PHC管桩在临港新城市政道路桥台后高填土路基处理中的应用

2017-06-26周孔

城市道桥与防洪 2017年6期

关键词：桥台管桩软土

周孔

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

PHC管桩在临港新城市政道路桥台后高填土路基处理中的应用

周孔

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

临港新城是上海未来发展的重点区域之一，近年来，临港地区的市政基础设施建设快速推进，但是，复杂的软土地基给市政建设带来了严峻的考验，尤其是在桥台后的高填土路基段，由于地基土的含水量较大，压缩性高、强度低，如果采用常规处理方式，极易产生桥头跳车现象，严重影响行车的安全性和舒适性，本文结合实际工程，通过对比分析，提出采用P H C管桩处理桥台后高填土软土路基，取得了良好的效果。

P H C管桩；软土地基；地基处理；工后沉降

1 概述

根据上海市委市政府有关决策部署，临港新城是上海未来发展的重点区域之一，为落实市委市政府的工作要求，临港综合区于2012年全面启动建设，洲德路是临港综合区先行启动的第一条重要通道，承担引导区域开发建设的重要功能。

洲德路西接两港大道，东连东海大道，是东西向连接主产业区和综合区的主要道路之一，同时利用两港大道和东海大道可融入市域快速交通体系，提升综合区对外交通能力。

2 问题的提出

洲德路的道路等级为城市次干路，全长约4.16km，包含桥梁5座。根据场地勘察报告，沿线浅部普遍分布有①1层填土、①4A层冲填土、①4B层冲填土，土质情况较差。

①1层填土，以素填土为主，含植物根茎，局部浅部以杂填土为主，含碎石、砖块，层厚0.3～2.4 m。该层填料不均，结构松散，未经处理不宜作为建（构）筑物的天然地基持力层。

①4A层冲填土，以黏性土为主，混少量粉性土，层厚0.7～2.0 m，该层沉积年代较长，土质一般，且土质不均匀，结构较松散，未经处理不宜作为建（构）筑物的天然地基持力层。

①4B层冲填土，以淤泥质黏性土为主，混粉性土，层厚0.6～3.4 m，该层土质较差，且土质不均匀，有软弱夹层存在，结构较松散，未经处理不宜作为建（构）筑物的天然地基持力层。

为了保证设计质量，根据规范要求，对本工程软土路基工后沉降提出如下要求：

（1）一般路段不大于0.3 m；

（2）与涵洞相接处不大于0.2 m；

（3）与桥台相接处不大于0.1 m。

该工程桥台后路基最大填土高度在2.0～3.2m，而且大部分桥台后有现状河塘存在，填土高度更高，最高达5.6 m，如不采取切实有效的处理措施，工后沉降难以满足设计要求。如何处理这部分高填土软土路基成为本工程设计的难点和重点。

3 处理方案比选

目前常用的深层地基处理方法有排水固结法和桩土复合地基法。

排水固结法的基本原理是软土地基在附加荷载的作用下，逐渐排出孔隙水，使孔隙比减小，产生固结变形。在这个过程中，随着土体超静孔隙水压力的逐渐消散，土的有效应力增加，地基抗剪强度相应增加，并使沉降提前完成或提高沉降速率。

排水固结法主要由排水和加压两个系统组成。排水固结法按加载方式的不同，一般分为堆载预压、真空预压、真空联合堆载预压；按加载与设计荷载的关系，可分为欠载预压、等载预压、超载预压。

排水固结法适用于厚度大于5 m的软土，但施工周期较长，预压时间根据土体性质（孔隙比、渗透系数、固结系数等）、土层分布、加载速率等因素的不同而不等，一般至少要保证9个月以上，不能满足本工程的建设进度要求。

桩土复合地基法主要有水泥搅拌桩、C F G桩、TC桩和P H C管桩等，这些工法都具有施工周期短、地基处理见效快、处理效果好等特点，但造价较一般的浅层处理方法要高，因此桩土复合地基法尤其适用于地质条件差（软基）、差异沉降控制要求高（如路桥结合处）而且施工建设期要求紧的情况。

上海地区常用的桩土复合地基深层处理方式主要有水泥搅拌桩和P H C管桩。

3.1 水泥搅拌桩

主要是利用水泥（或石灰）等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，由固化剂和软土间产生一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基强度和增大变形模量。由于目前施工设备的改进，计量、监理和工程质量都容易保证，施工工艺已相当成熟，已广泛应用于道路软基处理。适合不需较长的桩体（桩长一般不大于15 m），即可穿透软土层，并与下层好的土体形成整体。软土层经加固后形成复合地基，强度有很大的增强，有利沉降控制。地基处理时间一般一个多月强度就较高，一般加固效果显著，适用于工期较短的工程。根据施工方法的不同，水泥土搅拌法分为水泥浆搅拌（水泥搅拌桩）和粉体喷射搅拌（粉喷桩）两种。本工程可在水泥搅拌桩中加入外加剂（如石膏粉）对搅拌桩的性质进行改良，一方面使水泥搅拌桩容易成桩，另一方面通过改善搅拌桩水泥土的组成，提高水泥搅拌桩的强度，进而改进复合地基的整体性能。石膏粉用量约为水泥用量的20%，具体配合比参照现场试验结果确定。

水泥搅拌桩还可用于处理明浜填土较高的路段，提高置换率，长短桩结合和增加水泥参量，来保证浜域内的水泥土达到一定的桩身强度。

3.2 PHC管桩

预应力高强混凝土管桩（简称P H C桩），是在近代高性能混凝土（H P C）和预应力技术的基础上发展起来的混凝土预制构件，P H C管桩是专业工厂里采用先张法预应力和离心成型工艺，经过蒸压养护而制成的一种空心圆筒体的等截面构件，运往施工现场后，通过锤击或静压的方法沉入地下作为建（构）筑物的基础，适合深度较深的路基处理。P H C管桩具有以下优点：

（1）单桩承载力高。桩身混凝土强度等级为C80，具有高强性能，单桩允许承载力可达到2 500～3 200 k N，与桩顶、桩帽及碎石褥垫层结合后可形成较强的多桩复合地基承载力和抗变形能力。

（2）抗弯性能好。P H C管桩选用高强度、低松驰的阴螺纹钢筋作为预应力主筋，使桩身具有较高的预压应力，其抗弯、抗裂性能良好，P H C管桩有卓绝的贯入性能，可以穿透密实的砂层，能适应复杂的环境与地理条件。

（3）质量稳定可靠。由于采用工厂预制的生产方式，能利用先进的工艺和设备，质量容易控制，产品质量容易保证，且成桩质量监测方便。

（4）应用范围广。桩身耐防腐性能好，规格长度容易调整，容易布桩，对桩端持力层起伏变化大的地质条件适应性强。

（5）施工速度快，工期短。P H C管桩在工厂商品化生产，能按施工要求及时供桩，施工前期准备时间短，一般能缩短工期1～2个月。

（6）施工现场文明。施工现场无砂石、水泥，无泥浆污染，对施工现场狭窄的工程特别有利。

3.3 方案比选

本文针对不同桥台后填土高度，选取典型地质断面，对这两种地基处理方式的工后沉降进行计算，结果见表1～表5。

表1 1号桥台后填土工后沉降计算结果

表2 2号桥台后填土工后沉降计算结果

表3 3号桥台后填土工后沉降计算结果

表4 4号桥台后填土工后沉降计算结果

表5 5号桥台后填土工后沉降计算结果

根据计算结果，在本工程的地质条件下，采用P H C管桩进行地基处理后控制沉降的效果要明显优于水泥搅拌桩，而且水泥搅拌桩的成桩效果往往还取决于地基土的土质条件、地下水的腐蚀性等因素，根据地质报告，本工程地下水呈微腐蚀性，水泥搅拌桩的成桩效果还有待试验检验。

综合比较，本工程推荐采用P H C管桩进行桥台后地基处理，P H C管桩设计参数如下：

（1）桩径：400 mm。

（2）桩长：设计桩长穿透高压缩软土层，桩长约22 m。

（3）桩距：2.5 m，按正方形排列，布桩范围为桥台后30 m。

（4）预应力混凝土管桩采用A B型，桩径400mm，壁厚95 mm，混凝土强度等级采用C80。

（5）预应力混凝土管桩单桩设计承载力不小于840 k N，地基加固后复合地基承载力不小于150 k P a。

另外，为了保证桩、土协同受力和减少局部应力集中，水泥搅拌桩和P H C管桩桩顶均铺设褥垫层，褥垫层材料选用碎石，最大粒径不宜大于30mm。

4 预应力管桩施工技术要求

（1）预应力混凝土管桩施工前，必须对地质报告进行详细、全面的了解，确保工程质量，若遇地质实际情况与地质详勘报告有较大出入或遇到异常情况时，需及时向建设方和有关部门反应，并妥善地加以解决。此外，应查明工程范围内地上及地下各类管线、障碍、地下构筑物等实际位置，若布桩位置与桥梁承台、立柱、地下管线及其他地下构造物有冲突时，应注意避让。必要时应采取相应的保护措施，沉桩工程应注意对邻近建筑物的影响。

（2）预应力混凝土管桩实施前地表先进行清表处理，确保根植土、杂填土清除后，再回填夯实、碾压至设计标高，压实度（重型）不小于90%；若位于浜塘处，则先抽干积水，清淤后采用二灰填筑至原地面，压实度（重型）不小于90%。

（3）预应力混凝土管桩采用重锤轻打的方法沉桩，施工单位应根据设计桩长进行合理配桩，采用焊接法接桩，要求相邻桩接头位置错开1 m以上，并加强焊缝及桩的连续性检测。接桩时，桩的纵向弯曲矢高不得大于每节桩长的0.1%。接桩的接头平面与桩轴平面垂直度不得大于每节桩长的0.5%，接桩焊接应满足《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（G B 50202—2002）的相关要求。

（4）沉桩以控制桩尖标高为主，贯入度为辅。打桩顺序应从中间依次向四周打，以防止土体挤密影响沉桩。对沉桩过程中发生异常现象（如断桩、桩身破损及贯入度反常等）均应做详细记录，并采取措施妥善处理。桩顶如有破损和强度不足时，应将破损和强度不足段凿除并修补平整。

（5）预应力管桩桩顶一般低于清表、夯实、整平后的地表25 c m，在桩顶地表开30 c m深的槽现浇混凝土桩帽，采用C25混凝土现浇，桩身嵌入桩帽5 c m，预应力管桩桩帽施工完成后，先摊铺10 c m厚碎石，在碎石上铺设一层钢塑格栅后，再摊铺20 c m厚碎石并再铺设一层钢塑隔栅,其上再摊铺10 c m厚碎石，碎石垫层总厚度40 c m。铺设格栅时纵横向搭接应不小于50 c m，并且上下层接缝应交替错开，错开长度应大于0.5 m，钢塑格栅的经、纬向抗拉强度不小于50 k N/m，伸长率不大于5%。基底碎石压碎值应不大于26%，每层碎石摊铺需碾压密实后再铺设钢塑隔栅。