第４０卷第１１期 ２ ０ １ ４年４月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．１１ Ａｐｒ．２０１４ ・１４９・ 文章编号：１００９－６８２５（２０１４）１１－０１４９－０３ 预应力管桩在某公路软土路基处理中的应用 吕 博谭雅中 １０００１１） （中交路桥技术有限公司，北京摘要：以某公路工程为例，分析了该路段的软土地基情况，通过对各种软基处理方案的比选，确定了复合地基法中的预应力管桩 治理方案，并对管桩的设计方法及施工注意事项进行了总结，以确保公路工程的合理性、耐久性。 关键词：软土地基，预应力，管桩，计算 中图分类号：ＴＵ７５３．３ 文献标识码：Ａ ０ 引言 内气候温和，雨量充沛，地表径流对坡面坡脚的冲刷较大。地下 软土地基具有天然含水量高、孔隙比大、压缩性强、承载能力 水类型为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水，以第四系松散层孔 孔隙含水量随季节变化，地下水以侧向渗流的形式向 低等特点，是公路工程建设中遇到的难点之一，也是勘查设计与 隙水为主，水位埋深约０．５ ｍ一２．３ ｍ。 施工重点控制的一个环节。软土地基处理是否合理是公路后期 沟谷排泄或蒸发。地下水埋深较浅，边坡主要由第四系坡残积粉 运营是否顺畅的重要因素。目前，我国的公路工程建设中，对软 根据钻探资料及野外地质调绘成果，５＋ 土地基的处理已经有了较为成熟的设计和施工经验。对于不同 质粘土和燕山期花岗岩及其风化层组成。软土地基分布于Ｋｌ１５＋４８０段，路基以填方形式通过，最大填土高度２３．４ ｍ， 类型的软土处治如何选取适当的处治措施，对合理确定工程造价 ２１５一Ｋ１１和保证公路安全运营具有十分重要的影响。 且在Ｋｌ１５＋３９０处设置一处混凝土盖板涵。 １ 项目概况 该公路项目为高速公路，地处低缓丘陵，地形起伏较大。区 土层 上覆土层 土名 粉质粘土 软土分布特征 颜色 状态 厚度／ｍ 侧摩阻力／ｋＰａ 承载力／ｋＰａ 褐黄色 可塑 １．９ ５５ １４０ ２软土地基概况 根据勘查揭示该段路基范围内软土地基分布如表１所示。 地层特征描述 褐黄色，稍湿，可塑，主要由粘、粉粒组成，土质不均，粘性较差，含大量石英颗粒 表１软土分布统计表 软土层 淤泥质粉质粘土 灰黑色 流塑 ６．２ 下卧地层 砂质粉质粘土 褐黄色 硬塑 ＞５ ４５ ８０ ６０ ３２０ 灰黑色，饱和，流塑，主要由粘、粉粒组成，土质不均，粘性较差，含大量腐殖质，局部略固结 褐黄色，稍湿，硬塑，由花岗岩层块风化而成，土质不均，粘性较差，含大量石英颗粒 经过钻探取样，土工试验测定的软土各项物理力学指标如表 ２所示。 表２软土物理力学性质统计表 基本物理性指标 土层名称 淤泥质粉质粘土 液塑限 Ｌ隙比 液限 塑限 ｅ Ｗｔ／％ ％ １．２２１ ４０．３ ２３．９ 固结试验 液性指数 屯 ０．８８ 直接快剪 凝聚力 ｃｑ／ｋＰａ ７．０ 含水率 ％ ４２．Ｏ 湿密度 ｐ／ｇ・ｅｍ一 １．７３ 塑性指数 ｌ Ｐ １６．５ 压缩系数 ａ／ＭＰａ一 ０．７２８ 压缩模量 Ｅ／ＭＰａ ３．０５ 内摩擦角 妒／（。） ８．７ ３处治措施及方案的比选 处治效果，具有施工工艺、机具简单，施工速度快等优点，但不能 亦不能提高砂土地基的抗液化能力；对 为确保工程的后期运营安全，提高工程路基施工质量，减小 较大的提高地基承载力，于深厚软土且填土高度较高的构造物路段或对于深厚软土且工 工后沉降，确保路基稳定，减少运营维护成本及对运营交通的影 期小于２年的工程难以满足工后沉降及工期的要求。排水固结 响，对本段软土路基进行了多方考察论证，通过几种处治方案比 法由于等载、超载的需要，导致大量借方、弃方的存在。 选分析，确定软土地基处理方案。 ３．１ 浅层处理法 浅层处理法主要包括强夯法与换填法。强夯法主要适用于 非饱和的松散砂层及粉砂土、松散的厚层人工填土和软土路段， ３．３复合地基法 复合地基法主要包括水泥搅拌桩、碎石桩、水泥粉煤灰桩 （ＣＦＧ）和预应力混凝土管桩（ＰＨＣ）。复合地基法处治深度均较 深，均可满足本段软土路基处治深度的要求，但是又各有不同优 缺点。 深度一般不超过７ ｍ，且该段软土地基地下水位较高，地下水丰 富，强夯排水效果和工后地下水回流均难以控制。换填法主要适 用于层底深度不超过３ ｍ的一般浅层软弱地基。浅层处理法具 水泥搅拌桩加固后地基强度提高较多，可以比排水固结法大 量减少地基沉降量，施工工期较短，但作为隐蔽工程，施工质量难 以控制，桩体检测时间长。 碎石桩可提高地基的承载力、降低孔隙比、减少地基沉降，提 高地基抗液化能力，同时还兼有排水和置换作用，施工工期短，但 施工质量难以控制和检测，无法保证总体施工质量。 水泥粉煤灰桩质量容易保证，桩身强度高，工期短，可以比排 有施工工艺、机具简单、施工速度快、施工质量易于控制等优点， 但处治深度较浅，不适于本段深度达８．１ ｍ的软土地基处理，且 换填法填方与弃方均较大，易造成环境污染和水土流失。 ３．２排水固结法 排水固结法主要包括塑料排水板、袋装砂井、堆载预压法。 堆载预压处治造价低，弃方少，但其处治深度较浅，深层预压效果 水固结法大量减少地基沉降量，但作为隐蔽工程，当桩长较长时， 难以控制，且施工工期很长。塑料排水板与袋装砂井具有相同的 施工质量难以保证，且检测复杂。 收稿日期：２０１４—０２－０７ 作者简介ｉ吕博（１９８３一），男，工程师ｉ谭雅中（１９８７．），女，助理工程师 ・１５０・ 第４０卷第１１期 ２ ０ １ ４年４月 山 西 建 筑 预应力管桩产品由工厂流水线生产，质量稳定可靠，桩身强 小于２ ｍ。 度高，贯穿能力强，适用于各种类型的地基处理，运输方便，施工 根据各项土层及管桩参数经多次试算，确定该段软土地基管 速度比较快，工期短，检测方便，可以大幅地提高地基承载力，大 桩处治布置情况为：涵洞底宽６ ｍ，设置４排管桩，由涵洞向两侧 量减少地基沉降量，处理深度可达４０ ｍ，但造价相对较高，运距 路基做过渡段，桩间距由２．０ ｉｎ起，桩间距逐次增加０．２ ｍ，至桩 较远。 间距扩大为３ ｍ过渡段结束，按照３ ｍ桩间距布置一般路基段管 ３．４处治方案的确定 桩，管桩桩长取整不小于１ １ ｉｎ。桩顶设置碎石褥垫层，碎石采用 最大粒径应小于５０ ｍｍ。 该段软土地基长度２６５ ｍ，软土层厚度达６．２ ｒｎ，上有覆盖层， 级配碎石，管桩布置示意图见图１。 并且地下水位比较浅，经现场浅层开挖，地下水大量涌出，开挖处 土严重坍塌，施工机具难以施展，不能采用浅层处治办法。由于 施工工期比较紧，地下水丰富，且路基填土高度高达２３．４ ｍ，排水 固结法在较短时间内排水效果难以保证，且丰富的地下水在排水 固结后仍会继续影响已固结的软土，且对于提高地基承载力无明 显效果。 考虑到该段需要在较短时间内达到较好的软基处理效果，且 要设置涵洞，需大幅提高地基承载力满足构造物要求，该段软土 地基处治考虑采用复合地基法中的预应力管桩处治，具体布置方 式根据设计及计算确定。 ４管桩设计 ４．１ 管桩设计原则 管桩的应力应变曲线形状与其他混凝土桩的应力应变曲线 形状相似，刚性桩的特征明显，可全桩长发挥摩擦作用。公路路 基管桩复合地基，桩和桩间土共同承担路基荷载。 用于公路软土地基加固的管桩的直径、长度及间距的设计采 用以桩体与桩周土形成刚性复合地基满足路基工后沉降要求为 原则。 ４．２管桩设计计算 １）承载力计算。管桩复合地基承载力可采用下式计算： Ｆ ＝ｍＲ ／Ａ ＋１３（１一ｍ） 。 式中： ——复合地基承载力特征值，ｋＰａ； ｒ一面积置换率； ——单桩竖向承载力特征值，ｋＮ； ——桩截面面积，ｍ２； ——处理后桩问土的承载力特征值，ｋＰａ； ——桩间土的承载力折减系数，不考虑桩间软土作用时可 取０，桩间为硬土时可取０．１—０．４，桩间为软土时可取 ０．５～１．０。 单桩承载力特征值ＪＲ 可采用下式计算： 尺 ＝ ∑ｑｓｉｌｉ Ａｐ。 式中： ——桩周长，ｉｎ； ｎ——桩长范围内所划分土层数； ｇ ——第ｉ层土的桩侧摩阻力特征值，ｋＰａ； ｚｉ——第ｉ层土的厚度，ｍ； 吼——桩端土承载力特征值，ｋＰａ； Ａ。——桩的截面面积，ｍ 。 ２）工后沉降计算。工后沉降计算采用ＪＴＧ Ｄ３０－２００４公路路 基设计规范中第７．６．２中规定的计算方法进行计算。主固结沉 降．ｓ 采用分层总和法计算，总沉降Ｊｓ采用沉降系数眠与主固结 沉降计算。 ４．３管桩布置 本次预应力混凝土管桩采用预应力ＰＨＣ桩，外直径为３０ ｃｍ， 壁厚不小于７ ｃｍ，管桩离心混凝土强度为Ｃ７０。桩顶托板采用 Ｃ２５钢筋混凝土。管桩采用静压法施工，桩身嵌入持力层深度不 图１管桩布置示意图 ４．４其他设计要点 １）管桩按平行于涵洞轴线方向布置。涵洞处理区外按正常 路段处理方式实施。 ２）碎石垫层设置至坡脚外１ ｍ的位置，并用３０ ｃｍ厚的粘土 封层，坡脚位置处的泄水管入水口设置土工布包裹碎石的反滤层。 ３）碎石垫层顶部和底部各铺设一层双向土工格栅。土工格 栅幅宽不小于２ ｒｎ，搭接长度不小于３０ ｃｍ，并用Ｕ形钉每隔２ ｍ 按正方形将格栅拉紧固定。 ４）施工完管桩后，填土预压（涵洞处垒沙包预压），待预压 ３个月，实施涵洞底的管桩托板，之后可以进行涵洞施工和填土。 ５施工注意事项与质量控制 １）管桩大规模施工以前须选在有地质钻孔的位置来进行试 打，并且进行单桩承载力和复合地基承载力的检测，以确定是否 需要调整收锤标准，管桩施工完毕以后，管桩桩顶高差应该控制 在１５ ｃｍ以内。 ２）严格控制压桩速度，一般应控制在１ ｍ／ｍｉｎ左右为宜，使 各层土体能在均匀受力的情况下对管桩产生预定的侧摩阻力，并 能在管桩下沉过程中发生偏向时及时发现并做出调整。 ３）管桩对接时，应采用法兰盘连接或采用焊接连接。注意焊 好的桩接头应自然冷却后方可施打。焊接处的强度不应低于出 厂的强度。 ４）涵洞整个范围的管桩高程在打设阶段应基本在同一水平 上，待施工涵洞时，再将涵底处的管桩截断至涵底基础底高程。 ５）在软基处理后、填土前，设置测斜管、位移边桩等检测设 备，测斜管弯曲性能应适应被测土体的位移情况。 ６结语 随着我国的公路建设尤其是高等级公路建设的飞速发展，在 具体工程实践中由于建设任务的紧迫性，预应力混凝土管桩技术 已经越来越广泛地应用于软土地基处理，管桩也越来越发挥其自 身的优势。在实际应用时应结合工程地质情况，有针对性地选择 与借鉴，优化设计方案，加强施工监管，保证施工质量，确保整体 工程的合理性、耐久性。 参考文献： ［１］ＪＴＧ Ｄ３０－２００４，公路路基设计规范［ｓ］． ［２］ 叶书麟．地基处理工程实例应用手册［Ｍ］．北京：中国建筑 工业出版社．１９９８． 第４０卷第１１期 ２ ０ １ ４年４月 文章编号：１００９．６８２５（２０１４）１１—０１５１－０２ 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．１１ Ａｐｒ． ２０１４ ・１５ｌ・ 加宽路基对地基产生的附加应力计算方法研究 徐郝明 （陕西省交通规划设计研究院，陕西西安７１００６５） 摘要：对梯形荷载作用下地基土中任意点的附加应力计算公式进行了推导，并对加宽路基对地基荷载进行了简化，通过推导计 算，得出了高速公路改扩建工程中在加宽路基荷载作用下地基土中任意点附加应力的计算公式，为地基沉降计算分析奠定了理论 基础。 关键词：高速公路改扩建，地基处理，附加应力 中图分类号：Ｕ４１６．１ 文献标识码：Ａ ０ 引言 路堤荷载对地基产生的附加应力就可以看成是平面问题来进行 我国高速公路始建于２０世纪８０年代中期，基本上按双向四 考虑。路基工程中常见的路堤荷载呈梯形分布，在考虑这种分布荷 车道路面标准建成。随着社会经济的快速发展，交通量迅猛增 一是将梯形分成两个三角形及一个矩形应力面积所组成； 长，到２Ｏ世纪９０年代后期，大量已建高速公路的服务水平已无法 载时，满足日益增长的交通需求，因此高速公路改扩建将是未来一段时 二是直接按照梯形面积进行计算。为了计算方便，在此对路堤荷 间内公路建设的热点。然而高等级公路加宽改建在设计和施工 载呈梯形分布时地面下地基中任意点的附加应力计算公式进行 中却遇到了许多新的工程技术问题。其中新老路基差异沉降引 推导。 起拼接路基及路面开裂是遇到的最核心问题，而新老路基的差异 １．１ 半梯形荷载中点下地基土 点的附加应力 沉降主要是由新老路基下的地基差异沉降引起的。因此，笔者就 对于半梯形荷载（如图１所示）作用下，中点下地基土Ｍ点的 高速公路改扩建工程中遇到的这一核心问题来展开研究，旨在通 附加应力的计算公式为： 过分析计算后，找到改扩建高速公路地基沉降的规律，从而确定 ｏｒ：＝ ［ａ＋６）（／３－＋ｔ３２）一 ］ 合理的工程措施，以便减小新老路基的差异沉降，达到扩建高速 （１） 公路在服务年限能正常运营的效果。本文着重研究了引起新老 １．２梯形荷载作用下地基土中任意点 的附加应力 地基差异沉降的源头——加宽路基对地基中任意点产生的附加 梯形荷载（如图２所示）作用下地基土中任意点 的附加应 应力。 力可以看成是两个半梯形荷载中点下地基土Ｍ点的附加应力叠 １ 路堤荷载作用下地基中附加应力计算方法 据弹性理论推导出来的。因此，对地基作下列几点假设： １）地基是半无限空间弹性体； ２）地基土是连续、均匀的，即变性模量Ｅ和泊松比 各处相 加的结果，所以应用式（１）来推导梯形荷载作用下地基土中任意 地基中的附加应力计算比较复杂，目前采用的计算方法是根 点 的附加应力计算公式。ａ Ｂｆ２ ． Ｂ｜２ ｎ 等； ３）地基土是等向的，即各向同性，同一点的Ｅ和 各个方向 相等。 ／ ’一Ｏ ’ｊ 、、 、 、、、 、： 、路堤对地基的荷载，可以看成是在半空间体表面上作用着宽 度有限、长度无限的分布荷载，它在长度方向上分布相等，这样 就可以截取垂直于长度方向的任意截面，其上的分布应力均相 Ｍ 图１半梯形荷载 图２梯形荷载作用下地基土 中点下土中应力计算示意图 中任意点』．ｆ的附加应力计算示意图 同。因此，只要研究任何一个截面上的分布应力就行了。这样， 图２中 点左半边梯形在 点的附加应力计算为： ，…】Ｈ…， 】Ｈ ，…，Ｈ ［３］ 王晓谋，袁怀宇．高等级公路软土地基路堤设计与施工技术 ［４］ 刘晓梁．高速公路修建过程中的软土地基处理问题［Ｊ］．山 ［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００１． 西建筑，２０１２，３８（１０）：１６２—１６３． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐｉｐｅ ｐｉｌｅ ｉｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｓｏｆｔ ｓｏｉｌ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｏｆ ｈｉｇｈｗａｙ ＬＶ Ｂｏ ＴＡＮ Ｙａ－ｚｈｏｎｇ （ＣＣＣＣ Ｒｏａｄ ａｎｄ Ｂｒｉｄｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｏｍｅ ｒｏａｄ ｐｒｏｊｅｃｔ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｓｏｆｔ－ｓｏｉｌ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｏｆ ｓｏｍｅ ｒｏａｄ，ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｐｉｐｅ ｐｉｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｏｆｔ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｓｃｈｅｍｅｓ，ａｎｄ ｓｕｍｓ ｕｐ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｉｐｅ ｐｉｌｅ ａｎｄ ｓｏｍｅ ｐｒｅｃａｕｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，８０ ａｓ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｒｏａｄ ｐｒｏｊｅｃｔｓ ｔｏ ｂｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ａｎｄ ｄｕｒｂｌａｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｆｔ—ｓｏｉｌ ｓｕｂｇｒａｄｅ，ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ，ｐｉｐｅ ｐｉｌｅ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ 收稿日期：２０１４－０１－２６ 作者简介：徐郝明（１９８０－），男，硕士，工程师，注册岩土工程师