高路堤软基加固PHC管桩承载力现场试验研究

苏文豪，牛永前，董国

（1.广东包茂高速公路有限公司，广东 茂名525000;2.河海大学道路与铁道工程研究所，南京 210098）

高路堤软基加固PHC管桩承载力现场试验研究

苏文豪1，牛永前2，董国2

（1.广东包茂高速公路有限公司，广东 茂名525000;2.河海大学道路与铁道工程研究所，南京 210098）

通过对包茂高速粤境段某一软土地基上高路堤达到40m的PHC管桩加固路段现场实验，对PHC管桩在施工期内的承载力增长规律进行研究。研究结果表明，当填土高度小于30m时，桩体承载力与填土高度呈良好的线性关系，当填土高度大于30m后，试验桩桩周土体将产生相对桩体向下的位移，从而使桩身出现负摩阻力，土体承载向桩体转移，即桩体承载力在填土高度增加时增加的更快。

高填方；软基加固；单桩承载力；差异沉降

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.016

1 引言

在高速公路的建设过程中，不可避免地遇到软土地基和高填方路堤的情况，有时更有软土地基上存在高填方的现象，在这种情况下，就亟需对软弱地基进行加固处理。目前，高速公路软基加固方法有很多，由于地基所在地域气候环境的不同，软基处理方法也不相同。现今较为常用的软基处理方法主要有换填垫层法、强夯法、砂石桩法、水泥土搅拌法、真空预压法、预应力管桩法等[1]。大量的实际工程经验表明，预应力管桩法[2]在处理软土地基时具有明显的优点，如承载力高、应用范围广、施工快、成桩率高、工程造价低等，因而，采用预应力管桩对高填方软土地基路段进行加固是常用且切实可行的。

预应力管桩的桩体承载力是由多种因素共同决定的，如：桩体参数、土体性质、含水量、桩体水泥配合比等，国内外学者针对桩基承载问题进行了大量理论与实验研究。程刘勇[3]通过有限差分软件进行模拟认为斜坡桩基承载力与临坡距和坡度

有线性关系。杨岳华[4]通过对桥下钻孔灌注桩进行静载试验，从而拟定各层土桩侧阻力和桩尖土层端阻力的位移函数，并建立相应的位移微分方程，为准确分析桩基承载力提供计算依据。李素华[5]以改进的适合于分层介质内的Mindlin解答为基础，给出了按摩擦型单桩承载机理分析计算的“广义弹性理论法”。郑刚[6]进行了单排桩和群桩条件下路堤稳定性离心模型实验，对桩体破坏模式和路堤破坏因素进行了深入分析。冯忠居[7]通过陕西芝川河特大桥桩周浸水前、后的荷载实验研究，分析了地面水对黄土地区桩基承载力的影响程度和桩体沉降变形规律。李素华[8]在考虑复杂地质条件下桩—土和土—土相互作用的时间和空间效应的基础上，将土的流变学理论与桩基承载性能综合弹性理论法相结合，建立了一套完善、实用的桩土体系力学模型,提出并验证了桩土承载性能时空效应分析新理论。施峰[9]通过对福州地区56根预应力高强混凝土管桩进行单桩水平静载荷试验，结合《建筑桩基技术规范》中推荐的m法计算，讨论了福州地区PHC管桩的水平承载力取值问题。上述研究通过理论分析和实测拟合的方式，表明桩体的承载性能是由多种因素共同决定的，但对于在道路建设过程中，桩体承载性能与施工现场条件的关系问题分析较少，对于桩体承载力随上部荷载增加的关系缺乏现场实验支持。

本文依托包头至茂名国家高速公路粤境段的K22+080～K22+280工程段，对软弱地层上高填土路堤（填土高速40m）软基加固项目中采用的PHC管桩单桩承载力与填土高度和施工时间的关系问题进行探讨，对施工稳定性进行分析讨论。

2 实验背景及方案

2.1 工程背景

本研究现场试验在包茂高速（粤境段）K22+180典型软基高路堤断面展开。试验路段的地基为广东省常见的软土地基，压缩性强，承载力差，需进行地基处理。由于施工条件要求，再加上当地气候条件高温多雨，岩土工程中常用的地基处理方法（超载预压法，换土垫层法等）并不适用[10]，因此，采用了PHC管桩加固的复合地基处理方式。测量段K22+180软基高填方横断面如图1所示，路堤填土高达40m。通过移动式静力触探车对试验段进行地质勘探，得到测量段地基土层分布情况如图2所示。

图2 K22+180地基土层地质图

K22+180路段管桩按正方形布置，桩距2m。由图1、图2可知，测量断面路堤填土高，尺寸大，因此，同一断面下地基地质状况较为复杂，地基土层分布存在差异。尽管如此，地质钻孔结果表明，软土层厚度差别不大，约为5～7m，因施工时管桩在稍硬土层便不再下沉，加固管桩桩长也略有差异，约16～19m。管桩的尺寸及参数见表1。地基加固后，使用重型压路机分层碾压填筑填土，填土以及各钻孔地基土的岩土力学参数见表2。

表1 PHC管桩参数

表2 填土以及地基土的岩土力学参数

2.2 实验方案与仪器

对于本课题的PHC管桩加固的软基高填方路堤，K22+180试验断面主要测量内容为桩顶荷载、桩身沉降以及相应水平位移等，实验方案的具体仪器埋设位置见图1。其中，沉降计为电测传感器，钻孔埋设，测试基点锚固在深层基岩不动层中[11]。为了对桩身沉降进行观测，将沉降计锚固在桩帽底部纵筋一侧，再浇筑桩帽，如图3所示。桩顶荷载采用电测压力传感轴力计测量，三个轴力计三角对称布置，夹于两片2cm厚钢板内，中间空隙采用轻质泡沫填充，一同固定在桩顶，形成一组荷载测试单元，安装完毕后，再进行桩帽制作，如图4所示。

图3 桩身沉降计及其安装示意图

图4 桩顶轴力计安装示意图

3 实验结果分析

本实验过程中，详细记录了包茂高速粤境段K22+180路段桩顶荷载和桩身沉降随填土高度和施工工期的变化情况。

3.1 桩体承载力与路堤填土高度分析

图5给出了桩体承载力随填土高速增加而变化的情况。

图5 桩顶荷载与填土高度关系曲线图

从图5中可以看出，对于埋设于K22+180路段左侧距路基中线13m、19m、25m和32m的PHC管桩，在路堤填土高度达到30m之前，桩身承载与填土高度呈线性相关的关系，在填土高度在30～37m的过程中，虽然桩身承载与填土高度仍然是线性相关，但其坡率比之前增长较大，说明在填土高度达到30m的时候，桩体出现了某种变化，导致了这种现象。

为对该现象进行分析研究，图6给出了埋设于左侧距路基中线41m处桩侧沉降计和桩间沉降计测量出的沉降、路堤填土高度和施工时间的关系曲线。

图6 沉降、路堤填土高度和施工时间的关系图

在图6中，容易发现当填土高度到26m，施工时间90d时，路基左侧距中线41m处桩间土体沉降开始明显大于桩体沉降量直至沉降趋稳，这表明在填土过程中存在某一个填土高度使得桩-土出现差异沉降，由于桩周围土体相对桩身产生向下位移，这样使桩身承受向下作用的负摩擦力，在此过程中，桩体承载力增加速率比土体未产生下移时更大。图5中桩顶承载力在30m处出现变化，可以表明在填土高度达到30m时，所测桩体桩周土体产生相对桩体的下移现象，导致桩身产生负摩阻力，同时,桩土复合地基由土体承担的部分荷载慢慢向桩体过渡，从而导致桩体承载力与填土高度曲线出现斜率变大现象。对于图5中各试验桩桩端承载力测量值出现不同规律现象，分析认为其原因是实际施工时PHC管桩实际长度不同以及地质的差异导致桩周土在不同的荷载下产生下移现象。

3.2 桩体承载力与施工时间分析

本项目在试验段进行了半年的施工期观测，根据PHC管桩桩体承载力与施工时间的关系，绘制图7曲线。

由图7可知，在施工期35d内，桩体承载力随着填土高度的增加而增加，在雨季施工停滞时，桩体承载力不出现大变化，在雨季结束后，桩体承载力再次随着填土高度的增加而增加，随着施工结束，填土高度达到设计值，桩体承载力随时间而逐渐趋于某一固定值。

图7 桩体承载力与施工时间关系图

图中桩体承载力曲线表明，试验桩在施工后期其承载力趋稳，不出现桩体承载力激增或锐减现象，说明施工结束后，PHC管桩承载稳定，没有出现桩体破坏或桩体刺入而失稳的现象，从桩体承载力分析，试验段软基路堤PHC管桩加固效果良好，整体稳定。

4 结语

本文通过现场试验对高路堤下软土地基加固中PHC管桩桩体承载力进行了实测研究，主要结论如下：

1）高路堤下软土地基加固施工期内，在路堤填土较低时（本试验段为30m以下），PHC管桩的桩体承载力与填土高度呈现稳定的线性相关关系。

2）高路堤下软土地基加固施工期内，在路堤填土到达某一限值时（本试验段为30m），PHC管桩桩周土体产生相对桩体的下移现象，导致桩身产生负摩阻力，同时桩土复合地基由土体承担的部分荷载慢慢向桩体过渡。

3）在本文试验路段，在施工结束后，高填软土下PHC管桩桩体承载力趋稳，从现有观测结果分析，试验段软基路堤PHC管桩加固效果良好，桩-土复合地基结构稳定。

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The Field Test Research on the High Embankment Soft Soil FoundationTreatment PHC Pile Bearing Capacity

SU Wen-hao1,NIUYong-qian2,DONGGuo2
(1.GuangdongBaomaoFreewayCo.Ltd.,Maoming 0250000,China；2.Hehai InstituteofHighwayandRailwayEngineering,Nanjing 210098,China)

BasedontheBaoMaoHighwayGuangdongSectionofaSoftreach40mhighembankmentreinforcementofPHCpilesectionsof fieldexperiments,thestudyofPHCpilebearingcapacitygrowthlawintheconstructionperiod.Theresultsshowthatwhenthefillingheightof less than 30m,bearing capacityof piles and fill height was a good linear relationship,when the filling height is greater than 30m,test pile surroundingsoilwillproduceadownwarddisplacementoftheoppositepile,sothatthepileofnegativefrictionresistanceofsoiltopilecarrier transferthatpilebearingcapacityincreasedfillingheightincreasesfaster.

highfill;softsoilfoundationtreatment;bearingcapacityofpile;differentialsettlement

U416.1+2

A

1007-9467（2016）07-0073-04

2016-08-26

广东省交通运输厅科技项目（2011(794)-02-021)

苏文豪（1985～），男，海南文昌人，工程师，从事高速公路建设研究，（电子信箱）195798638@qq.com。