预应力管桩处理高速公路软土地基设计研究

李志伟

（天津滨海新区投资控股有限公司 天津 300457）

由于预应力管桩可工厂化生产、成桩质量可靠等优点，近年来大量应用于高等级公路深厚软土地基处理，特别是在高速公路的改扩建工程中得到了广泛的应用。但管桩复合地基处理方法的理论研究还在发展中，在工程实践中也暴露出许多问题。本文针对预应力管桩复合地基的组成形式及变形的特点，研究了路堤荷载下地基的沉降及复合地基承载力的计算方法。

1 预应力管桩复合地基组成及变形特性

预应力管桩组成的复合地基通过在桩的顶部设置桩帽，由桩帽和桩帽下的管桩组成组合单桩，同时在桩帽顶部设置碎石加筋垫层与桩帽之间的土体构成复合地基，见图1。一般管桩的间距大于6倍桩径，按疏桩基础中的组合单桩的受力模式来考虑，而对于整个地基则按复合地基的受力模式来进行考虑［1］。

图1 预应力管桩复合地基

采用预应力管桩处理高速公路软土地基，其设计的主要内容包含以下方面：①桩长。桩长原则上应穿透软弱土层到达强度相对较高的土层；②间距、桩帽大小。桩间距和桩帽大小按控制沉降量和承载力为原则选取，原则上桩距大于6倍桩径［2］，一般为2.5～3.0 m，桩帽大小1.5 m×1.5 m，厚度根据设计荷载和抗剪强度验算；③为充分发挥桩土共同工作，在桩帽的顶部设置40～50 c m的碎石垫层，一般在垫层中设置土工格栅或土工格室，以加强垫层的整体刚度，从而形成强度较大的桩－格栅垫层复合地基。

由于软基上高速公路的路堤荷载较小，而预应力管桩本身的强度较高，管桩复合地基的承载力容易满足设计要求。所以一般按沉降控制设计思路进行设计，即先按沉降控制要求进行设计，使地基的计算沉降量小于允许沉降量，然后验算地基承载力是否满足要求。其实质就是以控制地基的沉降量为原则，让桩间土体主动承载，发挥桩土共同作用的设计方法。

根据高速公路的荷载特点，在沉降满足要求的条件下，地基承载力一般情况大部分能满足要求。如承载力不能满足要求，适当增加复合地基置换率（减小桩间距）或增加桩体直径等方法，也能使承载力满足设计要求。

2 预应力管桩复合地基设计

预制管桩与周围土体一起组成复合地基，见图2，桩帽以下的土体与桩体及桩帽组成组合单桩，组合单桩与桩帽间的土体共同工作。在加荷时对摩擦桩而言，桩帽间土和组合单桩同时受力并发生变形，桩侧摩阻力形成并起主要作用，桩端阻力未充分发挥，桩身处于弹性压缩阶段，由于组合单桩与桩间土刚度不同，发生变形不协调，在加筋垫层的作用下，桩所分配的荷载逐渐增大，进而桩开始下沉，如此往复，最终达到桩土变形协调。

图2 计算图式

2.1 沉降计算

带帽单桩复合地基的沉降计算需要考虑垫层－组合桩－土体的共同作用，这使得沉降计算问题变得非常复杂，为使问题的复杂性得以适当简化，作如下假定：

（1）桩帽类似于起刚性板作用，可将桩帽、桩体和桩帽下土体视为一个复合桩体，狭义上说，复合桩体可看成是一种特殊的无帽单桩，从该角度考虑，无帽单桩是带帽单桩的一种特殊情况。带帽单桩复合地基等效单元体则是由复合桩体与复合桩周土体（即桩帽间土体）所组成，考虑复合桩体与复合桩周土体之间的摩擦阻力作用，不考虑桩体与桩帽下土体之间的摩擦阻力，且复合桩体与桩帽间的土体变形协调。

（2）复合桩体中桩和桩帽下土体共同工作，桩帽下的土体在桩帽承载作用的影响下可以随桩身一起发生变形，且竖向变形量与桩身压缩量相同。复合桩体的压缩变形量可以用带帽桩身压缩量来代替。

（3）考虑桩体的影响和土层的不均质性，按地质分层，即可把加固区复合桩周土体简化成层状地基，同层土体可视为均质。

2.2 沉降计算方法

预应力管桩复合地基的沉降包括两部分：①加固区的沉降S1；②下卧层的沉降S2。根据以上假定，沉降计算可采用“二次复合”的方法进行计算，即桩体和桩帽下的土体组成组合单桩，其复合模量为Esp，再由组合单桩与桩帽间土体组成复合地基，整个复合地基的复合模量为Esps。

当已知复合单桩的置换率m1、组合单桩与整个复合地基的置换率m2、各土层的压缩模量Es及管桩的压缩模量EP，可按以下方法计算管桩复合地基的复合模量。管桩及桩帽下土体组成的组合单桩的复合模量Esp为

而整个加固区复合模量Esps的计算方法见式（2）。

式中：m1为复合单桩的置换率桩的面积；A1为桩帽的面积；m2为组合单桩与整个复合地基的置换率，A＝l2，l为管桩的间距。

下卧层沉降量采用分层总和法进行计算，预应力管桩复合地基的沉降计算方法见式（3）

n式中：n1为加固区的土层数；n2为总土层数；ΔPi，ΔPj为各土层的附加应力，k Pa；Δhi，Δhi为各土层的分层厚度，m；ψ为沉降修正系数，一般取1.0～1.3。

压缩层的厚度应符合式（4）的要求。如确定的计算深度下部仍有软土层时，应继续计算。

式中：Δs′n为在计算深度范围内，第i层土的计算变形值；Δs′i为在计算深度向上取厚度为Δz的土层计算变形值，Δz按表1确定。

表1 Δz值

2.3 承载力验算

2.3.1 单桩承载力

单桩承载力由桩侧土强度计算［3］，其计算方法见式（5）

式中：Rdk为桩的设计承载力，k N；u为桩周长，m；Ap为管桩截面积，m2；qR为桩端承载能力，k N／m2；qsi为桩周第i层土的极限摩阻力，k N／m2；li为桩周第i层土分层厚度，m；α为折减系数，取0.45；γR为荷载分项系数，可取为1.45。

2.3.2 复合地基承载力验算

式中：fsp为复合地基承载力，k Pa；β为桩间土应力发挥系数，取0.9；fsk为天然地基承载力，k Pa；A1为桩帽的面积，m2；l为管桩的间距，m。

3 结论

（1）采用预应力管桩复合地基处理高速公路深厚软土地基，具有施工方便及质量可靠等优点，能有效减少地基的工后沉降量。根据高速公路本身的荷载特点，先按沉降控制要求进行管桩复合地基的设计，使地基的计算沉降量小于允许沉降量，然后验算地基承载力是否满足要求。

（2）加固区的沉降可采用“二次”复合的方法进行计算，即先由管桩与桩帽以下的土体组成组合单桩，计算出第一次复合模量；再由第一次计算的复合模量与与桩帽之间的土体进行第二次复合，计算出整个加固区的复合模量，即可较为方便地计算地基的总沉降量。

［1］ 河海大学，沪宁高速公路股份有限公司.交通土建软土地基工程手册［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］ JTJ254－98港口工程桩基规范［S］.北京：人民交通出版社，1998.

［3］ 阎明礼，张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践［M］.北京：中国水利水电出版社，2001.