公路软基预制管桩处理间距优化现场试验数据分析

魏曙红

(安徽省地勘局第二水文工程地质勘查院， 安徽 芜湖　241000)

公路软基预制管桩处理间距优化现场试验数据分析

魏曙红

(安徽省地勘局第二水文工程地质勘查院， 安徽 芜湖241000)

摘要：在某高速公路沿线选取3个管桩施工路段，设置5种不同桩间距的8个观测断面并进行对比试验，研究管桩间距优化关键技术。

关键词：管桩；间距；优化；试验

预制管桩成桩质量较水泥搅拌桩、CFG桩更有保证，且施工快速、方便，在新建和拓宽公路的软基处治方面表现出较强的优势，应用越来越广[1-2]。公路软基处理是连续大面积工程，预应力管桩单体成本较高，桩间距对整体工程造价影响较大。因此，如何充分利用管桩高强度和高承载力的特性，在确保路堤稳定、沉降满足要求的前提下，增大桩间距，并使其经济、合理，显得尤为重要。

公路路堤对工后沉降和不均匀沉降要求较高。加宽路堤路面铺筑前的沉降速率应不超过1 mm/月，新旧路面横向坡度增加值应≤0.45%[3-4]；新建路堤路面铺筑前沉降速率应不超过5 mm/月，桥头工后沉降小于10 cm[5]。

在建筑桩基方面，预制管桩设计理论已经相当成熟。公路软基处理设计主要是参照建筑桩基规范，管桩桩长和桩间距设计是根据路基荷载所需的单桩承载力或复合地基承载力，采用钻孔资料或静力指标计算出相应的桩长和桩间距，并选取一定的安全系数作为储备[6-7]。

管桩应用于公路软基处理，其多以桩承式(桩帽)路堤形式出现，桩帽之间是非连续的，其上设有褥垫层和土工格栅[8]；桩间土分担一定的荷载，且桩间土的沉降是造成路堤沉降的主要因素。因此，建筑工程的要求在公路软基处理管桩施工中不具有控制意义。

本文以某高速公路扩建工程为依托，对管桩间距优化关键技术进行研究。在该高速公路沿线LK52、RK55和K4三个管桩施工路段设置了5种不同桩间距的8个观测断面并进行对比试验，对管桩间距优化关键技术进行研究。基于现场监测数据分析来判断不同桩间距条件下路基沉降规律和路堤的稳定状况，评价不同桩间距的加固效果，并通过有限元计算模型获得最优桩间距。

1现场试验方案

1.1软基处理方法

3个试验路段管桩处理方案见表1。

第1试验路段LK52+414～LK52+485纵向分为2段，每段长约35 m，采用2.8、3.2 m两种桩间距进行对比，桩帽尺寸均为1.5 m。设计桩长8.0～9.5 m，桩端进入中砂层。

第2试验路段RK55+630～RK55+720纵向分为2段，每段长约45 m，采用2.6、3.0 m两种桩间距进行对比，桩帽尺寸均为1.5 m，设计桩长8.5～13.5 m，桩端进入强风化砂层。

第3试验路段K4+450～K4+550，路基横向处理宽度为47.1～65.4 m。纵横方向分为4段，每段长约50 m，宽约20 m。采用2.5、3.0 m两种桩间距和1.2、1.5 m两种桩帽尺寸进行对比，桩长9.0～10.0 m，桩端进入粗砂层。

表1　各试验路段管桩处理方案　m

1.2现场监测仪器布设

第1、2试验路段每段设2个主要观测断面，第3试验路段设4个观测断面。观测仪器布设位置见图1、图2。观测内容包括桩和桩间土沉降、老路基沉降、分层沉降、深层水平位移、孔隙水压力等。观测仪器布设方法及作用如下。

1) 桩和桩间土沉降观测：采用单点沉降计测试。第1、2试验路段每个断面桩间土横向布设4～5个单点沉降计，桩帽上布设2个单点沉降计。第3试验路段每个试验点桩间土布设2个，桩帽上布设1个。根据不同条件下桩和桩间土的沉降量，分析沉降规律并预测沉降趋势，判别加固效果。

2) 老路基沉降观测：每个断面设2～3个测点。横断面位置在老路路肩及中央隔离带处。根据老路基的沉降量，判别管桩加固对老路基的影响。

3) 分层沉降：每个断面布设1组，每组设4～5个沉降计。分层沉降观测是用于掌握地基土不同深度、层位的沉降情况。

4) 深层水平位移观测：每个断面布设1～2孔，埋设位置在路基坡角处。深层水平位移观测是用于判别路基在填筑过程中的稳定状况，土体剪切破坏的位置。

5) 孔隙水压力观测：每个断面布设1组，每组3～4个孔压计。根据填筑期孔隙水压力的变化，判断填土过程中软土的固结状况，分析路基施工期稳定状况。

图1　第1、2试验路段观测仪器布设横断面示意

图2　第3试验路段观测仪器布设横断面示意

2试验路段地质条件

试验路段位于珠江三角洲冲积平原区，沿线存在软弱土层，厚度一般2～10 m，地层以粉质粘土、淤泥、砂砾石层为主，下伏基岩为泥质砂岩，局部为灰岩。地表高程2.0～6.3 m，地下水位埋深0.2～2.9 m。根据静探及钻孔揭露得到各试验段地层及静探指标，见表2。

第1试验路段主要地层：1) 粉质粘土；2) 淤泥质粉质粘土；3) 砂砾层；4) 粉质粘土；5) 全-强风化砂岩。

第2试验路段主要地层：1) 素填土；2) 淤泥、淤泥质粉质粘土；3) 粉质粘土；4) 强风化炭质灰岩。

第3试验路段主要地层：1) 素填土；2) 淤泥、含细砂淤泥；3) 含淤泥细砂、中砂；4) 淤泥质粉质粘土；5) 粗砂、砾砂；6) 强风化砂岩。

3不同桩间距桩间土沉降对比

3.1第1试验路段

在第1试验路段加宽路基设置2.8、3.2 m两种桩间距，桩帽尺寸均为1.5 m，填土高度均为3.8 m。桩间土测点编号自新路肩向坡脚方向依次为1-2、2-3、3-4、4-4，观测结果见表3。

从表3数据可以看出，桩间土累计沉降均在14.15～28.35 mm之间。桩间距为2.8 m的桩间土沉降量在17.57～25.75mm，桩间距为3.2m的桩间土沉降量在14.15～28.35 mm。填筑过程中最大沉降速率为0.33 mm/d，远小于稳定安全预警控制标准值。

表2　试验路段钻孔揭露地层情况

表3　第1试验段不同桩间距沉降量统计

注：单位沉降量是指单位软土厚度及填土高度的沉降量。下同。

比较桩间距3.2和2.8 m的桩间土沉降量可以看出，横断面相同位置3.2 m的桩间土沉降量均大于2.8 m的桩间土沉降量，差值分别为5.09、2.60、2.25 mm，坡脚4-4测点的沉降量几乎相当，表明桩间距越大沉降量也越大，但两者沉降差不大。第1试验路段不同桩间距沉降对比见图3。

同时还可以发现，同一断面中，自新路肩向坡脚方向2-3、3-4、4-4测点的桩间土沉降量逐渐减小，呈递减趋势。1-2沉降量略小于2-3沉降量，可能是因为1-2位于老路斜坡处，软土在老路基荷载作用下沉降已趋于稳定，荷载增量相对较小。

图3　第1试验路段不同桩间距沉降对比

3.2第2试验路段

在第2试验路段加宽路基设置2种桩间距，分别是2.6、3.0 m，桩帽尺寸均为1.5 m。填土高度在3.87～5.27 m，路基荷载差异较大。桩间土测点编号自新路肩向坡脚依次为1-2、2-3、3-4、4-4，观测结果见表4。

从表4数据可以看出，2种桩间距累计沉降均在18.63～37.40 mm之间，桩间距为2.6 m的桩间土沉降量在18.63～37.4 mm，桩间距为3.0 m的桩间土沉降量在20.6～28.40 mm。沉降量均较小且差别不大。填筑过程中最大沉降速率为0.51 mm/d，远小于稳定安全预警控制标准值。

表4　第2试验段不同桩间距桩间土沉降量统计

比较桩间距2.6 m和3.0 m的桩间土沉降量可以看出，自新路肩向坡脚方向的桩间土沉降量基本呈递减趋势。第2试验段不同桩间距沉降对比见图4。

图4　第2试验段不同桩间距沉降对比

将2种桩间距按单位软土厚度和单位填土高度的沉降量进行对比，发现RK55+640断面2.6 m桩间距单位沉降量为0.69～1.39 mm/m2，RK55+670断面3.0 m的桩间距单位沉降量在0.77～1.06 mm/m2，两者较为接近，差异不大。

3.3第3试验路段

将第3试验路段分为4个段落，设计2.5、3.0 m两种桩间距和1.2、1.5 m两种桩帽，桩长9.0～10.0 m，桩端进入粗砂层。该路段填土高度为3.82～4.06 m，各试验点填土荷载差异不大。沉降观测结果见表5。

从表5可以看出，各测点的桩间土累计沉降量为21.54～54.23 mm；桩间土差异沉降量在4.61～32.06 mm，其中2个桩之间的沉降差4.61～19.21 mm，4个桩之间的沉降差为13.0～32.06 mm。填筑过程中最大沉降速率为1.54 mm/d，远小于稳定安全预警控制标准值。

桩帽均为1.2 m时，3 m桩间距桩间土(4桩间)沉降为54.23 mm，2.5 m桩间距沉降为41.23 mm；桩帽为1.5 m时，3 m桩间距的桩间土沉降为31.39 mm，2.5 m桩间距沉降为22.17 mm。

第3试验路段不同桩间距和桩帽大小沉降对比曲线见图5。

表5　第3试验路段不同桩间距和桩帽大小实测沉降统计

图5　第3试验路段不同桩间距和桩帽大小沉降对比曲线

从图5可以看出，桩间距越大，沉降越大。将单位软土厚度和单位填土高度的沉降量进行对比，也显示出同样的规律。

4不同桩间距软土侧向位移变化

深层侧向位移监测可反映管桩加固后路基的稳定状况，若桩间距过大，深层软基会存在侧向挤出，加宽路基会出现张拉裂缝和滑动趋势，特别是高填方加宽路堤更是如此。因此，路基侧向位移的观测是反映路堤稳定性状况的重要手段。

第1、2试验路段深层水平位移统计结果见表6。从表6数据可知，各断面侧向位移最大值为7.6～42.2 mm，最大位移速率为0.20～1.80 mm/d，最大位移点均在浅层或地表处。总体上看，累计深层水平位移量和位移速率都较小，远离安全预警值，且规律不很明显。

表6　深层水平位移观测结果统计

分析RK55深层水平位移数据可知，深层水平位移最大值为42.2 mm，出现在RK55+640断面(桩间距2.6 m)，RK55+652(桩间距2.6 m)位移速率最大为1.68 mm/d，上述2个断面填土过程中最大位移及位移速率略大于RK55+680断面(管桩间距3.0 m)。主要原因是该路段填土厚度大，且紧挨水塘。从勘察资料看，RK55+652坡脚处软土厚度较大。

分析LK52深层水平位移数据可知，3个测点的深层水平位移相差不大，均小于20 mm，深层水平位移最大值为19.2 mm，出现在LK52+480断面(3.2 m桩间距)。

由此可以得出如下结论，试验路段最大深层水平仅为42 mm，最大位移速率为1.8 mm/d，指标均未超过设计要求。一定范围内的桩间距，其地基土深层水平位移的大小与填土高度、软土厚度、性质及所处的地形地貌条件有关系。

5管桩间距优化有限元数值模拟分析

ABAQUS软件对岩土工程具有较强的适用性。本文采用该软件对上述3个试验路段进行分析研究，共设置8个计算断面。主要研究问题如下：1) 地表沉降、路面沉降特征，最大沉降点位置及发展过程；2) 新路堤荷载下复合地基加固区和下卧层竖向附加应力分布特性；3) 比较不同桩间距、桩帽尺寸的加固效果。

有限元数值模拟计算结果见表7。从表7数据可以看出，8种工况下桩间土沉降值都很小，最大沉降是桩帽边长1.2 m、桩间距3.0 m的工况，沉降为44.8 mm。说明管桩处理软基控制沉降效果明显，在增大桩间距的情况下差异沉降不很明显。

表7　管桩试验路段沉降有限元数值模拟计算结果

8个断面最大沉降发生在老路斜坡靠近老路坡脚的位置，这是由于新建路堤下路基采用了刚性管桩进行加固，而老路基下没有打桩，所以老路的工后沉降反而要大于新路，路面形成反坡。

6结论

1) 现场试验最大桩间距为3.2 m，比原设计增大1.2倍，8个试验点的桩间土累计沉降量为14.15～54.23 mm；填筑过程中最大沉降速率为1.54 mm/d，远小于设计要求的稳定安全控制标准值，数值模拟计算桩间距可以达到3.6 m，从而验证了公路软土地基管桩加固疏桩技术的可行性。

2) 对LK4试验路段2种桩间距和2种桩帽尺寸的沉降观测资料进行了比较，发现桩帽相同，桩间距越大，沉降越大；桩帽越大，则桩间土沉降量越小。将单位软土厚度和单位填土高度的沉降量进行对比，也显示出同样的规律。对LK52、RK55试验路段的沉降观测资料进行了比较且也得出同样的结论。

3) 各断面侧向位移最大值为7.6～42.2 mm，最大位移速率为0.20～1.80 mm/d，最大位移点均在浅层或地表处。累计深层水平位移量和位移速率都较小，远离安全预警值。

参 考 文 献

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Analysis of Site Test Data on Optimization of Treatment Spacing between Prefabricated Tubular Piles on Soft Foundation of Highway

WEI Shuhong

Abstract:This paper selects 3 tubular pile construction sections along some expressway and sets 8 observed sections at 5 different values of pile spacing and conducts comparative test to study key techniques in optimization of spacing between tubular piles.

Keywords:tubular pipe; spacing; optimization; test

文章编号：1009-6477(2016)02-0005-06

中图分类号：U416.1

文献标识码：B

作者简介：魏曙红(1964-)，男，安徽省安庆市人，大专，工程师。

收稿日期：2015-09-23

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.002