预应力管桩处理软土地基效果分析

2017-12-19张强王鑫

城市道桥与防洪 2017年11期

关键词：桩帽管桩桩体

张强，王鑫

（1.天津市市政工程设计研究院，天津市300051；2.天津津质工程技术咨询有限公司，天津市300401）

预应力管桩处理软土地基效果分析

张强1，王鑫2

（1.天津市市政工程设计研究院，天津市300051；2.天津津质工程技术咨询有限公司，天津市300401）

结合某高速公路改扩建工程，借助有限元分析方法，对预应力管桩在不同桩帽、桩长、桩间距、垫层刚度时的路基沉降进行计算，研究预应力管桩在不同情况下处理软土地基的效果，为软土地基处理设计施工提供参考。

预应力管桩；有限元；软基处理效果；路基沉降

0 引言

随着地基处理技术的发展，复合地基技术在处理高等级公路深厚软土地基中的应用越来越多。大量工程实践证明，预应力PTC管桩具有承载力高，穿透能力强，耐久性好，适应性强，施工工期短等优点[1,2]。目前该桩型已在国内沿海地区普遍推广应用，在许多地区正取代各种传统桩型而成为主导桩型。预应力管桩属刚性桩，与桩周围土体一起组成复合地基，其刚度较土体大得多，容易造成桩体刺入路堤，引起路堤表面沉降不均匀，实际工程中通常在桩顶配置桩帽，增大桩体与垫层的接触面积来解决工程问题[3，4]，但目前PTC管桩复合地基处理方法的理论研究尚在发展中，对于桩身、桩间距、垫层等设计参数没有系统研究，因此，有必要对PTC管桩复合地基处理的设计参数进行分析，为PTC管桩复合地基处理提供设计指导。

本文结合某高速公路改扩建工程，通过有限元计算，分析了不同桩身参数，桩间距、垫层对预应力管桩处理软土地基的效果影响，为预应力管桩的应用提供技术支持。

1 管桩处理总体效果分析

某高速公路软土地基厚度为6 m，上覆3.0 m的硬壳层，路基高度为6 m，各土层参数见表1。采用修正的剑桥模型，图1、图2分别为处理前后的有限元离散图。图2采用管桩处理，管桩上不设桩帽，桩间距为3.5 m，桩长为9 m，打穿软土层。天然地基与管桩处理后的地基沉降见图3。

表1 地基和路堤的土层参数

图1 天然地基离散图

图2 管桩处理有限元图

从图3可以看出，尽管管桩间距较大，不设桩帽，也能明显减小地基的沉降量，路中心的最大沉降量从处理前的78 cm减少到32 cm。但由于管桩的间距较大，造成了管桩桩体与桩间土体明显的沉降差，即引起了明显的桩体刺入现象，且由于路中荷载越大，越靠路中心其上刺现象也更加明显。由于管桩桩体具有较高的承载力，一般采用减少管桩的桩间距或在桩顶设置桩帽的方法减少桩体的刺入现象。

图3 天然地基与管桩处理后的沉降量对比

2 桩帽大小的影响

为研究不同桩帽大小对减少管桩的上刺变形，提高管桩的单桩承载力的有利程度，模拟计算了管桩间距为3.5 m时，桩帽大小分别为无桩帽、1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m及桩帽大小为2.0 m×2.0 m的地表沉降，见图4。

图4 不同桩帽尺寸的地基沉降量

从图4可以看出，与无桩帽相比，设置了桩帽后，在路中荷载较大的部位，地基的沉降量明显减少，特别是桩的上刺现象，随着桩帽尺寸的增加，上刺的量明显减少，且当桩帽的沉降量增加后，桩帽以下土体与管桩组成复合地基，承担了更多的荷载，所以下卧层的沉降量也明显减小，不同桩帽尺寸下卧层的沉降量见图5。另外，从图5看出，在路肩荷载较小的段落，设置了桩帽的地基其沉降量反而大于未设置桩帽或桩帽尺寸较小的地基，且桩帽较小的地基其下卧层的沉降量也较小，说明管桩处治的地基，在加载的过程中，荷载首先向管桩集中，即管桩承担了大部分的荷载，随着荷载的增加，桩间土也逐渐发挥作用，承担一部分的荷载，达到桩土共同作用。

图5 不同桩帽尺寸的下卧层沉降量

3 管桩桩长的影响

为研究管桩桩长的影响，取该高速公路典型土层，软土上部上覆3.0 m的硬壳层，软土的厚度为15 m。分别计算桩径0.5 m，桩间距2.5 m，桩帽大小为1.5 m×1.5 m，桩长分别为9 m、15 m及18 m时的地基沉降变形情况，见图6。

图6 不同桩长的地基沉降量

从图6可以得出，在软土范围内，桩长越长，地基的沉降量也越小，所以对工后沉降量要求严格的拓宽路基，管桩的桩长应以打穿软土为宜，可有效减少地基的总沉降量及工后沉降量。图7为桩长9 m及15 m时软土层15～18 m的压缩沉降量，在路基填高较高的范围内，当桩长为15 m时15～18 m的压缩量明显小于桩长为9 m时的压缩量，说明随着桩长的增加，管桩及桩帽以下的桩长范围内土体承担了较大的荷载，15～18 m软土范围内的附加应力明显减小，故有效减少了下卧层的沉降量。但在路肩及边坡范围内的状体，由于荷载较小，路基的大部分荷载由管桩的桩体承担，随着桩长的增加，大部分荷载传递至下卧层，造成下卧层附加应力的增加，故当桩长较长时，下卧层的沉降量也较大。

图7 不同桩长15～18 m软土的压缩量

图8为桩长15 m时地下不同深度的桩间土沉降量，可以看出，在管桩处理范围内，管桩、桩帽以下的土体及桩帽之间土体的差异沉降量较小，而桩尖以下的土体，由于管桩荷载的传递作用，桩间以下土体的沉降量明显大于桩间土的沉降量。

图8 桩长15 m时桩间土的沉降量

4 垫层刚度的影响

为发挥管桩复合地基中管桩的成载力较高的特性，协调管桩与桩间土之间的变形，一般在桩顶设置垫层[5]。在高速公路地基处理工程中，垫层一般采用碎石垫层及灰土垫层，碎石垫层一般用在基底的桩顶，而灰土垫层一般用于改扩建工程边坡上的管桩桩顶。为研究垫层刚度对地基沉降量的影响，分别选取垫层刚度为50 MPa、80 MPa、100 MPa及120 MPa计算管桩桩长为18 m、桩帽的大小1.5 m×1.5 m及桩间距为2.5 m时地基的沉降量，见图9。

从图9可以看出，随着垫层弹性模量的增大，在荷载较大的路中位置，地基的总沉降量明显减小，且桩间土与桩帽间土体的沉降差也有所减小。

图9 不同垫层弹性模量的地基沉降量

5 桩间距的影响

为研究不同桩间距对地基沉降量及桩间土沉降量的影响，分别计算管桩直径为0.4 m、桩帽的大小为1.5 m×1.5 m，桩间距为2.5 m及3.0 m时的沉降量，软土的厚度为12.0 m，上覆3.0 m的硬壳层，软土以下为粉土层。为研究管桩的变形规律，按桩长9 m计算地基沉降量。图10、图11分别为不同桩间距时地基沉降量及桩尖下土体沉降量。