预应力混凝土管桩对路基沉降变形的影响

摘要

路基沉降变形是控制改扩建道路工程质量的重要因素，为减少路基的沉降变形值，可设置预应力混凝土（PC）管桩减少桩基持力和土体变形。以唐津高速公路（丰南界-塘承）改移工程为算例，基于PLAXIS 3D模拟了不同地层条件下有无PC管桩时路基变形发育的全过程，同时分析了不同桩长、桩径和桩间距等影响因素下路基沉降变形的发展规律。算例结果发现，布置PC管桩时路基的最大沉降与水平位移分别减少了41.6%和62.8%。路基沉降变形值与桩长、桩径呈非线性反比关系，与桩间距呈V形变化关系并在桩间距为2 m处达到最小沉降。设置PC管桩对路基的沉降变形有抑制作用，因此，合理地选取PC管桩的桩长、桩径、桩间距优化路基设计成为抑制路基沉降变形的关键，同时在确保工程质量的情况下实现最优性价比。

关键词

预应力混凝土管桩;路基;沉降变形;数值模型

中图分类号：TU45 ""文献标志码：A ""文章编号：1004-0366（2024）06-0013-06

在交通强国的背景下，高速公路是民生工程的重要一环，此类工程的建设需求越来越大。随着经济和社会的发展，早些年以四车道为主的高速公路难以满足我国现状。因此，高速公路的改扩建工程成为我国当前国情下需要解决的难题。近年来，预应力混凝土（PC，prestressed concrete）管桩作为常用的地基处理方法，因其具有承载力高、施工速度快、成本较低、施工相对简单、成桩质量可靠、工期可控等优点被广泛应用于道路工程，进一步提高了道路的安全性和耐久性［1-4］。

预应力混凝土管桩是采用离心成型法制成的一种空心筒体细长混凝土预制构件，预应力张拉通常采用先张法［5-7］。由于预应力混凝土管桩参数和改扩建道路的土体对桩有显著影响，导致预应力混凝土管桩对道路的沉降会产生直接影响［8-10］。基于此，为研究预应力混凝土管桩对改扩建道路沉降的影响，本文依托唐津高速公路（丰南界-塘承）改移工程，采用岩土与隧道有限元分析软件PLAXIS 3D进行了数值模拟分析，讨论桩长、桩径、桩间距等有关参数的变化对路基沉降的影响规律。通过数值模型实现了对道路改扩建全服役周期的模拟，其研究结论可为同类改扩建工程的设计和施工提供参考。

1 工程算例

1.1 工程概况

唐津高速公路（丰南界-塘承）改移工程是G25长深高速公路的重要交通枢纽工程，为加强天津与华北、华东及东北地区经济、社会联系发挥着重要作用。为适应天津市整体规划需要，进一步扩大城市的发展空间，需要进行唐津高速公路（丰南界-塘承）改扩建项目。通过现场勘察资料可知，唐津高速公路改移工程的路基地层物理力学参数如表1所列。

由于新填路基和老旧路基在结构层厚度和自身强度上存在差距，使得在新、旧路基的衔接处出现沉降变形差异，进而导致道路开裂等隐患［11-13］。究其本质，一方面是施工初期新填路基沉降量较大，而老旧路基已完成大部分的工后沉降，几乎不会产生新的沉降行为，二者在沉降值上的差异会导致在路基结合部分出现沉降产值突变点；另一方面是新填路基和老旧路基在施工技术上的差异及人为因素的影响会加剧不同路基的沉降差值，当沉降差值超过新、旧路基所能承受的极限时，上覆路基结构由于变形不协调而出现裂隙，最终引起道路的破坏。因此，控制新、旧路基的沉降变形差值是减少变形不协调的重要方法，也是保证道路改扩建工程长期稳定性的有效手段。

老旧路基变形沉降主要由工后沉降和上覆路基自重引起的沉降两部分构成，新填路基变形沉降则主要为填筑物自身沉降变形。两种沉降使得新、旧路基沉降差值集中在新填路基沉降上，而设置PC管桩能够有效减少路基变形。因此，在改扩建工程中布设PC管桩并开展新建线路桩基础施工，可在提高地基承载力的基础上有效控制新建路基的沉降量，进而较好地保证新建路基的稳定性和安全性。

1.2 数值模型

为了能够直观地描述PC管桩对路基沉降变形的影响，利用PLAXIS 3D对上述工程实例开展数值模拟分析，相应道路改扩建工程的模型示意图和网络图分别如图1、图2所示。

在数值模型中将道路宽度方向设为X轴方向，竖直方向设为Y轴方向，同时假定道路沿长度方向无限延伸，模型在X轴方向取50 m，Y轴方向取22 m，行车荷载取20 kN/m2，台阶宽度2 m，高度1.33 m，斜率为1∶1.5，土工格栅8 m，模型网格划分效果见图2。

在沿行车方向的路基土体中布设多排PC管桩，桩顶和路堤间设置厚度为30 cm的级配碎石垫层，进而减小桩土间应力比，改善管桩上部的受力状态。同时在碎石上布设土工格栅，相应的路基分层和管桩布设示意图如图3所示。

为了进一步分析不同PC管桩参数对路基沉降变形的影响，分别设计了3组9种工况探究桩长、桩径和桩间距的影响效果，具体计算工况如表2所列。

2 数值结果分析

将表2中不同工况下PC管桩参数代入数值模型中，通过控制单一变量法模拟不同参数对路基沉降变形的影响。通过上述分析可知施工期的沉降可通过多种方法弥补，因此分析对象为路基施工完成后运营期产生的沉降变形规律，即工后沉降。依次选择不同的PC管桩桩长、桩径和桩间距，观察路基沉降变形的变化。

2.1 桩长对路基工后沉降的影响

首先，控制桩径和桩间距不变，分别设置桩长为0 m，12 m，14 m和16 m 4种工况，其中0 m表示未布设PC管桩，作为对照组参与分析。保持其余模型参数不变，得到不同桩长条件下的路基变形模拟云图，如图4所示，相应的沉降变形计算结果如图5所示。

根据图5可知，4种不同PC管桩桩长工况下的路基沉降变形曲线的变化趋势基本一致，仅沉降变形的数值大小存在差异。随距老旧路基中点距离的增加，即由老旧路基向新填路基方向发展时，所有工况沉降变形变化曲线呈“勺形”分布。在新、路基衔接处工后沉降变形值最小，PC管桩长度为0 m，12 m，14 m和16 m的工后沉降变形值分别为8.3 mm，8.2 mm，7.0 mm和6.3 mm。在距老旧路基中点17 m处沉降变形值达到峰值，不同桩长下分别为27.4 mm，21.8 mm，17.5 mm和16.0 mm，相应的新、旧路基最大沉降差值分别为19.1 mm，13.6 mm，10.5 mm和9.7 mm。

未布设PC管桩的路基，在新旧路基衔接处、距老旧路基中点17 m处的沉降变形均大于布设PC管桩时产生的沉降变形。新、旧路基最大沉降差值均远超布设PC管桩工况，这是因为老旧路基经过多年荷载和压实作用，沉降变形已经充分发展，路基整体基本趋于稳定。与此同时，新填路基的固结程度较小，沉降变形仍处在高速发展阶段。通过对比不同PC管桩桩长下路基沉降变形发现，未设置预应力混凝土管桩的最大沉降值为27.4 mm，桩长16 m时最大工后沉降值为16 mm，工后最大沉降值减小了41.6%。由此可见，布设PC管桩可有效减小路基沉降值。

为了进一步分析桩长对改扩建道路路基的影响，提取模型的水平位移云图（见图6），路基工后水平位移如图7所示。

根据图7可知，由老旧路基顶面向新路基方向延伸的工后水平位移曲线呈“反勺形”分布，沿新路基方向水平位移先增大后减小，但是总体增大量大于总体减小量，在距离老路基中点11.2 m处出现峰值。桩长0 m、12 m、14 m、16 m水平位移最大值分别为5.6 mm、3.4 mm、2.3 mm、1.9 mm。通过对比发现，PC管桩的长度对水平位移影响显著。当布设PC管桩时，桩长为12 m时最大水平位移达到了3.4 mm;当桩长为16 m时，最大位移达到了1.9 mm，相应的最大位移减小了44.1%。

2.2 桩径对路基工后沉降的影响

不同桩径对路基沉降的影响存在显著差异，结果如图8所示。由图8可知，4种桩径下的沉降值曲线变化规律相同，均为由老旧路基顶面向新填路基方向延伸时呈“勺形”分布，且沉降变形值先减小后增大。桩径为0 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m时，老路基中点处的工后沉降分别达到8.3 mm、7.0 mm、6.8 mm、6.7 mm;沿新路基方向沉降逐渐增大，在距老旧路基中点17 m处出现峰值，大小分别为27.4 mm、17.5 mm、16.4 mm、16.0 mm，PC管桩引起路基工后沉降变形随桩径的增大而减小。未加PC管桩（即桩径为0 m的工况）的最大沉降为27.4 mm，而桩径0.3 m产生的最大沉降为17.5 mm，最大沉降值减小了36.1%，由此可知增大桩径有效减小了新建路基的沉降。桩径从0.3 m增大至0.5 m时，3种工况下的新建路基工后沉降曲线变化不大，说明在小范围内增加或减小桩径对路基工后沉降影响较小。

2.3 桩间距对路基工后沉降的影响

不同桩间距下的路基工后沉降模拟计算结果如图9所示。图9显示，工后沉降曲线依旧呈“勺形”分布，在新老衔接处沉降值最小。桩间距0 m、2 m、3 m、4 m的工后沉降峰值分别达到27.4 mm、17.5 mm、22.7 mm、25.6 mm，新、旧路基存在沉降差异，最大差异沉降值分别为19.1 mm、10.5 mm、14.8 mm、17.2 mm，对比发现预应力管桩的间距大小对于沉降影响较大。因此，在满足规范要求下，适当减小桩间距可进一步降低沉降值，提高改扩建工程的安全性和稳定性。

另一方面，试验桩工程桩型为摩擦端承型桩，采用PC管桩桩径不低于300 mm（壁厚125 mm）AB 型，有效桩长不小于12 m，以强风化泥质粉砂岩为桩端持力层，要求持力层深度不小于2 m。不考虑其他费用的PC管桩每米的造价在300～500元，与其他类型桩基（如灌注桩）相比成本优势巨大。

3 结论

本文以既有的改扩建工程为例，采用有限元软件建立分析模型，从道路自身地质条件、道路路基与桩之间的关系两个方面出发探讨桩长、桩径、桩间距对改扩建道路变形的影响。研究结论如下：

（1） 增设PC管桩可显著减小路基的沉降变形，对改扩建工程的稳定性有良好效应。

（2） PC管桩的长度、直径和间距均对道路的沉降具有显著的影响，建议PC管桩施工时要嵌入持力层，可依据规范取值嵌入2 m以上，当PC管桩嵌入持力层时，可以适当减小直径或增加间距，且需要做好管桩与路基接触的垫层施工。

参考文献：

［1］ 石海丽，肖冠湘，朱炜，等.高强预应力混凝土抗拔管桩设计浅析［J］.建筑结构，2021，51（增刊2）：1573-1578.

［2］ 杜新喜，胡锐，袁焕鑫，等.混合配筋预应力混凝土管桩抗剪性能试验研究［J］.工程力学，2018，35（12）：71-80.

［3］ 郭秦渭.预应力混凝土管桩在7度以上抗震设防区的应用研究［J］.建筑结构，2008（10）：109-111，53.

［4］ 翟莲，杨莹莹，张竹军，等.预应力混凝土管桩研究现状及前景［J］.混凝土世界，2020（3）：46-48.

［5］ 柴林杰，顾云凡，李军阔，等.PHC管桩机械性连接接头抗拔性能有限元分析［J］.科学技术与工程，2023，23（8）：3422-3431.

［6］ 黄建华，彭浪，朱永涛.先张法预应力混凝土波形板桩力学性能研究［J］.地下空间与工程学报，2018，14（3）：688-696.

［7］ 米春荣，李建明.预应力混凝土管桩后注浆器的研制与应用［J］.山东大学学报（工学版），2016，46（4）：89-95，102.

［8］ 黄福云，何凌峰，单玉麟，等.整体桥预应力桩-土相互作用试验［J］.建筑科学与工程学报，2021，38（1）：31-40.

［9］ 叶学民，蔡同俊.谈预应力混凝土管桩处理地基［J］.山西建筑，2011，37（35）：72-74.

［10］ 冷时斌.浅析高强预应力混凝土管桩基础工程事故分析及处理［J］.四川建材，2013，39（1）：105，108.

［11］ 姚永胜，张军辉，李崛，等.江西省昌樟高速公路改扩建工程老路基渗水处治方法研究［J］.中外公路，2018，38（3）：14-18.

［12］ 沈炜，吕锡岭.气泡混凝土拓宽路基的沉降特性数值分析［J］.公路工程，2014，39（3）：241-245.

［13］ 杨广庆，高民欢，陈君朝，等.高速公路改扩建路基加宽锚固加筋技术研究［J］.岩土工程学报，2013，35（增刊2）：10-15.

The influence of prestressed concrete pipe piles on

roadbed settlement deformation

CHEN Shuang1，ZENG Peng1，YUAN Shengchao1，DING Haibin2，WU Bingni2

（1.Nuclear Industry East China Construction Engineering Group，Nanchang" 330013，China;

2.School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang" 330013，China）

Abstract

The settlement deformation of roadbed is an important factor to control the quality of road reconstruction and expansion. In order to reduce the settlement deformation value of roadbed， prestressed concrete" （PC） pipe pile can be set to reduce the pile foundation holding force and soil deformation. Taking the Tang-Jin Expressway （Fengnan Jie-Tangcheng） relocation project as an example， the whole process of subgrade deformation development with or without PC pipe pile under different formation conditions is simulated based on PLAXIS 3D， and the development law of subgrade settlement deformation under different influencing factors such as pile length， pile diameter and pile spacing is analyzed. The results show that the maximum settlement and horizontal displacement of the subgrade are reduced by 41.6% and 62.8% respectively. The settlement deformation of the subgrade has a nonlinear inverse relationship with pile length and pile diameter， a V-shaped relationship with pile spacing， and the minimum settlement is reached when the pile spacing is 2 m. Setting PC pipe piles can inhibit the settlement deformation of roadbed. Therefore， selecting the pile length， pile diameter and pile spacing of PC pipe piles reasonably to optimize the roadbed design becomes the key to restrain the settlement deformation of roadbed， and to achieve the optimal cost performance while ensuring the project quality.

Key words

Prestressed concrete pipe piles;Road base;Settlement deformation;Numerical modeling

（本文责编：冯 婷）