管桩复合地基法在高速公路软基处理中的应用研究

2012-10-17张超

黑龙江交通科技 2012年9期

张超

(湖南华罡交通规划设计研究院有限公司)

我国幅员辽阔，软土在国内分布十分广泛，以天然的软土做地基进行高速公路工程和其他构筑物的建设，必须要将地基进行人工加固处理，这种对软弱地基进行加固增加其强度的处理过程叫做地基处理。

目前国内外软土地基的处理方案主要有复合地基加固处理法、砂砾垫层法、排水固结处理法、预制混凝土桩、高真空击密法及强夯法等几种。相比一般的基础工程，预制混凝土桩基的质量更好、施工也更快，是最常见的基础工程。大量的工程实践让我们了解到，预制管桩可以在预制场集中生产，起吊运输方便，成桩质量可靠、桩身耐打，耐久性好。

1 管桩复合地基

作为埋入土中的柱形杆件，管桩的作用是将上部荷载传至深部坚硬土层或岩层之上，当周围的土被预制管桩压密或挤开时，则形成刚性桩复合地基。管桩复合地基主要有竖向受荷和横向受荷的承载性能。当受到竖向受压荷载时，桩顶荷载将承受桩侧摩阻力和桩端阻力。沉桩施工时，桩尖被打入土体，破坏了原来土的初应力，压缩了桩尖下的土体，使其产生较大的变形，从而阻碍了尖桩的下降。当桩压力不断增大，桩尖的抗剪强度无法承受应力时，变形达到极限的土体则会产生挤密性的侧移或塑性流动(粘性土)和下拖。地面深处，由于受到上覆土层的压力，桩周的土体被横向挤开，从而完全破坏了贴近桩周的土体结构。

2 管桩复合地基法在高速公路软基处理中的应用

2.1 工程简介

地处冲积平原的X高速公路 K4+000～K30+150，软土广泛地分布在公路沿线，其中呈现灰白色或者深灰色的为软土层局部缺失状态，薄薄的腐殖质、贝壳及夹粉细砂层蕴含其中。地质检测发现沿线的软土分布没有规律，平原冲积发育两层软土，沿线地质以第一层为主(约14.5 km长)，厚度变化很大(0.9～24.05 m之间)。第一层软土从上至下依次由人工填土、亚粘土、亚砂土、砂性土以及岩石风化层构成。第二层软土埋藏深度较大，厚度变化也比较大(0.7～16.1 m之间)，但是长度比较小(约4.3 km长)。

2.2 管桩复合地基法在高速公路路段软土地基的数值模拟及优化设计

通过模拟分析佛开高速公路处理地基土，复合地基的方法最为适宜，将其地基变形规律数据加以分析，以便对老路结构和路面拓宽的影响加以推断，最终得出复合地基法处理软土地基可行。同时需要根据沉降控制设计理论，使复合地基参数能够优化到满足不同路面结构的程度，从而达到不同路面结构对沉降差异的要求。

2.2.1 基本假定

在进行有限元分析时作了以下的假定:

(1)利用有限元中的PLANE对路堤横断进行分析，考虑到问题的对称性，取一半结构进行研究;

(2)有限元分析时假定地基土是弹塑性模型(摩尔—库伦屈服准则)，路堤土、砂垫层采用的是弹性模型，而复合地基则假定为复合土层;

(3)构筑路基的材料均假定为均质材料;

(4)利用有限元进行计算时排除垫层中土工格栅加筋的影响;

(5)利用假定地下水位在地表处的方法来考虑地下水的影响;

(6)边界条件:结构左右边界分别为横向固定约束和垂直固定约束，左右边界均无水平位移;同时，下边界和垂直方向上分别有来自横向和竖向固定约束，无水平和竖直位移，其余的边界条件自由;左边界与下边界面完全由不透水层组成，而右边界只有部分由透水层组成，主要分布在砂垫层和地面与砂层的右侧。其余的土层边界均为不透水边界。

2.2.2 计算模型

(1)几何模型。

从路堤拓宽标准断面中选择出一个计算断面来分析工程中路基所用的软土处理措施及软土分布的特点。

(2)网格划分图。

有限元网格使用平面四边形四节点等参单元。

(3)计算工况。

用50 cm的砂垫层+1 m间距的塑料排水板处理原有路基。路基的拓宽采用管桩复合地基(桩长18 m)，其间距分别为2.0 m、2.4 m、2.8 m;分层填筑路堤。

(4)计算参数。

以复合土体的强度作为复合地基计算参数，依据《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002规定，由于目前没有规范推荐管桩复合地基的复合土层模量方法，所以采用与复合地基桩体性质相似的CFG桩体公式

式中:Esp为搅拌桩复合土层的压缩模量，kPa;Ep为搅拌桩的压缩模量，kPa;Es为搅拌桩的压缩模量，kPa;m为面积置换率;fspk为复合地基承载力特征值，kPa;fak为基础地基底面下天然地基承载力特征值，kPa。

2.2.3 管桩复合地基法计算结果分析与设计优化

(1)沉降。

由于管桩属于刚性桩，当在桩顶设计盖板后，桩的应力集中随之增大，再加上桩身材料的刚性强，路堤上的大部分荷载被桩体承担，因此路基的沉降度大为减少。从拟建工程计算断面沉降云图可看出，8～10 cm之间为断面最大沉降量范围，随着新填路堤坡向四周分散，沉降也随之逐渐减少。

可以参照复合地基沉降控制的设计思路来优化管桩地基设计参数，从复合地基面积置换率与老路面最大沉降比之间的关系曲线图1可以看出:将盖板设置在管桩桩顶之后，桩和盖板之间则形成了一个复合桩体，盖板面积与单位复合桩体处理面积之间的比率则为复合桩体的面积置换率。为了进行比较方便的对比，桩体截面面积与单位处理面积之间的比率和老路面最大沉降比之间的关系曲线也同样列出，如图2所示。

根据模拟计算出路面结构的结果，采用新老路面差异沉降横坡坡比为0.45%时，管桩复合地基的面积置换率为26.77%(桩间距2.49 m)能够满足设计要求;采用新老路面差异沉降横坡坡比为0.5%，那么管桩复合地基的面积置换率为19.57%(桩间距2.91 m)同样能够满足设计要求。进行施工时过度保守的面积置换率会给工程建设的影响带来不利。所以建议采用路面横向沉降比为0.4%～0.5%(2.0～3.0 m)。