桩承式加筋路堤在尾矿区的应用

彭少龙，王琥，苏爱斌

(1.广西新柳南高速公路有限公司，广西 南宁 530021；2.广西交投科技有限公司；3.广西邕州高速公路有限公司)

根据《广西高速公路网规划(2018—2030)》，广西区至2030年全区高速公路总规模15 200 km，高速公路面积密度迈入国家第一梯队。而广西素有“有色金属之乡”之称，矿产资源丰富，全区遍布各大小矿区。为避免抢占耕地或高填深挖等问题，广西区高速公路建设时，穿过尾矿区的现象时有发生。尾矿区绝大部分是在未进行任何有效处理的地基上堆积而成的，稳定性极差，而高速公路穿过矿区而建，更加剧了矿区的不稳定性，容易造成溃坝而导致尾矿泄露，威胁周边居民的生命财产安全，甚至造成巨大的不可逆的环境污染问题。

尾矿区一般由废矿泥、矿渣等堆积而成，具有结构松散、特别软弱、承载力低、严重欠固结性、堆积厚度大、具毒性等特点，属于软弱地基，而在软弱地基处治技术上，国内外皆有学者在研究，处治技术种类各式各样，刚性桩在处治技术中备受青睐。主要集中应用在软土地基、路桥过渡段特殊处理工程、湿陷性类黄土地区高速铁路路堤处治、已在运营阶段的公路以及高速铁路的路堤等状况下的处治工程，如文献[1]中，处治的工况环境是黄土地区路桥过渡段，通过综合桩承式加筋路堤与路堤填土加筋技术的方法以减小差异沉降和桥头跳车状况，通过对现场试验施工并监测分析证明了该方法的实用性和有效性；文献[2]主要对桩承式路堤进行技术性分析，并以湿陷性黄土为模拟背景，通过大型有限元ADINA对桩承式路堤在湿陷性黄土地区应用的沉降因素分析，为湿陷性黄土的处治提供理论分析，但缺乏实体工程验证；文献[3]、[4]以高速公路及高速铁路为工程背景，通过足尺物理模型试验研究应力分析，证明了桩网结构路基及桩承式加筋路堤在工程应用中的有效性；文献[5-8]论述了桩承式加筋路堤的作用机理与应用研究成果,提出了对存在问题做进一步研究的建议,同时在现场进行了一系列相关试验；文献[7]在中低压缩性土地区高速铁路桥台和涵洞之间的填方路基应用桩承式路堤，使得低压缩性土地基沉降得到控制。桩承式加筋路堤在软弱地基中得到了广泛应用，但鲜有在尾矿区的工程处治案例，因此，该文拟采用桩承式加筋路堤方法，对经过尾矿区的路基进行有效处治，以提高尾矿区路堤的稳定性、降低沉降。

1 桩承式加筋路基设计方法

1.1 常用桩型及选用原则

(1)尾矿区高速公路地基处理可采用预应力混凝土薄壁管桩(PTC)、预应力高强混凝土管桩(PHC)、预制混凝土方桩等刚性桩。预应力混凝土薄壁管桩宜工厂预制、现场焊接接长，外径为300～500 mm，壁厚为60～100 mm。

(2)根据现场拟处治的桩端持力层土质详细状况、施工机械、现场施工状况、路堤的详细参数等，选择技术相对成熟、经济适用性强、安全可靠性强的桩型和成桩工艺；宜采用强度较高，易于保证施工质量的不挤土或少挤土桩型。

(3)根据现场待处治的地基土质详细状况、成桩制造设备、桩身尺寸等多种因素计算并确定桩的直径(或方桩尺寸)。同时，若处治现场所使用的是小直径桩和低标号混凝土桩时，应验算所使用的桩身强度。

1.2 桩设计

1.2.1 桩身设计

桩身设计主要关注两大因素：① 桩身强度；② 桩身截面积。因此需要通过对二者的验算，以确定其能否满足荷载要求。桩身承载力由桩身强度和桩身截面积决定，计算式如下:

Rbp≥FubQmax

(1)

Rbp=Apfc

(2)

若己知桩身轴向抗压强度标准值fc，可由式(1)、(2)求得桩身直径最小值:

(3)

上述各式中：Rbp为桩身承载力(kN)；Ap为桩身截面面积(m2)；Fub为承载力设计安全系数，取1.2～1.5；Qmax为桩身所受最大轴力(kN)，近似取Fp的值；fc为桩身轴向抗压强度标准值(MPa),按下式计算：

fc=φcφbqc

(4)

式中：φc为施工工艺系数，混凝土预制桩取φc=1.0；qc为混凝土轴向抗压强度设计值(MPa)；φb为压曲稳定系数，一般情况取φb=1.0；参照JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》有关技术规范要求，当同时满足下列情况时，应当充分考虑压曲稳定系数，即处治现场环境的软土层不排水抗剪强度<10 kPa，且长细比>100，同时处治的方案使用直径仅为20 cm以下的塑料套管桩等。

1.2.2 桩长

任何情况下，桩长应穿透软土层。若处治对象为巨厚软土层(大于30 m)，且桩长未穿透软土层时，应保证桩长达到最危险滑弧面以下3 m的深度，同时应验算软弱下卧层的承载力。桩端进入持力层的深度按照不同的土质而定：① 为黏性土、粉土时，深度应不小于2倍桩径；② 为砂性土时，深度不应小于1.5倍桩径；③ 为碎石类土时，深度不应小于1倍桩径。若持力层以下有软弱土层，该持力层的最小厚度不应小于10倍桩径。桩长的具体取值还应满足路堤沉降、单桩承载力及稳定性要求。

1.2.3 单桩承载力验算

根据JTG/TD 31-02-2013《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》及JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》的有关规定，PHC桩的单桩承载力估算公式如下：

(5)

式中：up为桩的周长(m)；qsi为中性点以下桩周第i层土的侧阻力特征值(kPa)；qp为桩端端阻力特征值(kPa)；Ap为桩截面面积(m2)；li为中性点以下第i层土的厚度(m)；α为桩端阻力修正系数，取0.83；γ为分项系数，取1.65。

单桩承载力按下式进行验算：

γ0Fp≤Ra

(6)

式中：γ0为工程重要系数，取1.1。

1.3 水平加筋垫层

1.3.1 垫层填料

在工程处治方案中，垫层材料的备选较多，为获取最佳设计参数应根据试验进行确定，而垫层材料的种类一般可分为以下几种：① 级配良好的散粒状材料，主要由砂砾、碎石、粗砂、中粗砂、含泥量较小(含泥量应不大于5%)的土石混合料(宕渣)组成；② 具有一定整体刚度的掺灰土等；③ 由不同材料混合而成的分层组合。

1.3.2 垫层厚度

加筋垫层的厚度以30～80 cm为佳，土工格栅间距一般为20～25 cm，加筋垫层的初拟厚度t可按下式计算：

t=(0.2～0.25)s

(7)

式中：s为桩间距离。

当软土指标不是很理想时，可适当加厚。厚度取值应充分考虑桩帽的布置间距和软土层的强度等相关因素，并通过计算验证进一步调整。

1.3.3 加筋体应变

新闻媒体从业人员利用自己所掌握的地方官员或者企业负责人的不法行为证据材料，向地方官员和企业负责人收取费用，这种行为构成违法，但是，不一定构成敲诈勒索犯罪。敲诈勒索犯罪的客观表现是对行为人实行精神上的强制，使其在心理上产生恐惧不敢抗拒。新闻媒体从业人员掌握地方官员或者企业负责人的违法犯罪证据材料，迫使地方官员或者企业负责人支付费用，以便帮助地方官员或者企业负责人消除影响，其行为构成敲诈勒索；而地方官员或者企业负责人试图花钱消灾，向新闻媒体从业人员支付有关费用，其行为构成违法，司法机关应当追究地方官员或者企业负责人的渎职失职或者其他犯罪行为，只有这样，才能从根本上消除影响力犯罪。

加筋体的应变按下式进行验算：

εimax≤5%

(8)

式中：εimax为格栅最大拉应变。

2 尾矿区工程应用

2.1 工程项目概况

以广西在建公路桂(平)-来(宾)高速公路穿过的尾矿区为工程案例。经过前期勘察，尾矿区土层从上至下为：素填土、杂填土、黏土。尾矿区路基处治的目标为稳定性和沉降控制。

2.2 工程处治概况

鉴于处治要求，采用PHC刚性桩并配以桩帽，桩上采用多层土工格栅加筋。PHC刚性桩嵌入持力层2.5 m，桩径0.4 m，桩间距由1.5 m优化为1.8 m，桩身采用C80预应力高强混凝土，桩帽采用1 m×1 m×0.35 m的C30混凝土现浇正方形台体。

该工程采用静压桩施工技术进行刚性桩加筋路基施工，主要施工流程如下：① 施工前，寻找并填埋整平出一个比较稳定的施工平台；② 进行PHC管桩打桩施工；③ 按设计要求进行桩帽支模，混凝土浇筑；沉桩完成后，开挖至相应高程，割桩，然后浇筑混凝土桩帽，桩帽通过桩塞使混凝土与管桩连接；④ 对桩帽进行养护，达到强度后拆模，继续养护至规范要求；⑤ 桩帽间用15 cm的碎石进行第1层铺设，并整平；⑥ 进行第1～5层格栅的碎石填铺和土填铺平；⑦ 进行正常土填铺及路面修筑施工。

值得关注的是，在PHC桩加筋路堤的施工过程中，难点和重点是PHC桩的施工，PHC 桩施工阶段工程质量控制的任务包括：施工准备阶段的质量控制；材料和施工机具的质量控制，施工实施过程的质量控制，施工后桩基质量检测。

施工完成后，鉴于施工效果验证，需要对施工试验区域进行检测，监测共选取2个断面位置(表1)。具体观测内容为地基沉降。地基沉降主要反映填土速率对路堤的安全与稳定的影响，指导和优化现场施工；预测沉降变形趋势；反映桩土差异沉降量；评价地基处理效果，体现刚性桩处理结果。

表1 断面位置

2.3 监测结果

通过侧向位移和沉降监测数据判断路段在投入使用后的安全与稳定状况，并对监测数据进行分析。在矿区布置4个测量点：2个桩顶沉降观测点(A-D1、A-D3)、2个桩间土沉降观测点(A-D2、A-D4)。沉降随填土变化的时程曲线如图1所示，沉降差随填土变化的时程曲线如图2所示(沉降差1为D2与D1的沉降之差，沉降差2为D4与D3的沉降之差，该矿区于2015年4月开始铺设路面)。

图2 沉降差时程曲线

由图1、2可知：

图1 沉降变化时程曲线

(1)从总体上看，桩顶沉降和桩间土沉降均随填土高度的升高而增大，随时间增长而增长，最后趋于稳定。

(2)矿区路堤填筑阶段发生的差异沉降为53.5 mm，占总差异沉降量(80.5 mm)的66%；这和L.Briançon以及Chen研究得出的结论有所不同。二者的研究都显示桩承式加筋路基的差异沉降一般在路堤填筑阶段完成。这可能是因为该工程中尾矿土高度饱和及极度欠固结的特点导致沉降过程时间变长，使得路堤填筑完成后仍有差异沉降发生。

(3)矿区的桩间土、桩顶最大沉降量分别为88、8 mm，最大差异沉降为80 mm。一般来说，可以忽略路堤自身的压缩沉降，则路堤总沉降可以桩顶沉降计，显然可以看出采用桩承式加筋的地基处理方法能够有效减小路基的沉降，矿区观测到的最大沉降均满足规范要求。

3 结论

首先通过理论计算，确定桩身、桩长等参数，并加以验算。接着，通过工程实例应用，按施工流程加以工艺和质量控制完成示范工程，最后通过监测点观察发现：桩承式加筋路堤在尾矿区中应用可避免路面发生大沉降，证明了此方法在尾矿区路基处治工程应用中具有较高的实用价值。