基，具有施工速度快、承载能力高、沉降变形小、稳定较快、处理深度大、质量易于控制等特点。

劲性体桩端进入持力层后，上部荷载通过桩顶的托板及在其上设置的土工格栅和碎石层形成“桩-网”结构，一部分荷载由桩间土承担，能使上部荷载均匀地传递到持力层，从而满足地基承载力要求，有效控制工后沉降，共同发挥复合地基桩和桩间土的功能[2]。

3 工程实例

3.1 工程概况

以芜湖市某省道改线项目为例，该工程路线全长为2.186km，主要为青弋江桥及接线段，为一级公路，路基宽为27m，设计速度为80km/h，沿线路基以填方为主，桥头路基较高，最高处达到7～8m，该处原地面工程地质较差，存在淤泥质粉质黏土，软土较厚，考虑到相关规范对桥头路基稳定性及工后沉降要求较高，经过前期对比验证，决定采用预制混凝土劲性体刚性复合地基处理技术[3]。

3.2 不良地质的构成

根据地质勘察报告，该项目沿线存在淤泥质粉质黏土，位于③层，干强度低，韧性低，该层厚度为4.6～16.2m，层顶面埋深为1～12m。

具体场地岩土层自上而下划分如下。

①层：填土及耕土，成分不均，杂色，结构比较松散，厚度为0.4～9.6m。

②层：粉质黏土，灰、灰黄色，软-可塑状，局部夹少量粉土。无摇振反应，稍有光泽，干强度较低，韧性较低，厚度为1～6m。

③层：淤泥质粉质黏土，灰、灰黑色，流塑-软塑状，局部夹薄层粉土、粉砂，含贝类，无光泽，干强度低，韧性低，厚度为4.6～16.2m。

④层：粉质黏土，灰、灰黄色，可塑-硬塑状，含高岭土。无摇振反应，稍有光泽，干强度中等，韧性中等。该层分布不均，厚度为1.2～6.5m。

⑤层：粉土夹粉砂，灰色，可塑-稍密状，饱和，局部呈薄透镜体状，该层分布不均，厚度为1.2～4.3m。

⑥层：卵石，灰、灰黄色，含量约50%～70%，充填中粗砂、砾砂及黏性土，中密-密实状为主，成分为石英岩、硅质岩及石英砂岩。卵石层未揭穿，可见厚度大于30m。

3.3 预制混凝土劲性体复合地基处理方案

预制混凝土劲性体采用正方形布置，桩型采用PPRC400，壁厚为60mm，混凝土强度等级为C60，布置间距视不同路基高度而定，分别选取2m 和2.5m，桥头段加密，处理深度以打穿软土层进入持力层不小于1.5m 为准，设计桩长为8～19m。桩顶设置托板，尺寸为1.2m×1.2m×0.3m，钢筋混凝土现浇，托板上设置40cm 未筛分碎石，并采用土工格栅包裹。预制混凝土劲性体复合地基处理设计图如图1 所示。

图1 预制混凝土劲性体复合地基处理设计图

3.4 施工工艺

第一，施工准备：劲性体施工前应平整场地，清除场地障碍物。

第二，仪器、设备准备：劲性体推荐采用静力压桩机施工，压桩机最大压桩力应不小于200t，压桩速度不小于1m/min，一次压桩行程1～2m，静压机自带压力表且经过标定。施工现场应配备起吊设备，其起吊能力宜大于5t。

第三，施工前应进行成桩工艺试验，试桩数量不得少于2 根。

第四，沉桩前应按设计文件进行放桩并标记桩位，桩机就位时，对桩位进行复测。

第五，沉桩时，应严格控制倾斜率，第一节劲性体起吊就位插入地面时的倾斜率不得大于0.5%，如果存在超差，则应及时调整，调整时必须确保桩身不裂，必要时应拔出重插，桩尖进入硬土层后，严禁采用移动桩机等强行回扳的方法进行纠偏。

第六，静压法施工沉桩速度不宜大于2m/min。沉桩时宜将每根桩一次性连续施工到底，尽量减少中间停歇时间。避免在接近设计深度时进行接桩，遇有较难穿透的土层时，接桩宜在穿透该土层后进行。

第七，当劲性体需要接桩时，其入土部分桩段的桩头宜高出地面50～100cm。下节桩的桩头处宜设置导向箍，接桩时上、下节桩段应保持顺直，上、下节桩应接直焊牢，错位偏差不宜大于2cm，逐节接桩时，节点弯曲矢高比不得大于1/1000 桩长，且不得大于2cm。焊接时应先在坡口圆周上对称点焊5～6 点，待上、下节桩固定后拆除导向箍，再分层焊接，焊接层数不得少于2 层，焊缝要求饱满、连续。

第八，送桩：送桩前检查桩顶质量，测出垂直度，垂直度经检测合格立即送桩。用测量仪器确定地面标高，在送桩杆上进行标记，送桩过程中应动态检测送桩深度。送桩器底部应设置桩垫，桩垫厚度均匀并与桩顶全面接触。

停止沉桩的标准应综合考虑场地地质条件、设计桩长、压桩力、贯入度等因素以及试桩参数，一般按不小于单桩容许承载力的1.3 倍送桩，达到设计高程后持荷（正常压力）10min 且沉降量不超过2mm/min 方可结束送桩。

在同一地质类型的路段，若出现压桩力显著增加或送桩时静压力明显减小等异常情况，需立即暂停施工，必要时增加施工勘察补钻资料，找出原因后提出处理措施[4]。

第九，桩帽施工：沉桩、送桩结束验收合格后才可进行桩帽施工。桩头开挖后应整修，形成土模，然后按照设计要求绑扎钢筋，浇筑混凝土并进行桩头养护。

3.5 使用效果

该工程目前已经交工投入使用，道路软基采用劲性体复合地基处理后，施工单位对路基进行了稳定性及沉降观测，根据监测结果可知处理效果较好，达到了设计及相关规范的要求[5]。

4 预制混凝土劲性体复合地基的优缺点分析

道路深层软基处理一般采用塑料排水板+堆载预压、水泥搅拌桩、CFG 桩和PHC 管桩等处理方式，结合上述一级公路改线工程施工经验，可以总结出预制混凝土劲性体复合地基在处理道路软基时相比于其他方案存在以下优缺点。

第一，桩身质量高。劲性体一般采用工厂集中预制，自动化工艺生产，检验程序严格，桩体质量可以得到有效保障。

第二，适用性强。劲性体复合地基主要通过桩体自身的单桩承载力承受上部荷载，对原有地质的工程特性要求不高，适用于各种不同土质的不良地质处理，地下水对劲性体施工影响也较小[6]。

第三，施工工艺成熟、速度快。预制混凝土劲性体施工与PHC 管桩基本一致，采用静压或锤击施工，工艺成熟。桩体采用集中预制方式，地基处理施工不受气候、温度和季节等因素的影响，前期准备工作少，施工速度快，监测和检验时间短，节省工期，特别适用于道路改建等工期要求较严格的工程。

第四，成桩长度可以灵活控制，不需要锯桩。预制混凝土劲性体预制成型，每节桩长可根据设计和施工需求进行调整，接长方便，不同桩长可以灵活搭配，减少了截桩操作，节约用桩量。

第五，在深层软基处理方面，劲性体在造价上也存在一定程度的优势。在同一工程地基处理的应用中，劲性体的造价要稍高于水泥搅拌桩和塑料排水板，低于CFG 桩与PHC 管桩。

第六，施工质量易于控制。劲性体在工厂预制，进场时需要经过质量检测，桩体质量能得到保证，沉桩过程便于监测，不存在水泥搅拌桩、CFG 桩等施工方式现场成桩较为隐蔽、质量不好把控的状况[7]。

第七，处理效果好，沉降量小。劲性体桩身混凝土强度高，弹性模量大，加之桩体内有预应力筋，使得其整体刚度大，能承受大部分的上部荷载，复合地基变形沉降量小。根据工程实践经验，采用预制混凝土劲性体复合地基处理的工后沉降一般可控制在50mm以内，处理效果明显优于水泥搅拌桩、CFG 桩等方案。

第八，施工现场干净整洁、绿色环保。打桩一般采用静压方式，无噪声污染，且桩体采用集中预制，施工时不会对地下水、周边土地造成污染，有利于施工期间的生态环境保护。

预制混凝土劲性体的缺点：

一是有一定的地域限制，由于远距离运输会增加工程造价，因此要求工程周边存在可集中预制的生产厂家[8]。

二是预制混凝土劲性体配筋较少，一般作为抗压桩使用，不适用于有抗拉、抗弯要求的工况。

5 结语

沿江地区的地质情况较为复杂，道路路基处理极为重要，其工程造价占整个工程总投资的比例往往很大，选择合适的软基处理方案对提升工程质量、提高经济效益有重要意义。塑料排水板+堆载预压、水泥搅拌桩、CFG 桩、PHC 管桩等方法或多或少存在一些不足，而预应力混凝土劲性体综合了各方案的优点，无论在施工工艺、处理效果、工程造价方面都具有一定的优势，可为道路工程深层软基处理提供新思路，具有显著的社会经济效益和广泛的推广应用前景。