预应力混凝土管桩在市政道路软基处理中的应用

卢士波 吕利芹

1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司 湖北 武汉 430010

2.武汉理工大学交通学院 湖北 武汉 430063

1 前言

近些年，工业民用建筑在进行桩基设计时，普遍采用了预应力管桩，这是由于此软基处置方式不仅施工工艺简单、速度快、造成的环境污染小、比桩基更实惠实用，而且还能将上部荷载分摊由管桩和桩间土一起承担，高效提升路基承载力，降低总的沉降量和工后沉降，提前阻止出现桥头跳车等。管桩处置方法在处理软基深且厚、路堤填土高的桥头路段更具有显著优势，故而最近几年在东部沿海城市的市政道路工程中被普遍应用和推广。

2 预应力管桩复合地基设计

2.1 预应力混凝土管桩的特点

1、节能、环保、桩身质量好。与施工现场制造的其它桩型相比，预应力混凝土管桩是由工业化、程序化的工厂生产方式制造出来的，生产之前的材料都经过了精挑细选，而管桩则是通过离心力成型和高温养护而成，出产质量检查完备。

2、施工工艺简便，工期较短。因桩身具有预应力，运输起吊便捷，接桩采用电焊不耗时。此外，管桩搭配灵活，成桩长度可根据不同的地质特征而选取，且成桩以后不需要进行养护，能较大的减短施工时间。

3、在市政道路中采用此种软基处置方式，不仅能够降低工程风险，还可以有效减少工后沉降。

2.2 预应力混凝土管桩的受力机理

管桩在道路工程路堤中的应用是借鉴“沉降控制复合桩基”在建筑工程中的应用，这种地基处置方法的特点在于着重桩和桩间土一起承担荷载，协调变形。管桩的桩与桩之间的距离较大，因此产生的群桩效应不显著，这样便能充足利用桩身的侧向阻力和端部阻力，桩土联合作用，使得单桩的承载能力变大。在桩的顶部还设有桩帽，每个桩帽上面的土体可以构成土拱，由此形成的土拱效应可以用来支撑路堤顶部，且可以引导桩帽底部的土体一起承力。桩、土和网一起发挥协同作用，构成桩网复合地基，路堤上部荷载经过褥垫层传递给管桩，从而由桩帽顶及桩间土一起承担荷载，构成刚性桩复合地基。

2.3 工程概况

本项目道路等级为城市主干路，建设场地属长江漫滩地貌单元，本次设计起点位于绕越高速，终点位于九乡河路，路线全长626.894m。场区孔口标高在6.67～10.15米，最大高差3.48米，整个场地地势较为平坦。拟建道路沿线浅部均分布有2-2层软弱土体，空间分布欠稳定，厚度变化大，含水率大，压缩性高，强度低，具较高的流变、触变性，在长期竖向荷载作用下，易产生较大的不均匀沉降，从而导致拟建道路路面开裂。经比选决定采用预应力混凝土管桩作为软基处理方案。

2.4 预应力混凝土管桩设计

根据上述的预应力混凝土管桩工作原理，本项目管桩采用矩形布置的形式，纵向布置范围为桥头20m，过渡段40m；横向布置范围为路基破脚。桥头段间距4m，过渡段间距3.5m，管径为40cm，壁厚9.5cm，设计长度16m。桩身采用C60砼，桩帽采用C30砼，桩帽尺寸为1.4×1.4×0.4m，路基地面与桩顶之间换填碎石土，桩帽上设50cm碎石垫层与2层钢塑复合土工格栅。

（1）承载力验算

设计时未开展静载作用下的单根预应力混凝土管桩竖向承载性能试验，因此取0.5倍的竖向极限承载力计算，如下：将上面计算出来的值代入复合地基承载力计算式，即：

（2）管桩桩型的确定

依据（1）中得到的承载力，查阅相关规范标准（《10SG409》），选取桩基工作条件系数为0.6。再由反推得出Ap，从而确定项目所用管桩的桩型。

（3）复合地基沉降计算

计算沉降时，因桩长范围内产生的沉降非常小，可不计算，只需考虑加固层向下的附加应力分布和变形即可，计算方法采用分层总和法。以桥头路段路基处理为计算案例，其路基承载力及稳定性能均满足要求。施工期结束后，计算得到路段产生的沉降为3.7厘米，通车20年以后为12.1厘米，则工后沉降为8.4厘米，完全满足路基规范要求，且远远小于规范给出的限值。

（4）桩长与桩间距的经济组合

设地基处理面积是A，桩长是L，置换率是m，桩径是D，桩间距是S，处理后的工后沉降刚好满足规范要求。假如每延米桩长的造价是C，那么地基处理费用F如下：

当桩型确定时，那么C就是定值。如果想要使得地基处理费用花费最少，L/S2则最小，也就是达到工后沉降要求、当桩长与桩间距平方的比值最小时的桩长与桩间距的组合就是经济组合。

3 结论

（1）预应力混凝土管桩桩身强度较大，在持力层发挥支撑性能，从本质上减少了工后沉降。分析项目现场观测数据可知桥头段路基产生的沉降非常小，甚至没有，表明处置效果良好，设计方法可行，对今后软基处理工程起到一定的指导作用。

（2）尽管预应力管桩抗压性能较好，但其抗剪性能却差，应用在工程中要扬长避短，保证桩基两侧的土压力平衡，防止产生较大的人为基坑或边坡。