魏曙紅

(安徽省地勘局第二水文工程地質勘查院， 安徽 蕪湖　241000)

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公路軟基預制管樁處理間距優(yōu)化現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析

魏曙紅

(安徽省地勘局第二水文工程地質勘查院， 安徽 蕪湖241000)

摘要：在某高速公路沿線選取3個管樁施工路段，設置5種不同樁間距的8個觀測斷面并進行對比試驗，研究管樁間距優(yōu)化關鍵技術。

關鍵詞：管樁；間距；優(yōu)化；試驗

預制管樁成樁質量較水泥攪拌樁、CFG樁更有保證，且施工快速、方便，在新建和拓寬公路的軟基處治方面表現(xiàn)出較強的優(yōu)勢，應用越來越廣[1-2]。公路軟基處理是連續(xù)大面積工程，預應力管樁單體成本較高，樁間距對整體工程造價影響較大。因此，如何充分利用管樁高強度和高承載力的特性，在確保路堤穩(wěn)定、沉降滿足要求的前提下，增大樁間距，并使其經濟、合理，顯得尤為重要。

公路路堤對工后沉降和不均勻沉降要求較高。加寬路堤路面鋪筑前的沉降速率應不超過1 mm/月，新舊路面橫向坡度增加值應≤0.45%[3-4]；新建路堤路面鋪筑前沉降速率應不超過5 mm/月，橋頭工后沉降小于10 cm[5]。

在建筑樁基方面，預制管樁設計理論已經相當成熟。公路軟基處理設計主要是參照建筑樁基規(guī)范，管樁樁長和樁間距設計是根據(jù)路基荷載所需的單樁承載力或復合地基承載力，采用鉆孔資料或靜力指標計算出相應的樁長和樁間距，并選取一定的安全系數(shù)作為儲備[6-7]。

管樁應用于公路軟基處理，其多以樁承式(樁帽)路堤形式出現(xiàn)，樁帽之間是非連續(xù)的，其上設有褥墊層和土工格柵[8]；樁間土分擔一定的荷載，且樁間土的沉降是造成路堤沉降的主要因素。因此，建筑工程的要求在公路軟基處理管樁施工中不具有控制意義。

本文以某高速公路擴建工程為依托，對管樁間距優(yōu)化關鍵技術進行研究。在該高速公路沿線LK52、RK55和K4三個管樁施工路段設置了5種不同樁間距的8個觀測斷面并進行對比試驗，對管樁間距優(yōu)化關鍵技術進行研究。基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析來判斷不同樁間距條件下路基沉降規(guī)律和路堤的穩(wěn)定狀況，評價不同樁間距的加固效果，并通過有限元計算模型獲得最優(yōu)樁間距。

1現(xiàn)場試驗方案

1.1軟基處理方法

3個試驗路段管樁處理方案見表1。

第1試驗路段LK52+414～LK52+485縱向分為2段，每段長約35 m，采用2.8、3.2 m兩種樁間距進行對比，樁帽尺寸均為1.5 m。設計樁長8.0～9.5 m，樁端進入中砂層。

第2試驗路段RK55+630～RK55+720縱向分為2段，每段長約45 m，采用2.6、3.0 m兩種樁間距進行對比，樁帽尺寸均為1.5 m，設計樁長8.5～13.5 m，樁端進入強風化砂層。

第3試驗路段K4+450～K4+550，路基橫向處理寬度為47.1～65.4 m?？v橫方向分為4段，每段長約50 m，寬約20 m。采用2.5、3.0 m兩種樁間距和1.2、1.5 m兩種樁帽尺寸進行對比，樁長9.0～10.0 m，樁端進入粗砂層。

表1　各試驗路段管樁處理方案　m

1.2現(xiàn)場監(jiān)測儀器布設

第1、2試驗路段每段設2個主要觀測斷面，第3試驗路段設4個觀測斷面。觀測儀器布設位置見圖1、圖2。觀測內容包括樁和樁間土沉降、老路基沉降、分層沉降、深層水平位移、孔隙水壓力等。觀測儀器布設方法及作用如下。

1) 樁和樁間土沉降觀測：采用單點沉降計測試。第1、2試驗路段每個斷面樁間土橫向布設4～5個單點沉降計，樁帽上布設2個單點沉降計。第3試驗路段每個試驗點樁間土布設2個，樁帽上布設1個。根據(jù)不同條件下樁和樁間土的沉降量，分析沉降規(guī)律并預測沉降趨勢，判別加固效果。

2) 老路基沉降觀測：每個斷面設2～3個測點。橫斷面位置在老路路肩及中央隔離帶處。根據(jù)老路基的沉降量，判別管樁加固對老路基的影響。

3) 分層沉降：每個斷面布設1組，每組設4～5個沉降計。分層沉降觀測是用于掌握地基土不同深度、層位的沉降情況。

4) 深層水平位移觀測：每個斷面布設1～2孔，埋設位置在路基坡角處。深層水平位移觀測是用于判別路基在填筑過程中的穩(wěn)定狀況，土體剪切破壞的位置。

5) 孔隙水壓力觀測：每個斷面布設1組，每組3～4個孔壓計。根據(jù)填筑期孔隙水壓力的變化，判斷填土過程中軟土的固結狀況，分析路基施工期穩(wěn)定狀況。

圖1　第1、2試驗路段觀測儀器布設橫斷面示意

圖2　第3試驗路段觀測儀器布設橫斷面示意

2試驗路段地質條件

試驗路段位于珠江三角洲沖積平原區(qū)，沿線存在軟弱土層，厚度一般2～10 m，地層以粉質粘土、淤泥、砂礫石層為主，下伏基巖為泥質砂巖，局部為灰?guī)r。地表高程2.0～6.3 m，地下水位埋深0.2～2.9 m。根據(jù)靜探及鉆孔揭露得到各試驗段地層及靜探指標，見表2。

第1試驗路段主要地層：1) 粉質粘土；2) 淤泥質粉質粘土；3) 砂礫層；4) 粉質粘土；5) 全-強風化砂巖。

第2試驗路段主要地層：1) 素填土；2) 淤泥、淤泥質粉質粘土；3) 粉質粘土；4) 強風化炭質灰?guī)r。

第3試驗路段主要地層：1) 素填土；2) 淤泥、含細砂淤泥；3) 含淤泥細砂、中砂；4) 淤泥質粉質粘土；5) 粗砂、礫砂；6) 強風化砂巖。

3不同樁間距樁間土沉降對比

3.1第1試驗路段

在第1試驗路段加寬路基設置2.8、3.2 m兩種樁間距，樁帽尺寸均為1.5 m，填土高度均為3.8 m。樁間土測點編號自新路肩向坡腳方向依次為1-2、2-3、3-4、4-4，觀測結果見表3。

從表3數(shù)據(jù)可以看出，樁間土累計沉降均在14.15～28.35 mm之間。樁間距為2.8 m的樁間土沉降量在17.57～25.75mm，樁間距為3.2m的樁間土沉降量在14.15～28.35 mm。填筑過程中最大沉降速率為0.33 mm/d，遠小于穩(wěn)定安全預警控制標準值。

表2　試驗路段鉆孔揭露地層情況

表3　第1試驗段不同樁間距沉降量統(tǒng)計

注：單位沉降量是指單位軟土厚度及填土高度的沉降量。下同。

比較樁間距3.2和2.8 m的樁間土沉降量可以看出，橫斷面相同位置3.2 m的樁間土沉降量均大于2.8 m的樁間土沉降量，差值分別為5.09、2.60、2.25 mm，坡腳4-4測點的沉降量幾乎相當，表明樁間距越大沉降量也越大，但兩者沉降差不大。第1試驗路段不同樁間距沉降對比見圖3。

同時還可以發(fā)現(xiàn)，同一斷面中，自新路肩向坡腳方向2-3、3-4、4-4測點的樁間土沉降量逐漸減小，呈遞減趨勢。1-2沉降量略小于2-3沉降量，可能是因為1-2位于老路斜坡處，軟土在老路基荷載作用下沉降已趨于穩(wěn)定，荷載增量相對較小。

圖3　第1試驗路段不同樁間距沉降對比

3.2第2試驗路段

在第2試驗路段加寬路基設置2種樁間距，分別是2.6、3.0 m，樁帽尺寸均為1.5 m。填土高度在3.87～5.27 m，路基荷載差異較大。樁間土測點編號自新路肩向坡腳依次為1-2、2-3、3-4、4-4，觀測結果見表4。

從表4數(shù)據(jù)可以看出，2種樁間距累計沉降均在18.63～37.40 mm之間，樁間距為2.6 m的樁間土沉降量在18.63～37.4 mm，樁間距為3.0 m的樁間土沉降量在20.6～28.40 mm。沉降量均較小且差別不大。填筑過程中最大沉降速率為0.51 mm/d，遠小于穩(wěn)定安全預警控制標準值。

表4　第2試驗段不同樁間距樁間土沉降量統(tǒng)計

比較樁間距2.6 m和3.0 m的樁間土沉降量可以看出，自新路肩向坡腳方向的樁間土沉降量基本呈遞減趨勢。第2試驗段不同樁間距沉降對比見圖4。

圖4　第2試驗段不同樁間距沉降對比

將2種樁間距按單位軟土厚度和單位填土高度的沉降量進行對比，發(fā)現(xiàn)RK55+640斷面2.6 m樁間距單位沉降量為0.69～1.39 mm/m2，RK55+670斷面3.0 m的樁間距單位沉降量在0.77～1.06 mm/m2，兩者較為接近，差異不大。

3.3第3試驗路段

將第3試驗路段分為4個段落，設計2.5、3.0 m兩種樁間距和1.2、1.5 m兩種樁帽，樁長9.0～10.0 m，樁端進入粗砂層。該路段填土高度為3.82～4.06 m，各試驗點填土荷載差異不大。沉降觀測結果見表5。

從表5可以看出，各測點的樁間土累計沉降量為21.54～54.23 mm；樁間土差異沉降量在4.61～32.06 mm，其中2個樁之間的沉降差4.61～19.21 mm，4個樁之間的沉降差為13.0～32.06 mm。填筑過程中最大沉降速率為1.54 mm/d，遠小于穩(wěn)定安全預警控制標準值。

樁帽均為1.2 m時，3 m樁間距樁間土(4樁間)沉降為54.23 mm，2.5 m樁間距沉降為41.23 mm；樁帽為1.5 m時，3 m樁間距的樁間土沉降為31.39 mm，2.5 m樁間距沉降為22.17 mm。

第3試驗路段不同樁間距和樁帽大小沉降對比曲線見圖5。

表5　第3試驗路段不同樁間距和樁帽大小實測沉降統(tǒng)計

圖5　第3試驗路段不同樁間距和樁帽大小沉降對比曲線

從圖5可以看出，樁間距越大，沉降越大。將單位軟土厚度和單位填土高度的沉降量進行對比，也顯示出同樣的規(guī)律。

4不同樁間距軟土側向位移變化

深層側向位移監(jiān)測可反映管樁加固后路基的穩(wěn)定狀況，若樁間距過大，深層軟基會存在側向擠出，加寬路基會出現(xiàn)張拉裂縫和滑動趨勢，特別是高填方加寬路堤更是如此。因此，路基側向位移的觀測是反映路堤穩(wěn)定性狀況的重要手段。

第1、2試驗路段深層水平位移統(tǒng)計結果見表6。從表6數(shù)據(jù)可知，各斷面?zhèn)认蛭灰谱畲笾禐?.6～42.2 mm，最大位移速率為0.20～1.80 mm/d，最大位移點均在淺層或地表處?？傮w上看，累計深層水平位移量和位移速率都較小，遠離安全預警值，且規(guī)律不很明顯。

表6　深層水平位移觀測結果統(tǒng)計

分析RK55深層水平位移數(shù)據(jù)可知，深層水平位移最大值為42.2 mm，出現(xiàn)在RK55+640斷面(樁間距2.6 m)，RK55+652(樁間距2.6 m)位移速率最大為1.68 mm/d，上述2個斷面填土過程中最大位移及位移速率略大于RK55+680斷面(管樁間距3.0 m)。主要原因是該路段填土厚度大，且緊挨水塘。從勘察資料看，RK55+652坡腳處軟土厚度較大。

分析LK52深層水平位移數(shù)據(jù)可知，3個測點的深層水平位移相差不大，均小于20 mm，深層水平位移最大值為19.2 mm，出現(xiàn)在LK52+480斷面(3.2 m樁間距)。

由此可以得出如下結論，試驗路段最大深層水平僅為42 mm，最大位移速率為1.8 mm/d，指標均未超過設計要求。一定范圍內的樁間距，其地基土深層水平位移的大小與填土高度、軟土厚度、性質及所處的地形地貌條件有關系。

5管樁間距優(yōu)化有限元數(shù)值模擬分析

ABAQUS軟件對巖土工程具有較強的適用性。本文采用該軟件對上述3個試驗路段進行分析研究，共設置8個計算斷面。主要研究問題如下：1) 地表沉降、路面沉降特征，最大沉降點位置及發(fā)展過程；2) 新路堤荷載下復合地基加固區(qū)和下臥層豎向附加應力分布特性；3) 比較不同樁間距、樁帽尺寸的加固效果。

有限元數(shù)值模擬計算結果見表7。從表7數(shù)據(jù)可以看出，8種工況下樁間土沉降值都很小，最大沉降是樁帽邊長1.2 m、樁間距3.0 m的工況，沉降為44.8 mm。說明管樁處理軟基控制沉降效果明顯，在增大樁間距的情況下差異沉降不很明顯。

表7　管樁試驗路段沉降有限元數(shù)值模擬計算結果

8個斷面最大沉降發(fā)生在老路斜坡靠近老路坡腳的位置，這是由于新建路堤下路基采用了剛性管樁進行加固，而老路基下沒有打樁，所以老路的工后沉降反而要大于新路，路面形成反坡。

6結論

1) 現(xiàn)場試驗最大樁間距為3.2 m，比原設計增大1.2倍，8個試驗點的樁間土累計沉降量為14.15～54.23 mm；填筑過程中最大沉降速率為1.54 mm/d，遠小于設計要求的穩(wěn)定安全控制標準值，數(shù)值模擬計算樁間距可以達到3.6 m，從而驗證了公路軟土地基管樁加固疏樁技術的可行性。

2) 對LK4試驗路段2種樁間距和2種樁帽尺寸的沉降觀測資料進行了比較，發(fā)現(xiàn)樁帽相同，樁間距越大，沉降越大；樁帽越大，則樁間土沉降量越小。將單位軟土厚度和單位填土高度的沉降量進行對比，也顯示出同樣的規(guī)律。對LK52、RK55試驗路段的沉降觀測資料進行了比較且也得出同樣的結論。

3) 各斷面?zhèn)认蛭灰谱畲笾禐?.6～42.2 mm，最大位移速率為0.20～1.80 mm/d，最大位移點均在淺層或地表處。累計深層水平位移量和位移速率都較小，遠離安全預警值。

參 考 文 獻

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Analysis of Site Test Data on Optimization of Treatment Spacing between Prefabricated Tubular Piles on Soft Foundation of Highway

WEI Shuhong

Abstract:This paper selects 3 tubular pile construction sections along some expressway and sets 8 observed sections at 5 different values of pile spacing and conducts comparative test to study key techniques in optimization of spacing between tubular piles.

Keywords:tubular pipe; spacing; optimization; test

文章編號：1009-6477(2016)02-0005-06

中圖分類號：U416.1

文獻標識碼：B

作者簡介：魏曙紅(1964-)，男，安徽省安慶市人，大專，工程師。

收稿日期：2015-09-23

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.002