预应力高强度混凝土管桩在复合地基设计中的应用——以太原市南中环-西中环立交工程为例

黄　威，赵庆鑫

（1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430000；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1　预应力高强度混凝土管桩简介

预应力高强度混凝土管桩（以下简称PH C管桩），是采用先张预应力离心成型工艺，并经过10个大气压（1.0 MPa左右）、180℃ 左右的蒸汽养护，制成一种空心圆筒型混疑土预制构件，标准节长为10 m，直径从300～800 mm，混凝土强度等级不小于C80。

PH C管桩是采用工厂化、专业化、标准化生产，具有桩身质量可靠、运输吊装方便、接桩快捷、机械化施工程度高、操作简单、易控制、施工环境好等特点。

由于PH C管桩桩身混凝土强度高，可打入密实的砂层和强风化岩层，由于挤压作用，桩端承载力可比原状土质提高70%～80%，桩侧摩阻力提高20%～40%，单桩承载力较其它同等管径管桩（如：高压旋喷桩、水泥搅拌桩、沉管灌注桩等）具有明显提高。

2　项目概况

2.1　地理位置

太原市中环线由北中环、太行路、南中环和西中环组成，环线全长43.9 km，全线共设大型互通立交10处。它的建成大大分流滨河东西路交通，有效快速疏解过境交通，并解决城市片区间长距离机动车出行，缓解城市中心区域的交通压力等问题。

太原市南中环-西中环立交位于太原市西环路与南中环路交汇处，该节点东接南中环西街、西连西山过境铁路、南临晋阳湖、北贯西中环，是城市交通流与外围高速路网车流沟通、转换的重要节点，见图1。

图1　西中环-南内环立交地理位置图

2.2　立交总体布置

南中环-西中环节点立交形式为四层T形全互通立交。南中环工程范围为K0+607.5～K2+250，主线上跨西中环、规划和平南路、旧晋祠路在千峰南路前约200处与地面辅路相接。西中环工程范围为K6+045～K6+537.006，通过定向匝道与南中环实现快速互通，见图2。

该节点处现状地势较为平坦，西侧略高，北侧略低，地质状况较差。南中环、西中环基本按照原规划线位走向，考虑晋阳湖风景区景观性要求，该节点按照T型互通立交设计，不考虑节点南延快速化处理。

图2　南中环-西中环互通立交实景图

立交范围内共有匝道桥4座，东西向主线桥1座，主线桥位于第二层，NE匝道位于第三次，W N匝道位于第四层，4条左转匝道中，NE、W N为迂回定向匝道且均上跨南中环主线，EN、NE为右转定向匝。

南中环-西中环立交场地为该市范围内罕见的流塑状淤泥质粉质粘土，地下水位高，施工机械作业困难，因此地基处理方案成为决定工程成败的关键。

3　PHC管桩复合地基设计方法及施工要点

3.1　地质情况介绍

南中环-西中环立交场地各岩土层的空间分布及其主要特体可分为7层，自上而下为：

1层：杂填土。砖块、粗砂、碎石等建筑垃圾。

2层：淤泥质粉质黏土。该层由粉土含有少量砂砾石。

3层：黏土。常混大量砂性质黏土，局部常变相为粉质粘土。局部地段揭示有圆砾亚层。

4层：粉土。主要以粗砂为主，混大量砾砂、圆砾，湿、中密、中压缩性。

5层：粗砂。从地面往下约25 m左右处。

6、7层：均为粉土，性质同4层粉土。

南中环-西中环立交工程地质纵断面分布见图3。

图3　南中环-西中环立交工程地质纵断面分布图

南中环-西中环立交场地地质情况总体可归纳为：

（1）地下水位高

实测稳定水位位于自然地表下1.50～3.30 m之间（相应标高781.22～784.06 m），地下水类型为潜水。

在局部地段，道路设计标高与地下水位标高高差仅为1 m左右，若不做适当处理，地下水将影响路基稳定性。

（2）水腐蚀性强

本工程所经太化厂区一段区域，路段地下水SO42-与CL-含量明显增大、PH值明显减小。在干湿交替条件下，地下水对混凝土结构具强腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具强腐蚀性；在长期浸水条件下，地下水对混凝土结构具强腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

（3）地基承载力低

根据施工单位实地勘测，地表0～0.8 m为建筑垃圾硬壳，承载力约120 kPa；0.8～12 m为流塑淤泥层，受震动液化，承载力不足40 kPa，大型机械施工作业困难，易塌陷。

3.2　设计方法介绍

结合本工程实际情况，本工程采用外径400 mm、壁厚95 mm、长度为15 m的A型预应力高强度混凝土管桩（PH C 500 A 95-15），同时应在化工厂内酸性土层范围内（NZH K0+600～NZH K1+1 000）对所有的管桩采用抗硫酸水泥。当需要进行焊桩作业时，采用二氧化碳气体保护焊接，确保桩头应位于无氧层内，并对接头处涂刷防锈漆。

PH C管桩采用正方形布桩，桩距2.5 m，见图4。在一般路段，管桩应穿透淤泥质粉质粘土，桩长拟定为15 m，在局部粘土层较深的路段，施工单位可根据现场情况适当增加桩长。PH C管桩一般路基处理横断面见图5。

图4　PHC管桩平面布置图（单位：m）

对于路床顶面高程与原地面高程之差不小于1.3 m的填方路基，PH C管桩的桩帽顶标高为清表回填后的原地面标高；对于路床顶面高程与原地面高程之差小于1.3 m的填方路基或挖方路基，PH C管桩的桩帽顶标高为路床底面以下50 cm。PH C管桩桩帽顶应设置50 cm厚级配良好的碎石垫层，内设一层钢塑格栅，碎石垫层铺设完毕并充分压实后再分层回填路基填料，见图6。

图5　PHC管桩一般路基处理横断面图

图6　PHC管桩桩帽构造配筋图（单位：cm）

3.3　管桩选用基本要求

管桩采用PH C400（95）管桩，即桩外径40 cm，壁厚9.5 cm。

桩帽尺寸为1 000 mm×1 000 mm×350 mm，混凝土标号C30。

PH C管桩在工厂批量预制，按设计要求采用桩径0.4 m，壁厚9.5 cm。PH C桩的规格、质量必须符合设计要求和施工规范的规定，应经指定的检验部门的检验，且附有出厂合格证及试验、检验报告。

为了防止打入时出现断桩，桩体强度等级为C60。为了满足不同桩长的需要分别以12 m、9 m、6 m等不同规格长度配制节长，桩节之间电焊驳接，使用的焊条标号、性能必须符合设计要求和有关标准的规定，并有出厂合格证明。

3.4　施工要点介绍

采用锤击法施工，锤重5 t，施工工艺流程为：整平场地→确定打桩顺序→桩机就位→插桩→锤重→接桩→送桩→收锤→做好打桩记录。

施工要点主要为：

（1）为避免出现土拱现象和产生超孔压，采用如下施工顺序：桥头到路基、中线到两侧。

（2）桩机就位后应对管桩逐根检查，检查有无严重质量问题，对管桩两端应清理干净，施焊面上有油漆物污染时，应清刷干净。

（3）为保证插桩位置方向正确，第一节管桩插入地面时的垂直偏差不得超过0.5%，桩锤、桩帽或送桩器应与桩身在同一中心线上。

（4）沉桩过程中应经常观测桩身的垂直度，若桩身垂直度超过1%时，应找出原因并设法纠正；当桩尖进入较硬土层后，严禁用移动桩架等强行回扳的方法纠偏。

（5）初打时可能下沉量较大，宜采取低提锤，轻打下，随着沉桩加深，沉速减慢，起锤高度可渐增。

（6）每一根桩应一次性连续打到底，接桩、送桩应连续进行，尽量减少中间停歇时间。

（7）沉桩过程中，出现贯入度反常、桩身倾斜、位移、桩身或桩顶破损等异常情况时，应停止沉桩，待查明原因并进行必要的处理后，方可继续进行施工。

（8）下节桩的桩头处宜设导向箍，以便于上节桩就位，接桩时上下节桩段应保持对直，错位偏差不宜大于2 mm。

（9）采用焊接连接时，焊接前应先确认管桩接头是否合格，上下端板表面应用铁刷子等清理干净，坡口处应刷至露出金属光泽，并清楚油污和铁锈。

（10）焊接可采用二氧化碳保护焊，焊接层数宜为三层，内层焊渣必须清理干净后方可施焊外一层，焊缝应饱满、连续，且根部必须焊透。

（11）焊接接头应在自然冷却后才可继续沉桩，冷却时间不宜少于8 min，严禁用水冷却或焊好后立即沉桩。

（12）为将管桩打到设计标高，需要采用送桩器，送桩器采用钢板制作，长4 m。设计送桩器的原则是打入阻力不能太大，容易拔出，能将冲击力有效传到桩上，并能重复使用。

4　结论

南中环-西中环互通立交是太原市中环线上的重要节点，在本工程工期较短、地质情况差的条件下，地基处理方案成为决定工程成败的关键。

采用PH C管桩地基处理方发，充分利用其工厂大批量预制、机械化施工、单桩承载力高等特点，保证了项目的顺利推进，通过现场试验数据证明，采用该处理方法，复合地基承载力不低于125 kPa。

目前，南中环-西中环互通立交已建成通车，从实施效果来看，整体效果良好，无明显裂缝、坑槽、车辙、沉陷、桥头跳车等路面病害，现实证明PH C管桩在本工程中的应用是成功的。