呂 博 譚雅中

(中交路橋技術(shù)有限公司，北京 100011)

預(yù)應(yīng)力管樁在某公路軟土路基處理中的應(yīng)用

呂 博 譚雅中

(中交路橋技術(shù)有限公司，北京 100011)

以某公路工程為例，分析了該路段的軟土地基情況，通過對(duì)各種軟基處理方案的比選，確定了復(fù)合地基法中的預(yù)應(yīng)力管樁治理方案，并對(duì)管樁的設(shè)計(jì)方法及施工注意事項(xiàng)進(jìn)行了總結(jié)，以確保公路工程的合理性、耐久性。

軟土地基，預(yù)應(yīng)力，管樁，計(jì)算

0 引言

軟土地基具有天然含水量高、孔隙比大、壓縮性強(qiáng)、承載能力低等特點(diǎn)，是公路工程建設(shè)中遇到的難點(diǎn)之一，也是勘查設(shè)計(jì)與施工重點(diǎn)控制的一個(gè)環(huán)節(jié)。軟土地基處理是否合理是公路后期運(yùn)營(yíng)是否順暢的重要因素。目前，我國(guó)的公路工程建設(shè)中，對(duì)軟土地基的處理已經(jīng)有了較為成熟的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于不同類型的軟土處治如何選取適當(dāng)?shù)奶幹未胧瑢?duì)合理確定工程造價(jià)和保證公路安全運(yùn)營(yíng)具有十分重要的影響。

1 項(xiàng)目概況

該公路項(xiàng)目為高速公路，地處低緩丘陵，地形起伏較大。區(qū)內(nèi)氣候溫和，雨量充沛，地表徑流對(duì)坡面坡腳的沖刷較大。地下水類型為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水，以第四系松散層孔隙水為主，孔隙含水量隨季節(jié)變化，地下水以側(cè)向滲流的形式向溝谷排泄或蒸發(fā)。地下水埋深較淺，水位埋深約0.5 m～2.3 m。根據(jù)鉆探資料及野外地質(zhì)調(diào)繪成果，邊坡主要由第四系坡殘積粉質(zhì)粘土和燕山期花崗巖及其風(fēng)化層組成。軟土地基分布于K115+215～K115+480段，路基以填方形式通過，最大填土高度23.4 m，且在K115+390處設(shè)置一處混凝土蓋板涵。

2 軟土地基概況

根據(jù)勘查揭示該段路基范圍內(nèi)軟土地基分布如表1所示。

表1 軟土分布統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)過鉆探取樣，土工試驗(yàn)測(cè)定的軟土各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

表2 軟土物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

3 處治措施及方案的比選

為確保工程的后期運(yùn)營(yíng)安全，提高工程路基施工質(zhì)量，減小工后沉降，確保路基穩(wěn)定，減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本及對(duì)運(yùn)營(yíng)交通的影響，對(duì)本段軟土路基進(jìn)行了多方考察論證，通過幾種處治方案比選分析，確定軟土地基處理方案。

3.1 淺層處理法

淺層處理法主要包括強(qiáng)夯法與換填法。強(qiáng)夯法主要適用于非飽和的松散砂層及粉砂土、松散的厚層人工填土和軟土路段，深度一般不超過7 m，且該段軟土地基地下水位較高，地下水豐富，強(qiáng)夯排水效果和工后地下水回流均難以控制。換填法主要適用于層底深度不超過3 m的一般淺層軟弱地基。淺層處理法具有施工工藝、機(jī)具簡(jiǎn)單、施工速度快、施工質(zhì)量易于控制等優(yōu)點(diǎn)，但處治深度較淺，不適于本段深度達(dá)8.1 m的軟土地基處理，且換填法填方與棄方均較大，易造成環(huán)境污染和水土流失。

3.2 排水固結(jié)法

排水固結(jié)法主要包括塑料排水板、袋裝砂井、堆載預(yù)壓法。堆載預(yù)壓處治造價(jià)低，棄方少，但其處治深度較淺，深層預(yù)壓效果難以控制，且施工工期很長(zhǎng)。塑料排水板與袋裝砂井具有相同的處治效果，具有施工工藝、機(jī)具簡(jiǎn)單，施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，但不能較大的提高地基承載力，亦不能提高砂土地基的抗液化能力；對(duì)于深厚軟土且填土高度較高的構(gòu)造物路段或?qū)τ谏詈褴浲燎夜て谛∮?年的工程難以滿足工后沉降及工期的要求。排水固結(jié)法由于等載、超載的需要，導(dǎo)致大量借方、棄方的存在。

3.3 復(fù)合地基法

復(fù)合地基法主要包括水泥攪拌樁、碎石樁、水泥粉煤灰樁(CFG)和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PHC)。復(fù)合地基法處治深度均較深，均可滿足本段軟土路基處治深度的要求，但是又各有不同優(yōu)缺點(diǎn)。

水泥攪拌樁加固后地基強(qiáng)度提高較多，可以比排水固結(jié)法大量減少地基沉降量，施工工期較短，但作為隱蔽工程，施工質(zhì)量難以控制，樁體檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)。

碎石樁可提高地基的承載力、降低孔隙比、減少地基沉降，提高地基抗液化能力，同時(shí)還兼有排水和置換作用，施工工期短，但施工質(zhì)量難以控制和檢測(cè)，無(wú)法保證總體施工質(zhì)量。

水泥粉煤灰樁質(zhì)量容易保證，樁身強(qiáng)度高，工期短，可以比排水固結(jié)法大量減少地基沉降量，但作為隱蔽工程，當(dāng)樁長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，施工質(zhì)量難以保證，且檢測(cè)復(fù)雜。

預(yù)應(yīng)力管樁產(chǎn)品由工廠流水線生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，樁身強(qiáng)度高，貫穿能力強(qiáng)，適用于各種類型的地基處理，運(yùn)輸方便，施工速度比較快，工期短，檢測(cè)方便，可以大幅地提高地基承載力，大量減少地基沉降量，處理深度可達(dá)40 m，但造價(jià)相對(duì)較高，運(yùn)距較遠(yuǎn)。

3.4 處治方案的確定

該段軟土地基長(zhǎng)度265 m，軟土層厚度達(dá)6.2 m，上有覆蓋層，并且地下水位比較淺，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)淺層開挖，地下水大量涌出，開挖處土嚴(yán)重坍塌，施工機(jī)具難以施展，不能采用淺層處治辦法。由于施工工期比較緊，地下水豐富，且路基填土高度高達(dá)23.4 m，排水固結(jié)法在較短時(shí)間內(nèi)排水效果難以保證，且豐富的地下水在排水固結(jié)后仍會(huì)繼續(xù)影響已固結(jié)的軟土，且對(duì)于提高地基承載力無(wú)明顯效果。

考慮到該段需要在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較好的軟基處理效果，且要設(shè)置涵洞，需大幅提高地基承載力滿足構(gòu)造物要求，該段軟土地基處治考慮采用復(fù)合地基法中的預(yù)應(yīng)力管樁處治，具體布置方式根據(jù)設(shè)計(jì)及計(jì)算確定。

4 管樁設(shè)計(jì)

4.1 管樁設(shè)計(jì)原則

管樁的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀與其他混凝土樁的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀相似，剛性樁的特征明顯，可全樁長(zhǎng)發(fā)揮摩擦作用。公路路基管樁復(fù)合地基，樁和樁間土共同承擔(dān)路基荷載。

用于公路軟土地基加固的管樁的直徑、長(zhǎng)度及間距的設(shè)計(jì)采用以樁體與樁周土形成剛性復(fù)合地基滿足路基工后沉降要求為原則。

4.2 管樁設(shè)計(jì)計(jì)算

1)承載力計(jì)算。管樁復(fù)合地基承載力可采用下式計(jì)算：

Fspk=mRa/Ap+β(1-m)Fsk。

式中：Fspk——復(fù)合地基承載力特征值，kPa；m——面積置換率；Ra——單樁豎向承載力特征值，kN；Ap——樁截面面積，m2；Fsk——處理后樁間土的承載力特征值，kPa；β——樁間土的承載力折減系數(shù)，不考慮樁間軟土作用時(shí)可取0，樁間為硬土?xí)r可取0.1～0.4，樁間為軟土?xí)r可取0.5～1.0。

單樁承載力特征值Ra可采用下式計(jì)算：

式中：up——樁周長(zhǎng)，m；n——樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分土層數(shù)；qsi——第i層土的樁側(cè)摩阻力特征值，kPa；li——第i層土的厚度，m；qp——樁端土承載力特征值，kPa；Ap——樁的截面面積，m2。

2)工后沉降計(jì)算。工后沉降計(jì)算采用JTG D30-2004公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范中第7.6.2中規(guī)定的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。主固結(jié)沉降Sc采用分層總和法計(jì)算，總沉降S采用沉降系數(shù)ms與主固結(jié)沉降計(jì)算。

4.3 管樁布置

本次預(yù)應(yīng)力混凝土管樁采用預(yù)應(yīng)力PHC樁,外直徑為30 cm,壁厚不小于7 cm,管樁離心混凝土強(qiáng)度為C70。樁頂托板采用C25鋼筋混凝土。管樁采用靜壓法施工，樁身嵌入持力層深度不小于2 m。

根據(jù)各項(xiàng)土層及管樁參數(shù)經(jīng)多次試算，確定該段軟土地基管樁處治布置情況為：涵洞底寬6 m，設(shè)置4排管樁，由涵洞向兩側(cè)路基做過渡段，樁間距由2.0 m起，樁間距逐次增加0.2 m，至樁間距擴(kuò)大為3 m過渡段結(jié)束，按照3 m樁間距布置一般路基段管樁，管樁樁長(zhǎng)取整不小于11 m。樁頂設(shè)置碎石褥墊層,碎石采用級(jí)配碎石,最大粒徑應(yīng)小于50 mm。

管樁布置示意圖見圖1。

4.4 其他設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1)管樁按平行于涵洞軸線方向布置。涵洞處理區(qū)外按正常路段處理方式實(shí)施。

2)碎石墊層設(shè)置至坡腳外1 m的位置,并用30 cm厚的粘土封層,坡腳位置處的泄水管入水口設(shè)置土工布包裹碎石的反濾層。

3)碎石墊層頂部和底部各鋪設(shè)一層雙向土工格柵。土工格柵幅寬不小于2 m,搭接長(zhǎng)度不小于30 cm,并用U形釘每隔2 m按正方形將格柵拉緊固定。

4)施工完管樁后,填土預(yù)壓(涵洞處壘沙包預(yù)壓),待預(yù)壓3個(gè)月,實(shí)施涵洞底的管樁托板,之后可以進(jìn)行涵洞施工和填土。

5 施工注意事項(xiàng)與質(zhì)量控制

1)管樁大規(guī)模施工以前須選在有地質(zhì)鉆孔的位置來(lái)進(jìn)行試打,并且進(jìn)行單樁承載力和復(fù)合地基承載力的檢測(cè),以確定是否需要調(diào)整收錘標(biāo)準(zhǔn),管樁施工完畢以后,管樁樁頂高差應(yīng)該控制在15 cm以內(nèi)。

2)嚴(yán)格控制壓樁速度，一般應(yīng)控制在1 m/min左右為宜，使各層土體能在均勻受力的情況下對(duì)管樁產(chǎn)生預(yù)定的側(cè)摩阻力，并能在管樁下沉過程中發(fā)生偏向時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并做出調(diào)整。

3)管樁對(duì)接時(shí),應(yīng)采用法蘭盤連接或采用焊接連接。注意焊好的樁接頭應(yīng)自然冷卻后方可施打。焊接處的強(qiáng)度不應(yīng)低于出廠的強(qiáng)度。

4)涵洞整個(gè)范圍的管樁高程在打設(shè)階段應(yīng)基本在同一水平上,待施工涵洞時(shí),再將涵底處的管樁截?cái)嘀梁谆A(chǔ)底高程。

5)在軟基處理后、填土前，設(shè)置測(cè)斜管、位移邊樁等檢測(cè)設(shè)備，測(cè)斜管彎曲性能應(yīng)適應(yīng)被測(cè)土體的位移情況。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)的公路建設(shè)尤其是高等級(jí)公路建設(shè)的飛速發(fā)展，在具體工程實(shí)踐中由于建設(shè)任務(wù)的緊迫性，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于軟土地基處理，管樁也越來(lái)越發(fā)揮其自身的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合工程地質(zhì)情況，有針對(duì)性地選擇與借鑒，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，加強(qiáng)施工監(jiān)管，保證施工質(zhì)量，確保整體工程的合理性、耐久性。

[1] JTG D30-2004，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 葉書麟.地基處理工程實(shí)例應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

[3] 王曉謀，袁懷宇.高等級(jí)公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[4] 劉曉梁.高速公路修建過程中的軟土地基處理問題[J].山西建筑，2012，38(10)：162-163.

Application of prestressed concrete pipe pile in treatment of soft soil subgrade of highway

LV Bo TAN Ya-zhong

(CCCCRoadandBridgeTechnologyCo.,Ltd,Beijing100011,China)

Based on some road project, the paper analyzes the soft-soil subgrade of some road, identifies the treatment scheme for the prestressed pipe pile in the composite foundation method by comparing with various soft foundation treatment schemes, and sums up the design methods for the pipe pile and some precautions of the construction, so as to ensure the road projects to be reasonable and durable.

soft-soil subgrade, prestress, pipe pile, calculation

1009-6825(2014)11-0149-03

2014-02-07

呂 博(1983- ),男，工程師; 譚雅中(1987- ),女，助理工程師

TU753.3

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