剛性樁復(fù)合地基單樁承載力與復(fù)合地基承載力關(guān)系探討

楊杰，楊浩

（1．安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230031;2．正德人力資源股份有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

軟土具有大孔隙比、高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度、流變性等特點(diǎn)，道路建設(shè)中的軟土路段應(yīng)結(jié)合地質(zhì)詳勘資料及工程建設(shè)的特點(diǎn)選擇合理的處置方案進(jìn)行處理[1-2]。

剛性樁復(fù)合地基是以摩擦型剛性樁作為豎向增強(qiáng)體的復(fù)合地基。如鋼筋混凝土樁、素混凝土樁、預(yù)應(yīng)力管樁、大直徑薄壁簡(jiǎn)樁等[2-5]。

在設(shè)計(jì)工作中，公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則中明確剛性樁可不驗(yàn)算復(fù)合地基承載力，而采用單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值與樁頂上的荷載壓力乘以建筑物樁基重要系數(shù)后進(jìn)行比較。這一提法與常規(guī)的采用單樁承載力及復(fù)合地基承載力進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的思路有所不同。

本文結(jié)合路基設(shè)計(jì)規(guī)范及細(xì)則內(nèi)容，結(jié)合某二級(jí)公路的特殊路基處理方案資料，對(duì)剛性樁處治的路基段落的復(fù)合地基承載力與單樁承載力之間關(guān)系進(jìn)行分析，為設(shè)計(jì)工作提供參考。

2 工程概況

①道路概況

該建設(shè)工程為二級(jí)公路，路基設(shè)計(jì)寬度17m，路面寬度15．5m，設(shè)計(jì)時(shí)速60km/h，是連通縣、鎮(zhèn)、地方的重要交通道路，該段軟土分布范圍廣，設(shè)計(jì)繞行的代價(jià)過大，因此必須對(duì)該段路基進(jìn)行特殊路基處理。

②地形地貌

軟土分布區(qū)地貌單元為江淮波狀平原區(qū)，微地貌為河漫灘，地勢(shì)平坦，K24+288～K25+050 段地面標(biāo)高一般在8．55～12．10m 之間，K25+514～K29+881 段地面標(biāo)高一般在4．50～6．44m之間。

③水文地質(zhì)

本次勘察地下水屬于第四系松散孔隙水，埋深較淺。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，地表水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土中的鋼筋均具有微腐蝕性。

④地震

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2001），本場(chǎng)地的地震動(dòng)峰值加速度為0．05g。

3 軟土分布及巖土參數(shù)

該段主要分布的是②層軟土，層厚2．1～22．0m，下臥層為④層粉質(zhì)粘土。軟土主要由淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土組成，青灰色-灰褐色，稍濕，流塑～軟塑，濕～飽和，厚度約在2．1～22．0m。承載力基本容許值70kPa。

本路段均為填方路基。由于軟土沉積時(shí)間短、固結(jié)性差，具有含水量大、壓縮性高、承載力低、滲透系數(shù)小、易變形等特點(diǎn)，工程性質(zhì)差。由于軟土層的容許承載力低，易引起路堤失穩(wěn)或沉降過大，不能滿足公路工程建設(shè)的需求。危害主要表現(xiàn)在易造成構(gòu)筑物開裂、路基變形、路堤滑移等，破壞工程的整體性。對(duì)相間分布工程地質(zhì)性質(zhì)差的軟弱土層等均應(yīng)進(jìn)行處理，確保工程安全。

根據(jù)勘察結(jié)果，推薦地基處理設(shè)計(jì)參數(shù)詳見表1。

表1 軟土地基設(shè)計(jì)參數(shù)推薦表

4 計(jì)算分析

4.1 設(shè)計(jì)方案

選取K27+445 至K27+820 段特殊路基處理段落作為研究對(duì)象，地勘資料揭示，該段軟土層最厚達(dá)22～30m ,且最大路基填高約6～8m，具有典型性。一般路段采用的雙向水泥攪拌樁在設(shè)計(jì)計(jì)算及施工工藝上均很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)采用PHC 預(yù)制管樁進(jìn)行復(fù)合地基處理。

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（PHC）樁型為A300（70），樁長(zhǎng)打穿軟土層進(jìn)入相對(duì)持力層，一般路段樁間距為2．7m，平行于線路走向，正三角形布設(shè)?；炷劣行ьA(yù)壓應(yīng)力4．0N/mm2，極限彎矩檢驗(yàn)值27kN·m，開裂彎矩檢驗(yàn)值25kN·m，開裂剪力檢驗(yàn)值96kN。

樁頭設(shè)置樁帽，樁帽1．2m×1．2m×0．3m，強(qiáng)度不小于C20，配一層鋼筋網(wǎng)片。

4.2 單樁承載力計(jì)算

《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/TD31-02-2013）采用單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值與樁頂上的荷載壓力乘以建筑物樁基重要系數(shù)后進(jìn)行比較，即要求[6]：

式中：γ0—建筑物樁基重要系數(shù)，取1．1；R—單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值（kN）。

單樁豎向承載力計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 單樁豎向承載力計(jì)算結(jié)果

4.3 樁頂上的荷載壓力計(jì)算

式中：σsu—作用在樁間土上的應(yīng)力（kPa）；

Kp—被動(dòng)土壓力系數(shù)，；

φ—路堤填料的內(nèi)摩擦角（°）；

γ—路堤填料的重度（kN/m3）；

S—樁間距（m）；

b—樁帽寬度（m）；

δ—樁帽寬度與樁間距之比。

該隱式方程手動(dòng)求解很難計(jì)算，計(jì)算中采取將式（2）、式（3）帶入式（4）式中進(jìn)行計(jì)算，得到關(guān)于α 的隱式方程，然后利用WPS 軟件中的規(guī)劃求解功能進(jìn)行迭代計(jì)算。在計(jì)算表格中，單擊菜單欄中“數(shù)據(jù)”“模擬分析”“規(guī)劃求解”，結(jié)合帶入整理后的公式，將HS2r 值所在單元格設(shè)定為目標(biāo)值，待定系數(shù)α 所在單元格設(shè)定為可變單元格，公式所在單元格設(shè)置為目標(biāo)單元格，點(diǎn)擊求解，即可根據(jù)設(shè)定好的相關(guān)土工參數(shù)進(jìn)行迭代計(jì)算，可求出相應(yīng)的待定系數(shù)α，從而可以進(jìn)一步求解出樁間土應(yīng)力及樁頂?shù)暮奢d壓力。

計(jì)算過程需注意，以填高5m、樁間距2．7m、樁帽寬度1．2m 為例，填料內(nèi)摩擦角取值35°，填料重度19kN/m3利用規(guī)劃求解功能進(jìn)行求解，設(shè)定不同的起始值將獲得兩個(gè)不同的解，即α=0．271 及α=0．671，其函數(shù)圖形如圖1所示。

圖1 樁頂上的荷載壓力計(jì)算函數(shù)圖形

代入公式分別求得Fcap1=136．8kN及Fcap2=472．53kN，差別很大，分析認(rèn)為小值Fcap1的值等于單個(gè)樁帽上土體自重對(duì)樁帽的力，大值Fcap2則應(yīng)是土拱效應(yīng)下的樁帽頂?shù)暮奢d壓力，結(jié)合規(guī)范要求，采用土拱效應(yīng)下的樁頂荷載進(jìn)行研究[7-9]。

對(duì)2．7m，2．4m 間距條件下不同填高情況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的待定系數(shù)及樁頂荷載如下表所示：

表3 樁頂荷載壓力計(jì)算結(jié)果

在不同填高的工況中，采用的設(shè)計(jì)方案計(jì)算出的計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)側(cè)阻抗力分項(xiàng)系數(shù)和端阻抗力分項(xiàng)系數(shù)rs、rp分別取1．65 時(shí)，管樁的單樁豎向承載力均能滿足規(guī)范計(jì)算所得的樁頂荷載壓力要求，下面對(duì)復(fù)合地基承載力進(jìn)行驗(yàn)算。

4.4 復(fù)合地基承載力計(jì)算

《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/TD31-02-2013）中5．8．12 條剛性樁可不驗(yàn)算復(fù)合地基承載力，但實(shí)際設(shè)計(jì)中，尤其是對(duì)于高填方或者橋涵構(gòu)造物處，往往對(duì)基礎(chǔ)的復(fù)合地基承載力有著相應(yīng)要求。本次進(jìn)一步的對(duì)PHC 管樁處理軟土路基的復(fù)合地基承載力進(jìn)行計(jì)算。

《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50783-2012）中對(duì)于剛性樁復(fù)合地基均要求驗(yàn)算復(fù)合地基承載力，并給出相應(yīng)計(jì)算要求。

經(jīng)計(jì)算得到的各路段復(fù)合地基承載力如表4所示。

4.5 分析對(duì)比

將單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值與樁頂上的荷載壓力乘以建筑物樁基重要系數(shù)以及復(fù)合地基承載力與附加應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比可見在一般路段，當(dāng)單樁豎向承載力滿足樁頂荷載壓力的要求時(shí)，依據(jù)《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50783-2012）計(jì)算出的復(fù)合地基承載力同樣能滿足道路附加應(yīng)力的要求。

對(duì)比兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，r*Fcap/R 與F/Fspk具有相似的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)填高≥2m 時(shí)，兩者范圍分別為55～87%以及45～65%，具有較好的一致性，但依據(jù)計(jì)算結(jié)果剛性樁設(shè)計(jì)在滿足樁頂上的荷載壓力的要求時(shí)，相應(yīng)計(jì)算的復(fù)合地基承載力數(shù)值上明顯有一些富余，因此在一般路段軟基處理設(shè)計(jì)中，在單樁承載力滿足樁頂荷載壓力的要求時(shí)，其復(fù)合地基承載力也相應(yīng)能夠滿足道路附加應(yīng)力要求，因此可以依照公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則的要求，可不驗(yàn)算復(fù)合地基承載力。

計(jì)算結(jié)果可見，當(dāng)樁間距2．7m，樁長(zhǎng)20～30m 之間時(shí)，計(jì)算所得的復(fù)合地基承載力范圍基本在150～195kN 之間，而涵洞、管線等構(gòu)造物往往對(duì)基底的承載力要求較高。因此當(dāng)設(shè)計(jì)路段內(nèi)存在構(gòu)造物，對(duì)地基承載力有專門要求時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際要求進(jìn)行計(jì)算，通過對(duì)樁間距、樁長(zhǎng)或者樁徑型號(hào)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整樁間距時(shí)應(yīng)注意：

①5．8．4 剛性樁可按正方形或等邊三角形布置，樁徑宜根據(jù)成樁設(shè)備確定，且不宜小于5倍樁徑；

表4 復(fù)合地基承載力計(jì)算結(jié)果

表5 分析對(duì)比表

②為確保土拱的形成，充分發(fā)揮土拱效應(yīng)，避免樁（帽）土頂面的差異沉降反射到路面而出現(xiàn)蘑菇狀高低起伏的現(xiàn)象，要求剛性樁處理路段的路堤高度宜大于1．4（S～b），即當(dāng)樁徑為30cm 時(shí)，樁間距最小值宜不小于1．5m，填土高度為2．1m，樁帽1．2m 時(shí)，樁間距最大值宜不大于2．7m。

由此可對(duì)樁間距在1．8～2．7m 之間進(jìn)行取值，以K27+500 段為例計(jì)算可得，其復(fù)合地基承載力變化范圍為188～280kN，基本能滿足一般涵洞構(gòu)造物對(duì)基底承載力要求。

5 結(jié)論

可采用表格中的規(guī)劃求解功能對(duì)公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則中樁頂荷載壓力的隱式進(jìn)行求解，求解結(jié)果一般為雙解，應(yīng)剔除不合理的Fcap值（一般為小值），另一解為土拱效應(yīng)下的樁帽頂?shù)暮奢d壓力。

一般路段在單樁承載力滿足樁頂荷載壓力的要求時(shí)，其合地基承載力也相應(yīng)能夠滿足道路附加應(yīng)力要求，因此可以依照公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則的要求可不驗(yàn)算復(fù)合地基承載力。

對(duì)于橋涵構(gòu)造物等對(duì)地基承載力要求較高的段落，應(yīng)結(jié)合樁基設(shè)計(jì)，分別驗(yàn)算樁頂荷載壓力與單樁豎向承載力以及復(fù)合地基承載力與構(gòu)造物要求承載力是否滿足要求。

一般情況下，采用調(diào)整樁間距的方法可以有效提升復(fù)合地基承載力。