管桩在沿海高速公路改扩建软土地基中的应用

谢泽华，肖 侃，谭 毅

(1.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007；2.南宁市港航发展中心，广西 南宁 530003)

0 引言

近年来，管桩被广泛运用在基础工程上，其具有处理软基深度深、竖向承载能力强、施工速度快等优点。在对沉降要求严格的桥头路堤、桥梁涵洞等构造物基础以及改扩建中的拼宽路堤等路段中广泛使用[1-2]。

管桩属于刚性桩，当在公路软土地基中运用时，应根据《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》(JTG/T D31-02-2013)(以下简称细则)中对刚性桩的要求进行设计，设计主要包括三个方面的内容，分别为结构的受力计算、桩体承载力验算、地基沉降计算以及稳定验算[3-5]。本文对广西某沿海高速公路改扩建工程K2220+120～K2220+930右侧深厚软土地基采用管桩进行地基处治设计，通过理论计算、数值模拟验算以及现场承载力试验结果可知，设计符合规范要求。

1 工程概况

广西某沿海高速公路已运营十余年，交通量已趋于饱和，为响应国家“一带一路”倡议，提升公路运输能力，促进沿线经济增长，对该高速公路实施改扩建。该项目为沿海主要通道，沿线软土分布广泛，部分路段以路堤形式从水塘、农田通过，其地基软土厚度>3 m，其含水量高、孔隙比高，承载力低，经沉降计算和稳定性验算，其工后沉降不能满足设计及规范要求，需要对软土地基进行处治。在比较多种方案后，对深度>5 m的软基拼宽路堤选取管桩进行处治。

2 管桩处治设计

2.1 设计方案

综合考虑该路段路基设计高度和地质情况，原有路基宽度为28 m，两侧拼宽路基宽度为7 m，将旧路基边坡削坡至1∶1，在坡脚处开始设置管桩，管桩间距为2 m，桩径为0.4 m，桩体贯入持力层≥1 m。管桩顶设置正方形桩帽，桩帽尺寸为1.2 m×1.2 m，厚度为0.3 m。管桩桩帽之间用0.3 m厚的碎石填充密实，碎石上部覆盖双向土工格栅，管桩桩帽顶部铺设0.3 m厚度的碎石垫层，碎石垫层顶部铺设双向土工格栅。

选取典型断面K2220+240右侧管桩处治地基进行设计研究，设计图如图1所示。软土总厚度为8.7 m，设置管桩长度为10 m，管桩下部贯入持力层强风化石灰岩1.3 m，路堤填土高度为5 m，从地表至持力层的地层分别为淤泥质砂土、粉砂、强风化石灰岩，厚度分别为4.5 m、4.2 m、2.3 m，各地层及碎石垫层的岩土物理力学参数如表1所示。

(a)横断面

表1 地层的岩土物理力学参数表

2.2 设计计算

《细则》中对于刚性桩的设计要求，主要包括三个方面，分别为结构的受力计算、桩体承载力验算、地基沉降计算以及稳定验算[3]，不要求进行复合地基承载力验算，只要求在一定保证率下桩顶荷载压力小于单桩竖向承载力设计值。该设计与施工技术细则的具体验算方法如下：

2.2.1 桩顶的荷载压力Fcap计算

根据《细则》第5.8.8条式(1)和式(2)计算桩顶荷载压力Fcap。

(1)

(2)

式中：Kp——被动土压力系数；

σsu——作用在桩间土上的应力(kPa)；

γ——路堤填料的重度(kN/m3)；

S——桩间距(m)；

b——桩帽宽度(m)；

δ——桩帽宽度与桩间距之比；

H——路堤高度(m)；

α——待定系数，通过式(3)计算[3]。

γS2H=Fcap(α)+σsu(α)(S2-b2)

(3)

将式(1)和式(2)代入式(3)，手工进行迭代计算较困难，将公式在Excel中编辑后进行迭代运算，计算得Fcap=338.29 kN；σsu=20.21 kPa；α=0.675 7。

2.2.2 承载力验算

根据《细则》第5.8.11条式(4)和式(5)计算刚性桩的承载力。

γ0Fcap≤R

(4)

(5)

式中：γ0——建筑物桩基重要系数；

R——单桩竖向承载力设计值(kN)；

Qsk、Qpk——单桩的总极限侧阻力特征值和总极限端阻力特征值(kN)；

γs、γp——侧阻抗力分项系数和端阻抗力分项系数[3]。

经查表和计算得γs=γp=1.65，γ0Fcap=372.12 kN，R=385.33 kN，γ0Fcap

2.2.3 沉降计算

根据《细则》第5.8.13条刚性桩可不考虑桩间土压缩变形对沉降的影响，采用单向压缩分层总和法计算最终沉降[3]。

(6)

式中：S——桩基最终沉降；

j，i——第j层土第i个分层；

Esj，i——土体压缩模量(MPa)；

Δhj，i——土体分层厚度(m)；

σj，i——分层后所受竖向附加应力(kPa)；

ψp——桩基沉降计算经验系数[3]。

计算得S=32.39 mm，满足《细则》第4.3.11条容许工后沉降的要求。

3 数值模拟分析

3.1 计算模型及参数

《细则》仅对刚性桩的受力以及新拼宽路堤沉降进行计算，该高速公路已运营十余年，旧路基已完成固结沉降，新拼宽路堤对旧路堤的附加应力、双向土工格栅对路堤不均匀沉降的减弱以及新旧路堤的沉降差异值都需要通过数值模拟进行计算分析。结合高速公路改扩建工程实际，数值模拟分析时假设高速公路路基长度足够，将该路堤简化为平面应变模型，因其以路基中心为对称轴，简化计算取右半部分1/2路基进行模拟分析，土体采用摩尔库伦本构模型，根据钻探结果旧路地基各地层岩土物理力学参数如表2所示，模型底部为持力层，限制X、Y方向位移，左右两侧限制X方向位移。

表2 旧路地基地层岩土物理力学参数表

(a)无管桩路堤

3.2 计算结果分析

从图2路堤沉降变形图中可以看出新拼宽路堤填筑后，无管桩处治地基处路堤产生较大的沉降，边坡有潜在圆弧滑动面，管桩处治后路堤沉降较小，整体稳定性较好。取路堤表面为研究截面，计算沉降与路堤中心距离的关系，结果见图3。结果表明未处治路堤表面沉降从路堤中心开始增加，在新拼宽路堤处增加速率陡然加大，旧路堤范围(0～14 m)沉降最大值为28.79 mm，新拼宽路堤范围(14～21 m)沉降最大值出现在路堤边坡坡顶处，沉降值为89.72 mm。管桩处治后的路堤表面沉降呈现先增加后减小的趋势，旧路堤范围(0～14 m)沉降最大值为15.63 mm，新拼宽路堤范围(14～21 m)沉降最大值出现在距离路堤中心15 m处，沉降值为16.02 mm。旧路堤范围(0～14 m)管桩处治路堤沉降最大值是无管桩路堤的54.29%，新拼宽路堤范围(14～21 m)管桩处治路堤沉降为未处治路堤沉降最大值的17.86%，沉降值降低明显。无管桩路堤新旧路堤沉降差值分别为：60.93 mm、28.36 mm，差异值为32.57 mm；管桩处治路堤新旧路堤沉降差值分别为：9.66 mm、15.53 mm，差异值为5.87 mm，仅为无管桩路堤的18.02%，管桩处治新旧路堤的不均匀沉降效果明显。

图3 路堤表面沉降与路基中心线的关系图

管桩处治路堤和无管桩路堤的新拼接路堤沉降值都明显大于旧路堤，主要原因是新拼宽路堤填筑后产生的竖向荷载主要集中在新拼接路堤范围内，新旧路堤结合部为薄弱位置，旧路堤在十余年的运营中其自身的变形已经趋于稳定，整体性较好，同时管桩承担了新拼宽路堤的大部分竖向荷载，减小新拼宽路堤填土产生的荷载对旧路堤的影响。管桩处治新拼宽路堤能整体降低路堤表面沉降，明显减小新旧路堤沉降的差异值，有效改善路堤工后沉降，对改扩建工程的保畅通具有重要意义。

4 承载力现场检测情况

在项目施工期间，根据设计要求进行单桩承载力试验，试验采取逐级加载的方法，最大加载量为1 000 kN，每级加载量为200 kN，K2220+240右幅-1管桩承载力试验Q-S曲线如图4所示，试验结果如表3所示。

图4 K2220+240右幅-1管桩承载力试验Q-S曲线图

表3 K2220+240右幅-1管桩承载力试验结果表

承载力试验中加载2.5倍设计荷载(1 000 kN)后，管桩位移发生陡降，产生的最大沉降为22.78 mm，单桩承载力为400 kN，达到单桩竖向承载力设计值，满足规范和设计的要求。

5 结语

本文对沿海高速公路改扩建工程K2220+120～K2220+930右侧深厚软土地基采用管桩进行地基处理计算设计，得到如下结论：

(1)在改扩建工程中，管桩处治能明显降低新拼宽软土路堤沉降值，其沉降值仅为未处治路堤沉降值的17.86%，同时管桩处治能够整体降低新旧路堤沉降差异值，其差异值仅为无管桩路堤的18.02%，有效提升软土路堤施工质量，对改扩建工程的保畅通提供有力支持。

(2)旧路堤与新拼宽路堤结合部是改扩建工程中路堤施工的薄弱位置，施工时需重点控制，管桩处治软土路堤通过管桩和双向土工格栅共同承担荷载，有效减小薄弱位置的沉降值，提高新拼宽路堤整体稳定性，改善改扩建公路后期的运营品质。

(3)经过理论计算、数值模拟以及单桩试验，管桩处治的软土路堤承载力和沉降都满足规范和设计要求，为同类型的改扩建拼宽软土路堤加固设计提供借鉴和参考。