預(yù)應(yīng)力管樁處理高速公路軟土地基設(shè)計(jì)研究

李志偉

（天津?yàn)I海新區(qū)投資控股有限公司 天津 300457）

由于預(yù)應(yīng)力管樁可工廠化生產(chǎn)、成樁質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)大量應(yīng)用于高等級(jí)公路深厚軟土地基處理，特別是在高速公路的改擴(kuò)建工程中得到了廣泛的應(yīng)用。但管樁復(fù)合地基處理方法的理論研究還在發(fā)展中，在工程實(shí)踐中也暴露出許多問(wèn)題。本文針對(duì)預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基的組成形式及變形的特點(diǎn)，研究了路堤荷載下地基的沉降及復(fù)合地基承載力的計(jì)算方法。

1 預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基組成及變形特性

預(yù)應(yīng)力管樁組成的復(fù)合地基通過(guò)在樁的頂部設(shè)置樁帽，由樁帽和樁帽下的管樁組成組合單樁，同時(shí)在樁帽頂部設(shè)置碎石加筋墊層與樁帽之間的土體構(gòu)成復(fù)合地基，見(jiàn)圖1。一般管樁的間距大于6倍樁徑，按疏樁基礎(chǔ)中的組合單樁的受力模式來(lái)考慮，而對(duì)于整個(gè)地基則按復(fù)合地基的受力模式來(lái)進(jìn)行考慮［1］。

圖1 預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基

采用預(yù)應(yīng)力管樁處理高速公路軟土地基，其設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包含以下方面：①樁長(zhǎng)。樁長(zhǎng)原則上應(yīng)穿透軟弱土層到達(dá)強(qiáng)度相對(duì)較高的土層；②間距、樁帽大小。樁間距和樁帽大小按控制沉降量和承載力為原則選取，原則上樁距大于6倍樁徑［2］，一般為2.5～3.0 m，樁帽大小1.5 m×1.5 m，厚度根據(jù)設(shè)計(jì)荷載和抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算；③為充分發(fā)揮樁土共同工作，在樁帽的頂部設(shè)置40～50 c m的碎石墊層，一般在墊層中設(shè)置土工格柵或土工格室，以加強(qiáng)墊層的整體剛度，從而形成強(qiáng)度較大的樁－格柵墊層復(fù)合地基。

由于軟基上高速公路的路堤荷載較小，而預(yù)應(yīng)力管樁本身的強(qiáng)度較高，管樁復(fù)合地基的承載力容易滿足設(shè)計(jì)要求。所以一般按沉降控制設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，即先按沉降控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，使地基的計(jì)算沉降量小于允許沉降量，然后驗(yàn)算地基承載力是否滿足要求。其實(shí)質(zhì)就是以控制地基的沉降量為原則，讓樁間土體主動(dòng)承載，發(fā)揮樁土共同作用的設(shè)計(jì)方法。

根據(jù)高速公路的荷載特點(diǎn)，在沉降滿足要求的條件下，地基承載力一般情況大部分能滿足要求。如承載力不能滿足要求，適當(dāng)增加復(fù)合地基置換率（減小樁間距）或增加樁體直徑等方法，也能使承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

2 預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

預(yù)制管樁與周?chē)馏w一起組成復(fù)合地基，見(jiàn)圖2，樁帽以下的土體與樁體及樁帽組成組合單樁，組合單樁與樁帽間的土體共同工作。在加荷時(shí)對(duì)摩擦樁而言，樁帽間土和組合單樁同時(shí)受力并發(fā)生變形，樁側(cè)摩阻力形成并起主要作用，樁端阻力未充分發(fā)揮，樁身處于彈性壓縮階段，由于組合單樁與樁間土剛度不同，發(fā)生變形不協(xié)調(diào)，在加筋墊層的作用下，樁所分配的荷載逐漸增大，進(jìn)而樁開(kāi)始下沉，如此往復(fù)，最終達(dá)到樁土變形協(xié)調(diào)。

圖2 計(jì)算圖式

2.1 沉降計(jì)算

帶帽單樁復(fù)合地基的沉降計(jì)算需要考慮墊層－組合樁－土體的共同作用，這使得沉降計(jì)算問(wèn)題變得非常復(fù)雜，為使問(wèn)題的復(fù)雜性得以適當(dāng)簡(jiǎn)化，作如下假定：

（1）樁帽類似于起剛性板作用，可將樁帽、樁體和樁帽下土體視為一個(gè)復(fù)合樁體，狹義上說(shuō)，復(fù)合樁體可看成是一種特殊的無(wú)帽單樁，從該角度考慮，無(wú)帽單樁是帶帽單樁的一種特殊情況。帶帽單樁復(fù)合地基等效單元體則是由復(fù)合樁體與復(fù)合樁周土體（即樁帽間土體）所組成，考慮復(fù)合樁體與復(fù)合樁周土體之間的摩擦阻力作用，不考慮樁體與樁帽下土體之間的摩擦阻力，且復(fù)合樁體與樁帽間的土體變形協(xié)調(diào)。

（2）復(fù)合樁體中樁和樁帽下土體共同工作，樁帽下的土體在樁帽承載作用的影響下可以隨樁身一起發(fā)生變形，且豎向變形量與樁身壓縮量相同。復(fù)合樁體的壓縮變形量可以用帶帽樁身壓縮量來(lái)代替。

（3）考慮樁體的影響和土層的不均質(zhì)性，按地質(zhì)分層，即可把加固區(qū)復(fù)合樁周土體簡(jiǎn)化成層狀地基，同層土體可視為均質(zhì)。

2.2 沉降計(jì)算方法

預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基的沉降包括兩部分：①加固區(qū)的沉降S1；②下臥層的沉降S2。根據(jù)以上假定，沉降計(jì)算可采用“二次復(fù)合”的方法進(jìn)行計(jì)算，即樁體和樁帽下的土體組成組合單樁，其復(fù)合模量為Esp，再由組合單樁與樁帽間土體組成復(fù)合地基，整個(gè)復(fù)合地基的復(fù)合模量為Esps。

當(dāng)已知復(fù)合單樁的置換率m1、組合單樁與整個(gè)復(fù)合地基的置換率m2、各土層的壓縮模量Es及管樁的壓縮模量EP，可按以下方法計(jì)算管樁復(fù)合地基的復(fù)合模量。管樁及樁帽下土體組成的組合單樁的復(fù)合模量Esp為

而整個(gè)加固區(qū)復(fù)合模量Esps的計(jì)算方法見(jiàn)式（2）。

式中：m1為復(fù)合單樁的置換率樁的面積；A1為樁帽的面積；m2為組合單樁與整個(gè)復(fù)合地基的置換率，A＝l2，l為管樁的間距。

下臥層沉降量采用分層總和法進(jìn)行計(jì)算，預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基的沉降計(jì)算方法見(jiàn)式（3）

n式中：n1為加固區(qū)的土層數(shù)；n2為總土層數(shù)；ΔPi，ΔPj為各土層的附加應(yīng)力，k Pa；Δhi，Δhi為各土層的分層厚度，m；ψ為沉降修正系數(shù)，一般取1.0～1.3。

壓縮層的厚度應(yīng)符合式（4）的要求。如確定的計(jì)算深度下部仍有軟土層時(shí)，應(yīng)繼續(xù)計(jì)算。

式中：Δs′n為在計(jì)算深度范圍內(nèi)，第i層土的計(jì)算變形值；Δs′i為在計(jì)算深度向上取厚度為Δz的土層計(jì)算變形值，Δz按表1確定。

表1 Δz值

2.3 承載力驗(yàn)算

2.3.1 單樁承載力

單樁承載力由樁側(cè)土強(qiáng)度計(jì)算［3］，其計(jì)算方法見(jiàn)式（5）

式中：Rdk為樁的設(shè)計(jì)承載力，k N；u為樁周長(zhǎng)，m；Ap為管樁截面積，m2；qR為樁端承載能力，k N／m2；qsi為樁周第i層土的極限摩阻力，k N／m2；li為樁周第i層土分層厚度，m；α為折減系數(shù)，取0.45；γR為荷載分項(xiàng)系數(shù)，可取為1.45。

2.3.2 復(fù)合地基承載力驗(yàn)算

式中：fsp為復(fù)合地基承載力，k Pa；β為樁間土應(yīng)力發(fā)揮系數(shù)，取0.9；fsk為天然地基承載力，k Pa；A1為樁帽的面積，m2；l為管樁的間距，m。

3 結(jié)論

（1）采用預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基處理高速公路深厚軟土地基，具有施工方便及質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)，能有效減少地基的工后沉降量。根據(jù)高速公路本身的荷載特點(diǎn)，先按沉降控制要求進(jìn)行管樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)，使地基的計(jì)算沉降量小于允許沉降量，然后驗(yàn)算地基承載力是否滿足要求。

（2）加固區(qū)的沉降可采用“二次”復(fù)合的方法進(jìn)行計(jì)算，即先由管樁與樁帽以下的土體組成組合單樁，計(jì)算出第一次復(fù)合模量；再由第一次計(jì)算的復(fù)合模量與與樁帽之間的土體進(jìn)行第二次復(fù)合，計(jì)算出整個(gè)加固區(qū)的復(fù)合模量，即可較為方便地計(jì)算地基的總沉降量。

［1］ 河海大學(xué)，滬寧高速公路股份有限公司.交通土建軟土地基工程手冊(cè)［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］ JTJ254－98港口工程樁基規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，1998.

［3］ 閻明禮，張東剛.CFG樁復(fù)合地基技術(shù)及工程實(shí)踐［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2001.