PHC管樁在淤泥質(zhì)土道路地基處理中的沉降分析

張洪毓 李乾威 姚孟龍 葛國強

中國建筑第二工程局有限公司華南分公司 廣東 深圳 518048

廣東湛江市存在大范圍的軟塑-流塑狀淤泥質(zhì)、泥炭質(zhì)軟土地質(zhì)，該類型軟土埋深淺，層厚大，具有天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強度低、滲透系數(shù)小等特點。湛江市某市政一級道路地基屬于該類型軟土，道路路基原設(shè)計采用水泥粉煤灰碎石（CFG）樁處理，對12根CFG樁進行試樁后發(fā)現(xiàn)，CFG樁的成樁質(zhì)量極差，所有CFG樁均出現(xiàn)了樁身不完整頸縮和斷樁離析的情況，無法滿足地基處理要求。

為解決地基處理過程中的斷樁等問題，參考目前國內(nèi)類似工程案例[1-3]，在與設(shè)計院討論研究后，項目決定改用預(yù)應(yīng)力高強度混凝土（PHC）管樁對路基軟土進行道路地基處理。在對PHC管樁處理后的軟基進行檢測發(fā)現(xiàn)，PHC管樁單樁承載力好，對軟塑-流塑狀淤泥質(zhì)、泥炭質(zhì)軟土路基處理效果顯著，解決了CFG樁在該地區(qū)處理軟基時面臨的成樁難、單樁強度低的問題。

1 工程概況

湛江市某市政一級道路工程起于霞山區(qū)百蓬百儒片區(qū)，止于麻章片區(qū)，路線全長21.916 km。工程場區(qū)內(nèi)分布的軟土有淤泥質(zhì)土①、泥炭質(zhì)土、淤泥質(zhì)土②等，軟土下臥層為硬塑狀粉質(zhì)黏土。根據(jù)現(xiàn)場的地勘鉆探揭露，上述軟土地質(zhì)的土層情況如下：

淤泥質(zhì)土①：灰黑色，軟塑。含少許粉細砂及腐木碎屑。鉆探揭示層厚0.60～8.30 m，層頂埋深0～6.80 m，層頂標(biāo)高5.38～20.42 m，屬Ⅰ級松土。經(jīng)土工試驗測定，其天然含水量35.0%，天然密度1.82 g/cm3，液性指數(shù)1.78，黏聚力7.3 kPa，內(nèi)摩擦角5.3°，壓縮系數(shù)0.785 MPa－1。

泥炭質(zhì)土：黑色，軟塑。成分以黏粒為主，粉粒次之，富含有機質(zhì)，臭味，含少量粉砂，有機質(zhì)含量15%～20%。鉆探揭示層厚2.50～11.80 m，層頂埋深0～0.60 m，層頂標(biāo)高20.27～21.24 m，屬Ⅰ級松土。其天然含水量48.1%，天然密度1.73 g/cm3，液性指數(shù)1.09，黏聚力7.9 kPa，內(nèi)摩擦角5.5°，壓縮系數(shù)1.27 MPa－1。

淤泥質(zhì)土②：灰黑色，軟塑。成分以黏粒為主，粉粒次之，富含有機質(zhì)，臭味，含少量粉砂。鉆探揭示層厚0.50～11.00 m，層頂埋深0～2.40 m，層頂標(biāo)高17.89～22.22 m，屬Ⅰ級松土。其天然含水量38.9%，天然密度1.75 g/cm3，液性指數(shù)0.87，黏聚力9.0 kPa，內(nèi)摩擦角7.1°，壓縮系數(shù)0.94 MPa－1。

粉質(zhì)黏土（硬塑）：黃褐色，可塑，局部呈硬塑。由玄武巖風(fēng)化殘積形成，土質(zhì)不均勻，黏性一般。層厚1.50～11.40 m，層頂埋深3.60～39.60 m，層頂標(biāo)高－17.55～16.75 m，屬Ⅱ級普通土。其天然密度1.90 g/cm3，黏聚力28.0 kPa，內(nèi)摩擦角15°。

為了解決CFG樁在軟土地區(qū)成樁質(zhì)量差、易斷樁的問題，結(jié)合以往項目的成功經(jīng)驗，與設(shè)計院研究討論之后，修改了本項目道路地基處理方案：將場區(qū)內(nèi)CFG樁改為PHC-400-A預(yù)應(yīng)力管樁作為復(fù)合地基的增強體，以粉質(zhì)黏土（硬塑）為樁端持力層，樁體按正方形布置，樁間距2 m（圖1）。

圖1 管樁平面布置

為保證樁體進入粉質(zhì)黏土（硬塑）持力層，現(xiàn)場在壓樁過程中以最后2 m送樁長度的錘擊數(shù)為指標(biāo)，保證最后2 m送樁的錘擊數(shù)不小于6擊且每進尺1 m不小于3擊。柴油錘采用HD62筒式柴油打樁錘，若錘擊數(shù)不達標(biāo)則需增加樁長。

2 單樁沉降量試算

地基處理使用的φ400 mmPHC管樁均為成品預(yù)制樁，長度相對固定，而現(xiàn)場樁位布置較密，場地詳勘的勘探點數(shù)量無法覆蓋一樁一孔，管樁進入持力層深度和厚度情況不明。因此，需對管樁的單樁沉降量進行試算，確定現(xiàn)場使用的PHC管樁樁長。

預(yù)估管樁穿越泥炭質(zhì)土和粉質(zhì)黏土（硬塑），管樁樁長取9、10、11、12 m。根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[4]中的單樁沉降計算方法，按考慮樁徑影響的明德林解計算附加應(yīng)力后，用分層總和法計算沉降量。計算結(jié)果見表1。

經(jīng)試算，9～12 m長PHC管樁的預(yù)計沉降量在110 mm左右，增加樁長對減小單樁沉降量的效果不明顯。

3 現(xiàn)場試驗

通過現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，大部分管樁最后2 m的錘擊數(shù)在10～20擊之間，極少數(shù)錘擊數(shù)不達標(biāo)的樁體通過增加樁長均能達到不小于6擊的收錘標(biāo)準(zhǔn)。

表1 單樁沉降量試算結(jié)果

為檢測單樁承載力，采用單樁豎向抗壓承載力試驗抽檢5根復(fù)合地基PHC管樁增強體的單樁承載力，加載方式采用單循環(huán)快速維持荷載法，利用電子位移計采集位移數(shù)據(jù)，試驗現(xiàn)場如圖2所示。試驗結(jié)果如表2、圖3所示。

圖2 現(xiàn)場單樁靜載試驗

表2 試驗結(jié)果

圖3 單樁荷載-位移曲線

對5根豎向增強體的單樁靜載試驗顯示，所有樁均還有較多的承載力富余量。對比B-9-92、B-8-56、B-81-10、Z-111-30、Z-113-8的單樁極限沉降量發(fā)現(xiàn)，樁長對單樁極限沉降量的控制效果較小，增加樁長并不能明顯控制單樁的沉降量；與理論計算中的試樁計算沉降量對比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場實測的單樁沉降量明顯低于計算沉降量，該情況表明，地勘報告中提供的地層力學(xué)性能參考值對現(xiàn)場實際地層的力學(xué)性能有明顯的低估，樁周土的承載力富余量較大。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 模型參數(shù)選取

參考目前的研究成果和現(xiàn)場采集土樣的土工試驗數(shù)據(jù)，土體建模參數(shù)如表3所示[4]。

表3 土層參數(shù)

PHC管樁樁體建模參數(shù)如下：密度取2 500 kg/m3，泊松比為0.2，彈性模量為3.15×1010Pa。

4.2 模型分析

考慮到規(guī)范計算結(jié)果和現(xiàn)場差別過大，為更全面地反映PHC管樁在軟基處理中樁-土之間的相互作用，本文采用ABAQUS有限元分析軟件對本工程的單樁受力情況進行分析。

考慮到土體的非線性，現(xiàn)實中管樁沉樁時采用鋼制樁帽進行封口進樁，故建模過程中對模型作出以下假設(shè)[5]：

1）土體采用Mohr-Coulomb模型進行建模。

2）不考慮溫度應(yīng)力的影響。

3）不考慮PHC管樁沉樁時樁中心孔洞的土塞效應(yīng)。

4）PHC管樁按照線彈性模型進行考慮。

模型樁長取11 m，豎直計算深度取25 m，水平計算寬度取25 m，淤泥質(zhì)土厚取4 m和8 m，其余土層為硬塑粉質(zhì)黏土。

軟土和粉質(zhì)黏土下臥層的材料參數(shù)按照土工試驗的結(jié)果進行創(chuàng)建后，為進行地應(yīng)力平衡，對模型左右兩端的水平位移進行約束，對模型底部的水平、豎直位移進行約束（圖4）[6]。

圖4 樁-土模型網(wǎng)格劃分

4.3 結(jié)果分析

模型計算結(jié)果顯示：在800 kN豎向力的作用下，厚4 m淤泥質(zhì)土的管樁最大沉降量為118.653 mm；厚8 m淤泥質(zhì)土的管樁最大沉降量為126.202 mm（圖5、圖6）。

圖5 厚4 m的淤泥質(zhì)土樁體位移效果

圖6 厚8 m的淤泥質(zhì)土樁體位移效果

數(shù)值模擬的單樁最大沉降與理論計算結(jié)果的最大沉降相差不大，和實測最大沉降也相差較大，側(cè)向證明了地勘報告中提供的地層力學(xué)性能參考值對現(xiàn)場實際地層有明顯的低估，地基土的力學(xué)性能未能充分發(fā)揮。

考察2種工況下的樁周土受力情況（圖7、圖8）發(fā)現(xiàn)，樁周土體受力主要集中在樁端處，樁體進入硬塑狀粉質(zhì)黏土層越短，在樁長不變的情況下，淤泥質(zhì)土與硬塑狀粉質(zhì)黏土交界面處的邊界效應(yīng)越顯著，界面處的硬塑狀粉質(zhì)黏土對樁體產(chǎn)生的側(cè)阻力越大。

圖7 厚4 m的淤泥質(zhì)土樁周土應(yīng)力云圖

圖8 厚8 m的淤泥質(zhì)土樁周土應(yīng)力云圖

結(jié)合樁體位移效果圖與應(yīng)力云圖，在樁長一致的情況下，淤泥質(zhì)土的厚度對單樁沉降的影響并不明顯，單樁沉降量主要由樁端處硬塑狀粉質(zhì)黏土控制。

在對樁周土的應(yīng)力云圖和AC YIELD云圖（圖9、圖10）對比時發(fā)現(xiàn)，厚8 m淤泥質(zhì)土中的樁周土在受荷后會率先進入塑性位移狀態(tài)，樁周土的破壞主要集中在樁端的硬塑粉質(zhì)黏土和樁側(cè)的淤泥質(zhì)土。

分析粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)土的交界面樁周土破壞情況發(fā)現(xiàn)，硬塑狀粉質(zhì)黏土的樁端阻力優(yōu)先于樁側(cè)阻力的發(fā)揮。

5 結(jié)語

本工程采用規(guī)范分析法、數(shù)值模擬和現(xiàn)場單樁承載力試驗對處理淤泥質(zhì)土的PHC管樁的單樁沉降量進行分析研究。對淤泥質(zhì)土-硬塑狀粉質(zhì)黏土地層，利用PHC管樁單樁作為豎向增強體后的單樁沉降量試算分析表明，增加樁長對減沉效果的提高并不明顯。

圖9 厚4 m的淤泥質(zhì)土樁周土AC YIELD云圖

圖10 厚8 m的淤泥質(zhì)土樁周土AC YIELD云圖

對軟基處理段的5根PHC管樁單樁承載力測試后發(fā)現(xiàn)，PHC管樁對軟塑-流塑狀淤泥質(zhì)、泥炭質(zhì)軟土軟基的處理具有明顯的減沉效果。

本工程對PHC管樁處理淤泥軟土路基的研究表明，在湛江地區(qū)的淤泥質(zhì)土-硬塑狀粉質(zhì)黏土層中，盲目地增加樁長并不能有效地減小單樁沉降。對于湛江地區(qū)的淤泥質(zhì)土和硬塑狀粉質(zhì)黏土層，單樁承載力的發(fā)揮主要依靠樁端區(qū)硬塑狀粉質(zhì)黏土層提供的樁端阻力，端阻力優(yōu)先于側(cè)阻力的發(fā)揮。淤泥質(zhì)土的存在和硬塑狀粉質(zhì)黏土的加深并沒有明顯限制樁端阻力的發(fā)揮，樁端阻力仍是單樁承載力的主要提供項。以最后2 m送樁長度的錘擊數(shù)作為收錘標(biāo)準(zhǔn)，可作為判定管樁樁端區(qū)是否進入穩(wěn)定持力層的有效參考。