蘇文豪，牛永前，董國

（1.廣東包茂高速公路有限公司，廣東 茂名525000;2.河海大學道路與鐵道工程研究所，南京 210098）

高路堤軟基加固PHC管樁承載力現(xiàn)場試驗研究

蘇文豪1，牛永前2，董國2

（1.廣東包茂高速公路有限公司，廣東 茂名525000;2.河海大學道路與鐵道工程研究所，南京 210098）

通過對包茂高速粵境段某一軟土地基上高路堤達到40m的PHC管樁加固路段現(xiàn)場實驗，對PHC管樁在施工期內(nèi)的承載力增長規(guī)律進行研究。研究結(jié)果表明，當填土高度小于30m時，樁體承載力與填土高度呈良好的線性關(guān)系，當填土高度大于30m后，試驗樁樁周土體將產(chǎn)生相對樁體向下的位移，從而使樁身出現(xiàn)負摩阻力，土體承載向樁體轉(zhuǎn)移，即樁體承載力在填土高度增加時增加的更快。

高填方；軟基加固；單樁承載力；差異沉降

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.016

1 引言

在高速公路的建設過程中，不可避免地遇到軟土地基和高填方路堤的情況，有時更有軟土地基上存在高填方的現(xiàn)象，在這種情況下，就亟需對軟弱地基進行加固處理。目前，高速公路軟基加固方法有很多，由于地基所在地域氣候環(huán)境的不同，軟基處理方法也不相同?，F(xiàn)今較為常用的軟基處理方法主要有換填墊層法、強夯法、砂石樁法、水泥土攪拌法、真空預壓法、預應力管樁法等[1]。大量的實際工程經(jīng)驗表明，預應力管樁法[2]在處理軟土地基時具有明顯的優(yōu)點，如承載力高、應用范圍廣、施工快、成樁率高、工程造價低等，因而，采用預應力管樁對高填方軟土地基路段進行加固是常用且切實可行的。

預應力管樁的樁體承載力是由多種因素共同決定的，如：樁體參數(shù)、土體性質(zhì)、含水量、樁體水泥配合比等，國內(nèi)外學者針對樁基承載問題進行了大量理論與實驗研究。程劉勇[3]通過有限差分軟件進行模擬認為斜坡樁基承載力與臨坡距和坡度

有線性關(guān)系。楊岳華[4]通過對橋下鉆孔灌注樁進行靜載試驗，從而擬定各層土樁側(cè)阻力和樁尖土層端阻力的位移函數(shù)，并建立相應的位移微分方程，為準確分析樁基承載力提供計算依據(jù)。李素華[5]以改進的適合于分層介質(zhì)內(nèi)的Mindlin解答為基礎(chǔ)，給出了按摩擦型單樁承載機理分析計算的“廣義彈性理論法”。鄭剛[6]進行了單排樁和群樁條件下路堤穩(wěn)定性離心模型實驗，對樁體破壞模式和路堤破壞因素進行了深入分析。馮忠居[7]通過陜西芝川河特大橋樁周浸水前、后的荷載實驗研究，分析了地面水對黃土地區(qū)樁基承載力的影響程度和樁體沉降變形規(guī)律。李素華[8]在考慮復雜地質(zhì)條件下樁—土和土—土相互作用的時間和空間效應的基礎(chǔ)上，將土的流變學理論與樁基承載性能綜合彈性理論法相結(jié)合，建立了一套完善、實用的樁土體系力學模型,提出并驗證了樁土承載性能時空效應分析新理論。施峰[9]通過對福州地區(qū)56根預應力高強混凝土管樁進行單樁水平靜載荷試驗，結(jié)合《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中推薦的m法計算，討論了福州地區(qū)PHC管樁的水平承載力取值問題。上述研究通過理論分析和實測擬合的方式，表明樁體的承載性能是由多種因素共同決定的，但對于在道路建設過程中，樁體承載性能與施工現(xiàn)場條件的關(guān)系問題分析較少，對于樁體承載力隨上部荷載增加的關(guān)系缺乏現(xiàn)場實驗支持。

本文依托包頭至茂名國家高速公路粵境段的K22+080～K22+280工程段，對軟弱地層上高填土路堤（填土高速40m）軟基加固項目中采用的PHC管樁單樁承載力與填土高度和施工時間的關(guān)系問題進行探討，對施工穩(wěn)定性進行分析討論。

2 實驗背景及方案

2.1 工程背景

本研究現(xiàn)場試驗在包茂高速（粵境段）K22+180典型軟基高路堤斷面展開。試驗路段的地基為廣東省常見的軟土地基，壓縮性強，承載力差，需進行地基處理。由于施工條件要求，再加上當?shù)貧夂驐l件高溫多雨，巖土工程中常用的地基處理方法（超載預壓法，換土墊層法等）并不適用[10]，因此，采用了PHC管樁加固的復合地基處理方式。測量段K22+180軟基高填方橫斷面如圖1所示，路堤填土高達40m。通過移動式靜力觸探車對試驗段進行地質(zhì)勘探，得到測量段地基土層分布情況如圖2所示。

圖2 K22+180地基土層地質(zhì)圖

K22+180路段管樁按正方形布置，樁距2m。由圖1、圖2可知，測量斷面路堤填土高，尺寸大，因此，同一斷面下地基地質(zhì)狀況較為復雜，地基土層分布存在差異。盡管如此，地質(zhì)鉆孔結(jié)果表明，軟土層厚度差別不大，約為5～7m，因施工時管樁在稍硬土層便不再下沉，加固管樁樁長也略有差異，約16～19m。管樁的尺寸及參數(shù)見表1。地基加固后，使用重型壓路機分層碾壓填筑填土，填土以及各鉆孔地基土的巖土力學參數(shù)見表2。

表1 PHC管樁參數(shù)

表2 填土以及地基土的巖土力學參數(shù)

2.2 實驗方案與儀器

對于本課題的PHC管樁加固的軟基高填方路堤，K22+180試驗斷面主要測量內(nèi)容為樁頂荷載、樁身沉降以及相應水平位移等，實驗方案的具體儀器埋設位置見圖1。其中，沉降計為電測傳感器，鉆孔埋設，測試基點錨固在深層基巖不動層中[11]。為了對樁身沉降進行觀測，將沉降計錨固在樁帽底部縱筋一側(cè)，再澆筑樁帽，如圖3所示。樁頂荷載采用電測壓力傳感軸力計測量，三個軸力計三角對稱布置，夾于兩片2cm厚鋼板內(nèi)，中間空隙采用輕質(zhì)泡沫填充，一同固定在樁頂，形成一組荷載測試單元，安裝完畢后，再進行樁帽制作，如圖4所示。

圖3 樁身沉降計及其安裝示意圖

圖4 樁頂軸力計安裝示意圖

3 實驗結(jié)果分析

本實驗過程中，詳細記錄了包茂高速粵境段K22+180路段樁頂荷載和樁身沉降隨填土高度和施工工期的變化情況。

3.1 樁體承載力與路堤填土高度分析

圖5給出了樁體承載力隨填土高速增加而變化的情況。

圖5 樁頂荷載與填土高度關(guān)系曲線圖

從圖5中可以看出，對于埋設于K22+180路段左側(cè)距路基中線13m、19m、25m和32m的PHC管樁，在路堤填土高度達到30m之前，樁身承載與填土高度呈線性相關(guān)的關(guān)系，在填土高度在30～37m的過程中，雖然樁身承載與填土高度仍然是線性相關(guān)，但其坡率比之前增長較大，說明在填土高度達到30m的時候，樁體出現(xiàn)了某種變化，導致了這種現(xiàn)象。

為對該現(xiàn)象進行分析研究，圖6給出了埋設于左側(cè)距路基中線41m處樁側(cè)沉降計和樁間沉降計測量出的沉降、路堤填土高度和施工時間的關(guān)系曲線。

圖6 沉降、路堤填土高度和施工時間的關(guān)系圖

在圖6中，容易發(fā)現(xiàn)當填土高度到26m，施工時間90d時，路基左側(cè)距中線41m處樁間土體沉降開始明顯大于樁體沉降量直至沉降趨穩(wěn)，這表明在填土過程中存在某一個填土高度使得樁-土出現(xiàn)差異沉降，由于樁周圍土體相對樁身產(chǎn)生向下位移，這樣使樁身承受向下作用的負摩擦力，在此過程中，樁體承載力增加速率比土體未產(chǎn)生下移時更大。圖5中樁頂承載力在30m處出現(xiàn)變化，可以表明在填土高度達到30m時，所測樁體樁周土體產(chǎn)生相對樁體的下移現(xiàn)象，導致樁身產(chǎn)生負摩阻力，同時,樁土復合地基由土體承擔的部分荷載慢慢向樁體過渡，從而導致樁體承載力與填土高度曲線出現(xiàn)斜率變大現(xiàn)象。對于圖5中各試驗樁樁端承載力測量值出現(xiàn)不同規(guī)律現(xiàn)象，分析認為其原因是實際施工時PHC管樁實際長度不同以及地質(zhì)的差異導致樁周土在不同的荷載下產(chǎn)生下移現(xiàn)象。

3.2 樁體承載力與施工時間分析

本項目在試驗段進行了半年的施工期觀測，根據(jù)PHC管樁樁體承載力與施工時間的關(guān)系，繪制圖7曲線。

由圖7可知，在施工期35d內(nèi)，樁體承載力隨著填土高度的增加而增加，在雨季施工停滯時，樁體承載力不出現(xiàn)大變化，在雨季結(jié)束后，樁體承載力再次隨著填土高度的增加而增加，隨著施工結(jié)束，填土高度達到設計值，樁體承載力隨時間而逐漸趨于某一固定值。

圖7 樁體承載力與施工時間關(guān)系圖

圖中樁體承載力曲線表明，試驗樁在施工后期其承載力趨穩(wěn)，不出現(xiàn)樁體承載力激增或銳減現(xiàn)象，說明施工結(jié)束后，PHC管樁承載穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)樁體破壞或樁體刺入而失穩(wěn)的現(xiàn)象，從樁體承載力分析，試驗段軟基路堤PHC管樁加固效果良好，整體穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文通過現(xiàn)場試驗對高路堤下軟土地基加固中PHC管樁樁體承載力進行了實測研究，主要結(jié)論如下：

1）高路堤下軟土地基加固施工期內(nèi)，在路堤填土較低時（本試驗段為30m以下），PHC管樁的樁體承載力與填土高度呈現(xiàn)穩(wěn)定的線性相關(guān)關(guān)系。

2）高路堤下軟土地基加固施工期內(nèi)，在路堤填土到達某一限值時（本試驗段為30m），PHC管樁樁周土體產(chǎn)生相對樁體的下移現(xiàn)象，導致樁身產(chǎn)生負摩阻力，同時樁土復合地基由土體承擔的部分荷載慢慢向樁體過渡。

3）在本文試驗路段，在施工結(jié)束后，高填軟土下PHC管樁樁體承載力趨穩(wěn)，從現(xiàn)有觀測結(jié)果分析，試驗段軟基路堤PHC管樁加固效果良好，樁-土復合地基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

【1】郭院成,張浩華,周同和.高速公路高填方軟基處理方法的對比分析[J].鄭州大學學報(工學版),2002(2):31-33.

【2】王曦.預應力管樁復合地基設計與施工技術(shù)分析[J].中外建筑, 2014（8）:157-159.

【3】程劉勇,陳善雄,余飛,許錫昌,李劍,秦尚林.豎向荷載下斜坡樁基承載力及影響因素數(shù)值研究[J].科學技術(shù)與工程,2013(18):5399-5403+5422.

【4】楊岳華,劉永健,鄧淑飛,金輝.沉降控制的單樁豎向承載力及其數(shù)值分析方法[J].公路工程,2008(4):133-136.

【5】李素華,周健,殷建華.樁基承載性能時空效應新理論[J].建筑監(jiān)督檢測與造價,2008(1):28-34.

【6】鄭剛,李帥,刁鈺.剛性樁復合地基支承路堤穩(wěn)定破壞機理的離心模型試驗[J].巖土工程學報,2012(11):1977-1989.

【7】馮忠居,馮瑞玲,趙占廠,謝永利.黃土濕陷性對橋梁樁基承載力的影響[J].交通運輸工程學報,2005(3):60-63.

【8】李素華,周健,殷建華, 洸楊位 .摩擦型單樁承載性能設計理論研究[J].巖石力學與工程學報,2004（15）:2659-2664.

【9】施峰,郝世龍.PHC管樁水平承載力試驗研究[J].巖土力學,2015（S2）:617-622.

【10】JTJ 017—1996公路軟土地基路堤設計與施工技術(shù)規(guī)范[S].

【11】李國維,胡龍生,王虎子,王潤.軟土地基大變形位移計研制與工程應用[J].公路交通科技,2013（5）:30-37.

The Field Test Research on the High Embankment Soft Soil FoundationTreatment PHC Pile Bearing Capacity

SU Wen-hao1,NIUYong-qian2,DONGGuo2
(1.GuangdongBaomaoFreewayCo.Ltd.,Maoming 0250000,China；2.Hehai InstituteofHighwayandRailwayEngineering,Nanjing 210098,China)

BasedontheBaoMaoHighwayGuangdongSectionofaSoftreach40mhighembankmentreinforcementofPHCpilesectionsof fieldexperiments,thestudyofPHCpilebearingcapacitygrowthlawintheconstructionperiod.Theresultsshowthatwhenthefillingheightof less than 30m,bearing capacityof piles and fill height was a good linear relationship,when the filling height is greater than 30m,test pile surroundingsoilwillproduceadownwarddisplacementoftheoppositepile,sothatthepileofnegativefrictionresistanceofsoiltopilecarrier transferthatpilebearingcapacityincreasedfillingheightincreasesfaster.

highfill;softsoilfoundationtreatment;bearingcapacityofpile;differentialsettlement

U416.1+2

A

1007-9467（2016）07-0073-04

2016-08-26

廣東省交通運輸廳科技項目（2011(794)-02-021)

蘇文豪（1985～），男，海南文昌人，工程師，從事高速公路建設研究，（電子信箱）195798638@qq.com。