预应力管桩加固深厚复杂软土地基的优势探讨

■ 天津华勘集团有限公司 张林锋

1.概述

高速铁路路基加固，对于其施工质量有着重要影响，尤其是对复杂深厚的软土地层的地基加固要求更高。目前，高速铁路路基加固方法有很多，如水泥搅拌桩加固法、CFG桩加固法、排水固结法等，但是上述地基加固方法仅对于普通地质条件的路基加固效果较好，而对于复杂地层如湿陷性黄土、深厚软土底层的路基加固效果不甚理想。随着地基加固方法的不断进步和发展，预应力管桩在复杂深厚软土地层加固方面发挥了重要作用。从部分地基加固工程的应用成效层面来看，预应力管桩在复杂软土地层加固方面具有一定的技术和经济优势。本文以某客货共线铁路工程为例，就预应力管桩加固在深厚复杂软土地基的优势进行探讨。该工程铺筑路基为软土地层且地质较复杂、层深较厚，常规地基加固方式难以满足施工要求。根据已有地基加固的施工经验，通过多种地基加固方法技术及经济的综合比较，并结合预应力管桩在地基加固施工中的研究及应用，确定该段软土路基采用预应力管桩进行地基加固，并取得了较好的应用效果。

2.深厚复杂软土地基常用加固方法及存在问题

由于复杂深厚软土地层地质条件的特殊性，应用常规方法对所在地层地基进行加固时，不仅加固效果无法满足路基工程设计和施工的要求，而且还会对路基施工产生其他影响。由此可见，常用地基加固方法在软土地层地基加固方面存在诸多局限性，具体如表1所示。

表1 常用地基加固方法在软土地层加固方面的局限性

3.预应力管桩加固复杂软土地基的优势分析

3.1 预应力管桩的经济优势

在加固面积为100m2、路基4m ～8m填土高度并考虑加固桩帽等条件下，根据目前路基加固施工的成本造价，将预应力管桩与其他地基加固桩型进行综合比较，以分析预应力管桩在地基加固方面的经济优势，具体如表2所示。

表2 预应力管桩地基加固经济优势表

3.2 预应力管桩与类似桩型的工程技术优势

相对于其他地基加固桩型，预应力管桩可大规模预制，施工工期较短。通过对压桩速度、每个接桩节点时间及平均成桩速度三个方面的综合比较，预应力管桩的工程技术优势较为明显，具体如表3所示。

表3 预应力管桩与类似桩型工程技术优势比较表

相对于水泥搅拌桩、旋喷桩、CFG桩等地基加固方法，加固土层地质条件及地下水位不会对预应力管桩地基加固施工产生影响，可以充分保障地基加固成桩质量及桩体强度。同时，预应力管桩地基加固深度也优于其他地基加固方法，采用预应力管桩进行地基加固深度可达40m，且省去了预成孔及成孔养护两个施工过程。预应力管桩地基加固虽然没有进行预成孔和成孔养护，但并不影响地基加固质量及后续路基稳定性。

预应力管桩地基加固选用静压法进行进桩施工，相对于动压进桩施工方法，预应力管桩采用静压进桩的施工噪声相对较小，对于施工现场及环境条件的要求相对较低，且进桩施工过程中不会产生影响环境的施工废水及弃渣，能较好地适应施工现场周围存在的环境敏感点。

预应力管桩通过布置桩网结构进行地基加固，路基加固后90%的荷载由预应力管桩桩身承担，加固后的路基稳定性较好，沉降变形较小。

4.深厚复杂软土地基预应力管桩加固效果的探讨

4.1 工程地基预应力管桩加固的应用现状

随着经济发展水平提高和综合国力的不断增强，近年来，我国大力建设公路、铁路及其他交通运输工程，不仅完善了我国交通运输建设网，其所涉及的路基工程施工也大力推动了地基加固新技术的研究和应用，并在不同地层地基加固工程实践中取得了较好的效果，积累了丰富的施工经验，尤其是预应力管桩为复杂深厚软土地层的地基加固提供了可靠而又经济的施工方法。

4.2 复杂软土地基预应力管桩加固实例

某客货共线高速铁路，最高设计时速260km/h，经过内陆湖长期沉积作用形成的深厚复杂软土地层在工程全线多处分布。由于内陆湖沉积过程的成因和作用机理极其复杂，导致该工程全线多处软土地层分布特征极不规律，各处软土地层的埋深较大，部分地段软土层厚度大于40m。受复杂的分布特征及较大的埋深影响，该工程全线分布的软土地层物理力学指标都较低，尤其是以淤泥、泥炭为代表的软土地层物理力学指标极低，这也直接导致了常用的地基加固方法无法满足实际的施工需要。

由于拟加固地基里程段的工程地质条件较差，经过对经济及技术优势的比较分析，该深厚复杂软土地基加固可行的地基加固方法为CFG桩地基加固法以及预应力管桩地基加固法。为了比较CFG桩地基加固法与预应力管桩地基加固法对于该深厚复杂软土路基的加固效果，在该深厚复杂软土地基里程段内，选取部分软土地基进行CFG桩地基加固和预应力管桩地基加固现场成桩实验，具体成桩试验结果如表4所示。

表4 CFG 桩与预应力管桩成桩试验结果

根据现场成桩试验结果，针对该工程软土地层复杂深厚的情况，经过综合考虑采用预应力管桩的施工方法对工程全线的软土地层进行地基加固。此次拟加固地基里程段内分布有2桥、4涵洞，根据施工设计要求，结合预应力管桩地基加固施工方案，确定加固后的地基沉降控制标准，如表5所示。

表5 地基预应力管桩加固沉降控制标准

以该工程DK8+923 ～DK9+445里程段为例，该里程段经过前期地质勘查钻探显示基底土层包括粉质黏土、淤泥、泥炭质土，土层组成较为复杂、土质较为松软，为典型的深厚、复杂软土层。其中，粉质黏土层厚为0 ～3m，淤泥土层厚度为4m ～11m，泥炭土层厚度为15m ～26m。由于各土层类型及厚度的差异，各土层的物理力学指标也不同，具体如表6所示。根据各土层的力学指标及土层厚度可知，该里程段的工程地质条件极差。经过设计、计算及核算，该处软土地层需要加固的深度为20m ～28m。

根据表6中所示的该软土层的物理力学指标，通过单桩承载力对采用预应力管桩进行加固后的地基整体稳定性进行综合分析计算，以此确定预应力管桩地基加固的各种施工参数，具体如表7所示。

表6 地层物理力学指标表

表7 预应力管桩地基加固施工参数

根据以上施工参数实施施工方案，具体的预应力管桩加固结构如图1所示。

图1 软土地基预应力管桩加固结构布置图

此次复杂软土地基预应力管桩加固施工时，共投入3台压桩机分段同时进行施工，历时23天，至该里程段地基加固预应力管桩全部沉桩完成，共计施工完成预应力管桩3428根，总加固深度为94886m。为检测预应力管桩成桩质量，分别选取总桩数的10%及总桩数的5%，分别采用低应变动测法及静载荷试验检测法进行预应力管桩成桩质量检测。经检测结果分析统计，受检测的已成桩预应力管桩均符合单桩承载力设计值，其中，98%的桩身为I类桩、2%的桩身为Ⅱ类桩。为进一步检验地基加固的稳定性，路基填土完成后对其进行连续3个月的沉降观测，观测结果显示最大沉降量出现在路基填土完成后的前一个月内，一个月后的沉降值变化很小并趋于稳定，能够满足后续路基长期稳定的要求。

根据上述实际工程实践得出，对于埋深大于15m的深厚复杂软土地层采用预应力管桩进行地基加固相比于其他地基加固方法具有明显的经济、技术优势，特别是对于现场施工条件差、工期紧、沉降控制要求高等具有特殊要求的地基加固施工，选用预应力管桩进行地基加固更是优先选择。