桩承式加筋路堤在深层软土处理中的应用

潘 锋， 吴 涛

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

桩承式加筋路堤在深层软土处理中的应用

潘 锋， 吴 涛

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

以工程实例为依托，介绍了桩承式加筋路堤的一种简化计算方法，采用高强预应力混凝土管桩疏桩布置，高强土工格室进行加筋补强，以工后沉降做为主要设计控制因素，以期为今后类似工程提供设计参考。

桩承式路堤；拱膜效应；减沉疏桩

道路建设中,经常遇到软土处理的问题,软土处理由于工期长、造价高,对道路建设期及营运期安全、行车舒适性、路面使用寿命等影响较大,因此成为此类工程建设中的关键所在。

传统的软土处理方法如排水固结需要较长的预压期、难以适应市政道路“短平快”工期普遍较紧的要求;而粉喷桩、高压旋喷、CFG桩等柔性、半刚性桩复合地基由于其桩身强度有限存在有效桩长问题,且目前的打桩设备很难穿透深层软土,难以满足工后沉降及拼宽路基差异沉降的要求。桩承式加筋路堤是近年来发展的一种有效控制工后沉降的方法,具有单桩承载力高、质量可靠,加筋路堤整体刚度较大、受荷均匀,工后沉降和差异沉降得到有效控制,施工现场无噪音、泥浆污染等特点。桩承式加筋路目前主要采用高强预应力混凝土管桩等刚性桩做为承载构件,管桩由于其强度高、质量可靠、施工方便、检测标准明确等诸多优点在多条高等级道路上大量使用并获得成功,但关于预应力混凝土管桩用于软基处理时的计算模型、方法等目前规范尚不明确,本文结合工程实例,按桩承式路堤中减沉疏桩考虑,对计算出的桩间距等参数进行综合对比分析,以期为今后类似项目提供参考[1-2]。

1 桩承式加筋路堤作用原理

桩承式加筋路堤属于刚性桩复合地基范畴,即垫层下的桩、土通过垫层的荷载均化作用,共同承担上部荷载。桩承式路堤典型剖面如图1所示,各个组成部分相互作用影响,土拱效应、薄膜张拉效应是桩和桩帽荷载传递机理。桩体通过桩长范围内的桩侧阻力和桩端阻力共同作用,与桩间土共同承担荷载;桩帽的设置可增大桩体置换率,减小桩顶处的应力集中;加筋垫层可调节桩土应力比,同时消除剪应力,限制土体的侧向变形和位移[2]。

图1 桩承式路堤示意图

支承于桩间的加筋土垫层在上部路堤荷载的作用下,会像图2那样产生弯沉。对垫层的侧向变形加以控制,则垫层会将部分荷载传递给桩,以减少桩间土的受力,根据有关加筋土地基的拱-膜理论,支承于地基上的土工合成材料,在外荷载及上覆土层自

图2 桩承加筋土垫层复合地基受力计算简图

重作用下也会产生弯沉。弯沉的结果是土中产生拱效应,部分荷载被传递至弯沉区以外;同时,合成材料被拉紧,起到张拉膜作用,从而能承受法向荷载。当弯沉到一定程度,合成材料刚好与基底接触,荷载便由加筋材料与基底土体共同承担。

2 工程实例应用分析

2.1 项目概况

某城市主干道(设计时速60 km/h,路基全宽48 m)位于长江河漫滩地带,地势平坦、水网密布,地表多被第四系地层覆盖,上部为1～1.5 m不等的可塑状粉质黏土,fak=100 kPa;下伏第四系全新统冲积成因的淤泥、淤泥质粉质黏土,一般呈软塑-流塑状,高压缩性,承载力基本容许值为70 kPa。该层淤泥质土的主要特征反映在以下五个方面:触变性、流变性、高压缩性、低透水性、低强度。对道路建设的危害主要表现在:承载力不足和地基不均匀沉降,易造成路基变形较大、路堤滑移等。

根据地质勘察软土层厚变化剧烈,15～24 m不等,物理力学指标见表1所列。

表1 地基土物理、力学指标表

考虑到该项目道路等级高、综合管线等设施一次性投资较大、施工周期短,周围多条被交道路及地块开发建设时重型施工车辆均要利用其进行通行,因此在软土设计指标上,将一般新建路段工后沉降控制值统一提高到≤20 cm。

针对本项目软土较深的特点,若采用水泥搅拌桩、CFG桩等传统桩型,由于桩身强度低、存在有效桩长问题,均存在难以打穿软土,工后沉降值较大难以满足设计要求等问题,经过比选,最终确定采用桩承式加筋路堤,桩采用预应力混凝土管桩PHC400(95)A型。

2.2 设计方案

对于本项目,路基宽48 m,平均填土高度2.0 m,最大填高4.0 m,路基结构层厚74 cm,按正方形,在路基坡脚之间布桩,具体设计参数如下:

(1) 桩型的确定:桩型采用PHC400(95)A型,静压施工。

(2) 桩长的确定:桩长原则上应穿透软弱土层达到强度相对较高的土层,同时应满足稳定性验算要求,穿过最不利滑面[3]。

(3) 桩间距:相对于传统复合地基而言,桩承式加筋路堤只有采用疏桩布置才更有利于发挥刚性桩单桩承载力高的特点,其桩间距比传统柔性桩、半刚性桩复合地基略大,一般为6～8倍桩径,初定桩间距2.6～2.8m[4-5]。

(4) 桩帽:在桩承式路堤中,相对于土而言,桩的承载力较高,桩要承担路堤荷载的70%～80%。由于管桩的截面积不大,且采用疏桩布置,因此在桩顶设置桩帽,均化上部荷载、调整桩土应力比。桩帽尺寸一般采用1.2～1.5 m,厚度0.3～0.4 m,为增强整体性,在上部设置1.0 m钢筋笼与桩体连接,并采用混凝土填芯。本项目桩帽尺寸为1.5 m×1.5 m×0.3 m。

(5) 桩顶加筋垫层:在路堤填土荷载作用下,桩承式加筋土垫层中的垫层不同于刚性基础下复合地基的褥垫层。对路堤这一柔性基础而言,褥垫层不仅是形成复合地基的必要条件,同时还应具有较大的刚度,不仅能抵抗桩的刺入,还要有能在桩间形成“土拱”效应的能力,因此垫层厚度一般要求不小于30 cm,材料可采用级配碎石等水稳性好、压缩模量大的材料,其压实度≥93%。垫层中的加筋材料采用钢钉插接整体式高强土工格室(5 cm高,碎石可充填其中),与传统平面加筋材料土工网、土工格栅相比,高强土工格室具有抗拉强度大、延伸率低、节点连接稳固等特点(网袋纵向抗拉强度≥11 kN/10 cm,网带断裂伸长率≤15%),且三维网格的侧限作用对格室内填料的横向变形起到约束作用,在荷载不用的情况下,相当于增加了横向主应力,从而使剪应力减少[6]。

2.3 桩承式加筋路堤的计算

目前理论界与工程界对刚性和柔性桩还没有统一、明确的界限标准,但PHC管桩属于刚性桩已达成共识。刚性疏桩基础是一种介于传统桩基和复合地基之间的一种新型基础形式,属于变形控制设计范畴[2,7],因此对于桩承式加筋路堤只有布置成疏桩型式才更能充分发挥其单桩强度高的特点,其在路堤荷载作用下的应力分布图见图3。

图3 路堤荷载作用下地基土中应力分布曲线图

本项目采用PHC400(95)A型预应力混凝土管桩,间距2.6 m,正方形布桩,桩长26 m,加筋垫层厚度0.4 m,内设两层高强土工格室,单层格室承担的的拉拔力设计值取T=40 kN,相应的延伸率ε=0.03,桩帽尺寸1.5 m×1.50 m×0.3 m,路面+车辆荷载q=31.7 kPa,路堤填土γ=19.2 kN/m3。计算断面见图4所示。

图4 桩承式加筋路堤计算断面图

根据土工合成材料的张拉膜理论,合成材料的法向力[6]为

σ=εnTε0.5/(0.122s0)=0.03×2×40×0.30.5/(0.122×1.1)=9.79。

垫层底应力qs=q单桩承载力验算:

桩的规格PHC400(95)A,由桩身强度提供的单桩承载力设计值:RA=1 650kN[4]。

由桩端和桩间土提供的单桩承载力为

(1)

其中,RA为桩的设计承载力kN;up为桩周长m;Ap为管桩截面积;qp桩端阻力特征值kPa;qsi桩周第i层土侧阻力特征值;αp桩端阻力发挥系数。

将相关参数带入得

RA=825kN

所以单桩承载力设计值为825 kN。

桩帽上的荷载

pz=2σBs0+q+γzd=2×9.79×1.5×1.1+34.77+19.2×4+19.2×0.4=119.25 kN

pz

(2)

其中，λ为单桩承载力发挥系数;RA为单桩竖向承载力特征值(kN);Ap为桩的截面积(m2);β为桩间土承载力发挥系数。

本段路基最大填高4.0 m,压实填土的容重γ=19.2 kN/m3,路面结构层74 cm,γ=23.0 kN/m3,换算成填土高度0.89 cm,车辆荷载换算成等代土体的厚度为0.76 m[1],因此其长期设计荷载108.5 kPa

(3) 沉降量计算。软土的总沉降量由主固结沉降、瞬时沉降和次固结沉降计算,现行规范中为简化计算,一般采用主固结沉降乘以经验系数求得[3]。

总沉降Sz<ψssc

(3)

主固结沉降[3,8]

(4)

路基中心点下的竖向附加应力pi,可由表2、表3近似求得

其中,α为附加应力系数,按条形基础。

表2 均布条形荷载下附加应力系数

表3 路基中点下的竖向附加应力pi计算

总沉降量由表4求得:Sz=Ψssc=1.2×0.124 6=0.149<0.2 m(满足)。

表4 主固结沉降计算

3 结束语

本文以复合地基桩土共同作用基本原理为依托,辅以有关加筋土地基的拱-模理论,结合工程实例,介绍了桩承式加筋土路堤的简易计算方法,从计算结果看,采用桩承式加筋路堤处理深层软土,承载力提高显著,工后沉降控制效果明显。下一步为提高计算的精确性,需进一步积累不同布桩型式、不同施工条件下,桩间土加固后物理、力学性质的变化,以及通过载荷实验及变形观测结果,为计算公式提供更合理的经验值,提高计算的精确性,从而推动其进一步推广应用。

[1] JTGT D31-02-2013，公路软土地基路堤设计与施工技术细则[S].

[2] 欧阳仲春．公路工程中岩土工程设计实用指南[M]．北京：人民交通出版社，2013．

[3] JGJ 79-2012，建筑地基处理技术规范[S]．

[4] DB 34 5005-2014，先张法预应力混凝土管桩基础技术规程[S]．[5] GB 13476-2009，先张法预应力混凝土管桩[S]．

[6] 兰 青.桩承加筋土垫层与拱模理论[D].重庆：重庆交通学院，1997.

[7] 欧阳仲春.现代土工加筋技术[M].北京：人民交通出版社，1991.

[8] 雷 东，黄 欢.分层总和法在某铁路软土路基的沉降分析[J].中国水运，2008(12)：187～188.

[9] 王 斌，徐泽中.PTC桩在高速公路软基处理中的应用 [J].现代交通技术，2006(6)：48～52.

[10] 姚裕春，庞应刚.高速铁路深厚土层地基处理技术与沉降计算 [J].路基工程，2010(S1)：97～99.

遗失声明

安徽省徐新建筑安装工程有限公司朱庆华同志的二级建造师证书遗失。证书编号：皖234070807844。特此声明作废。

2016年5月10日

芜湖市高科电子有限公司的工程设计资质证书(正本)遗失。证书编号：A234002491。特此声明作废。

2016年5月17日

枞阳县交通工程有限责任公司朱永忠同志的安全生产考核合格证书遗失。证书编号：皖建安B(2010)0066473。特此声明作废。

2016年6月3日

马鞍山市天恒建设工程有限公司孟伟同志的安全员B证遗失。证书编号：皖建安B(2013)0188587。特此声明作废。

2016年6月3日

安徽协同建筑劳务有限责任公司罗鹏永同志的安全C证遗失。证书编号：皖建安C(2015)0026727。特此声明作废。

2016年7月1日

2016-06-13；修改日期：2016-06-20

潘 锋(1982-)，男，河南信阳人，硕士，安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司工程师．

TU435

A

1673-5781(2016)04-0526-04