带帽控沉疏桩复合地基优化设计及其工程应用

雷金波，陈超群

(南昌航空大学 土木建筑学院，南昌 330063)

复合地基［1］，特别是刚性桩复合地基技术，以其自身的优势，在深厚软基处理中的应用日益广泛。先前，刚性桩复合地基主要是以 CFG桩［2］为代表，但由于 PTC(Pre-stressed Tubular Concrete pile，简称 PTC)管桩(预应力薄壁管桩)在成桩质量、处理深度、处理效果、控制沉降等方面均比其它桩型具有优势，能够满足软基工后沉降量的控制标准，因此，近年来PTC管桩广泛应用于堤坝地基、高速公路、高速铁路、机场场道、沿海围堤、港口工程等深厚软基处理工程中［3-7］。为减小PTC刚性桩上刺入量、均化桩顶应力并保护垫层整体效应，通过在桩顶配置桩帽，各桩帽之间用碎石回填，并设置一定厚度的褥垫层，形成带帽控沉疏桩复合地基［5］。

1 复合地基两种沉降计算模式

在带帽控沉疏桩复合地基的沉降计算中，可采用复合地基模式和桩帽间土体模式等两种沉降计算模式。

1.1 复合地基模式

带帽刚性桩复合地基的沉降量应该等于垫层压缩量、复合桩体压缩量与下卧层土体压缩量三者之和。其中，在路堤设计荷载作用下，垫层压缩量一般不到1 cm，可采用弹性计算方法。由于桩体刚度太大，复合桩体压缩量可以忽略不计，故只需求解下卧层土体压缩变形量，对这个问题已有众多学者进行了研究和探讨。比较适用的求解方法是把作用于桩帽顶的荷载看成是直接作用于桩顶位置(忽略桩帽下土体承载作用，计算结果偏安全)，桩顶荷载对地基土产生的作用力可以看成是桩端集中力、桩侧均匀分布力和桩侧随深度线性增长的分布力三种荷载的叠加。Geddes根据弹性理论半无限体中作用有一竖向集中力时的Mindlin解的积分，导出了上述三种形式作用力在地基中产生附加应力的计算公式，计算过程繁冗，可参考文献［8］。

1.2 桩帽间土体模式

带帽控沉疏桩复合地基的沉降量等于垫层的压缩量与桩帽间土体的压缩量之和，其中，垫层压缩量计算同上。根据试验成果及数值分析，桩帽间土体在其所分担的荷载作用下，只在一定深度内产生了附加应力，也就是说，对桩帽间土体而言，荷载作用下土体中产生附加应力的区域有一定的影响深度，该影响深度一般小于桩长［5］。影响深度的选取一般可取为桩长(或进行试桩反分析综合确定)，工程中如此处理，结果偏于安全。考虑到桩体的围箍作用，桩帽间土体的沉降可近似看作只发生竖向位移，只要确定了作用于桩帽间土体表面上荷载，即可采用太沙基一维固结理论和单向分层总和法进行固结度和沉降计算。采用这种沉降计算模式，方法简单，易于被工程技术人员所掌握，而且，根据文献［9］可以确定出桩帽间土体表面所分担的荷载。

另外，通过现场试验和数值分析可知，在路堤荷载作用下，复合桩体沉降量与桩帽间土体沉降量一般不相等，复合桩体产生了上刺入现象，以致桩帽间土体的沉降量大于复合桩体的沉降量，因此，采用桩帽间土体的沉降量作为带帽控沉疏桩复合地基的沉降量，这样处理将使工程安全可靠度提高。从另一角度看，新建高速公路工后沉降量桥头控制标准一般为3 cm［3］，因此，只要把桩帽间土体的沉降量控制在工后沉降量要求的范围内，就可有效防止桥头跳车现象，满足高速公路正常营运要求。

2 复合地基优化设计

带帽PTC型控沉疏桩复合地基按控制承载力进行初步设计，根据初步设计结果，再按控制桩帽间土体沉降量在工后沉降量标准范围内来进行优化设计。

控沉疏桩复合地基设计有两层含义，除控制复合地基沉降量的一般含义外，更主要是指控制桩帽间土体的沉降量，设计时，应使桩帽间土体的沉降量控制在高速公路工后沉降量的标准范围内。对于带帽控沉疏桩复合地基，本文的优化设计思路主要是采取适当措施，控制桩帽间土体沉降量在高速公路桥头工后沉降量控制标准的范围内。通常可采取两种处理措施:一是通过调整桩体中心距和桩帽尺寸来调节桩帽间土体分担的荷载，以达到控制桩帽间土体沉降量的目的，满足高速公路工后沉降量的桥头控制标准;二是在路基填土过程中，通过延长预压时间或进行超载预压处理，使之满足工后沉降量的桥头控制标准。因此，把桩帽间土体的沉降量作为带帽控沉疏桩复合地基优化设计的主要控制因素，即可按控制桩帽间土体的沉降量不超过高速公路软基工后沉降量桥头控制标准来进行带帽控沉疏桩复合地基的优化设计。新建高速公路一般有一定的预压期，设计时，应当充分利用预压期的特点，在满足工后沉降量和工期的情况下，可适当增大桩体中心间距，节省桩数，以求处理效果更好。具体优化设计的思路如图1所示。

1)进行带帽PTC型控沉疏桩复合地基初步设计时，桩体中心间距和桩帽尺寸是最为重要的两个设计参数，其余各参数都可通过地质条件、规程规范或者通过上述两参数按扩散角的要求来确定和调整，因此，把桩体中心间距和桩帽尺寸两个参数作为带帽控沉疏桩复合地基优化设计的主要对象。

2)若图1中判断条件满足高速公路工后沉降量的要求，可以选择“是”、“否”要进行桩体中心间距和桩帽尺寸的优化。选择“是”，则通过适当增大桩体中心间距和缩小桩帽尺寸，返回重新计算，以适量增加桩帽间土体的沉降量并控制在桥头工后沉降量控制标准内，从而达到减少桩数、节约工程造价的目的;选择“否”，则直接输出计算结果(包括带帽控沉疏桩复合地基总沉降量、各级荷载下沉降增量、桩体中心间距、桩帽尺寸等内容)。

图1 控制桩帽间土体沉降量优化设计流程

3)若图1中判断条件不满足高速公路工后沉降量桥头控制标准的要求，则要选择适当的处理措施。程序中有两种处理措施可选择，一是选择减小桩体中心间距或增大桩帽尺寸，返回重新计算，直到桩帽间土体的沉降量差值满足工后沉降量桥头控制标准的要求为止;二是选择延长预压时间或进行超载预压等预压措施，同样可达到减小桩帽间土体沉降量的目的。两种处理措施也可以综合使用。在工期较宽松的情况下，可以采用增大桩体中心间距、延长预压时间，节省桩数，以降低工程造价;在工期较紧张的情形下，可以采用减小桩体中心间距或增大桩帽尺寸或超载预压的措施，达到缩短工期、减小桩帽间土体沉降量的目的。

4)由图1还可知，带帽桩复合地基设计的核心是复合桩土应力比的确定。只有确定了复合桩土应力比，才能确定作用在桩帽间土体表面上的荷载。

3 工程实践

3.1 土层地质参数

各土层的地质参数如表1所示。

3.2 初步拟定设计参数

桩长Lp=29 m，桩径Dp=0.4 m，桩体中心间距B1=3.0 m，桩帽尺寸 B2=1.5 m，灰土垫层厚度 hc=1.5 m。

表1 各层土的物理力学指标

表2 带帽控沉疏桩复合地基按不同复合桩土应力比固结计算结果(B1=3.0 m)

3.3 按不同复合桩土应力比n固结计算

对试验段带帽控沉疏桩复合地基按不同复合桩土应力比进行固结沉降计算，并将计算结果与现场观测值作比较，如表2所示。其中，桩土应力比n=91为采用文献［9］的计算数值，其余三个数值(桩土应力比n=25、50、70)则是为作比较而选用的数值。由表2可以看出，四种计算结果均可反映出地基发生固结沉降变形的一般规律。当n=25时，采用一维固结理论、单向分层总和法的固结沉降计算结果与实测值比较接近，随着复合桩土应力比的增大，固结沉降计算值与实测值相差越来越大。分析产生该情况的原因，可能有以下几方面:一是文献［9］建立的复合桩土应力比计算公式，模型上是把带帽刚性桩和桩帽下的土体看成是复合桩体，理论上忽略了桩帽下土体的承载作用，实际桩帽下土体还有一定的承载作用，使得复合桩土应力比的计算偏大，桩帽间土体承载的荷载偏小，总沉降和固结沉降偏小，故应对复合桩土应力比计算值进行修正。将原型观测值与各复合桩土应力比固结沉降计算值进行比较，确定比较合适的复合桩土应力比值，所要的修正系数为复合桩土应力比计算值与按上述方法确定的复合桩土应力比值的比值，本例修正系数为3.64。二是考虑到土体参数的复杂性，按照土力学中常用方法，可在计算值与实测值之间选取一个比较合适的加权系数，对于复合桩土应力比n=91的情况，加权系数为4.87。综合上述两方面因素，确定复合桩土应力比修正系数为4.26，由此可预测带帽控沉疏桩复合地基的总沉降为6.69 cm。

3.4 优化设计结果

根据上述优化设计的思路，考虑到问题的复杂性，本文只对增大或减小桩体中心间距和选择不同的预压时间进行了优化，其结果如表3所示。路堤全荷载作用下，天然地基总沉降量为78.4 cm。由表3可以看出，采用带帽PTC型控沉疏桩复合地基处理技术，当桩体中心间距为4.5 m时，路基总沉降才33.4 cm，比天然地基的总沉降量要小得多，说明带帽控沉疏桩复合地基可以有效控制地基沉降量，并减小路基总沉降量。随着桩体中心间距的增大，桩帽间土体的总沉降量随之增大，须采用相应的预压措施才能满足高速公路工后沉降量的控制标准，而且，桩体中心间距越大，需要的预压时间越长，在工期相对紧张的情况下，一般是不允许的。但这说明，在工期相对紧张的情况下，可以采用缩小桩体中心间距或增大桩帽尺寸的措施，达到控制路基工后沉降量在其允许的范围内的目的。同时也说明了，带帽控沉疏桩复合地基技术配合预压措施，可以有效控制路基的工后沉降量。在控制桩帽间土体沉降量满足工后沉降量桥头控制标准的条件下，通过对表3优化结果、工期、工程造价等各方面因素综合考虑，建议采用3.5 m的桩体中心间距，其它尺寸可按照原设计参数，能获得更好工程造价，并可为类似工程提供参考价值。

表3 带帽刚性桩复合地基优化结果

4 结语

1)以控制桩帽间土体沉降量在工后沉降量标准范围内为目标，通过采取调整桩体中心间距或桩帽尺寸等措施，以改变复合桩土应力比并配合预压措施来进行带帽控沉疏桩复合地基优化设计。

2)在桩帽间土体沉降量满足工后沉降量控制标准的情况下，采取增大桩体中心间距或减小桩帽尺寸并配合延长预压时间，节省桩数，以达到降低工程造价的目的。

3)在桩帽间土体沉降量不满足工后沉降量控制标准的情况下，有两种措施可供选择:一是在工期宽松的情形下，可采取延长预压时间或进行超载预压的措施;二是在工期较紧张的情形下，可采取减小桩体中心间距或增大桩帽尺寸的措施。两种处理措施均可达到降低桩帽间土体沉降量的目的，第一种处理措施是以工期宽松为前提，而第二种处理措施是以提高工程造价、追求工期为代价，工程中究竟采用哪一种，应视工程造价、工程施工期限等因素综合确定。

4)通过工程实例，采取调整桩体中心间距或桩帽尺寸，并配合预压措施，可达到控制桩帽间土体沉降量在高速公路工后沉降量桥头控制标准范围内的目的，说明本文所提倡的带帽控沉疏桩复合地基进行优化设计的思路和方法是可行的，具有先进性，可为类似工程提供参考。

［1］龚晓南.复合地基理论及工程应用(第二版)，［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［2］阎明礼，张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践(第二版)［M］.北京:中国水利水电出版社，2006.

［3］江苏省交通基础工程研究中心.沪宁高速公路路基拓宽综合处理技术研究成果总结报告［R］.南京:江苏省交通基础工程研究中心，2004.

［4］丁桂伶，王连俊，刘升传.柔性基础下褥垫层厚度对带帽CFG桩复合地基特性分析［J］，岩土工程学报，2009，31(7):997-1001.

［5］雷金波，徐泽中，姜弘道，等.PTC型控沉疏桩复合地基试验研究［J］.岩土工程学报，2005，27(6):652-656.

［6］高成雷，凌建明，杜浩，等.拓宽路堤下带帽刚性疏桩复合地基应力特性现场试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(2):354-361.

［7］雷金波，张少钦，刘芳泉，等.带帽刚性疏桩复合地基变形机理分析［J］.煤炭工程，2005(9):36-38.

［8］张忠苗.桩基工程［M］.北京:建筑工业出版社，2007:163-223.

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