南县至益阳高速公路软土地基PCC桩处理技术研究

曹玉龙

(湖南省高速公路集团有限公司，湖南 长沙 410000)

0 引 言

湖南省南县至益阳高速公路位于我省北部，我国的洞庭湖平原区，洞庭湖是我国的第二大淡水湖。随着我国经济的飞速发展，近年来开始在洞庭湖平原区建设高速公路的步伐也逐步加快，但随之而来也暴露了许多技术难题，如深软基处理、湖区桥头跳车处理等。结合工程实体，对湖区桥头软土地基处治进行了探索，并提出了相关处治建议。

1 工程概况

湖南省南县至益阳高速公路第六合同段起点位于茅草街镇乐园村，路线沿南北布线，在K37+450乐园村附近跨越省道S202后，路线偏向西南展布，接澧水胜天特大桥，跨澧水，起讫桩号为K36+681～K40+398.96，全长3 717.96 m。该合同段K37+075.5乐园村1#中桥两端桥头覆盖层厚度大，上部为全新统Q4地层，以粉质黏土、淤泥质粉质黏土、砂纹淤泥质土、粉砂、砾砂等为主，其厚度大，承载力低，不能直接作为构筑物持力层；覆盖层下部主要为上更新统Q3地层，主要为中密圆砾层。

2 设计方案合理性分析

乐园村1#中桥桥头软土地基施工图设计方案采用管桩处治，管桩间距2.4 m，桩长15.0 m，矩形布置。管桩作为一种刚性桩，与桩周围土体一起组成复合地基，桩土共同工作。主要应用于房地产建设、公路建设、铁路建设、港口码头建设、机场建设和水上工程建设等领域。

管桩造价较高，施工桩长不易与地层变化相协调，导致截桩浪费较多。桩长超过12 m需要焊接连接，由于采用焊接方式延伸桩长，连接质量不易控制。静压桩机自重太大，相当笨重，对原状土的扰动较大，施工路堤的边角地带是需加宽碎石垫层的宽度，进出场地时对道路要求较高。若垫层较薄时，桩机将会下陷，同时挤压成桩，造成成桩的损坏，给成桩保护造成很大的威胁。

3 方案优化

据实地调查、钻探揭露及区域工程建设勘察资料综合分析，路线走廊带发育的特殊性岩土为软土，主要表现为淤泥质粉质黏土、砂纹淤泥质土。根据钻探及静力触探孔资料分析，场地软弱土层呈软塑状为主，具高压缩性、强度低、透水性差、灵敏度高等特点。

根据场地的工程地质条件及相关实践经验，PCC桩(即现浇大直径薄壁桩)是一种软土地基处理新技术，吸收了预应力管桩和振动沉管桩等技术的优点。该管桩桩身强度高，直径大，有效加固深度可达30 m以上，施工工艺简单，可操作性强，便于质量控制、监督，单桩承载力高而造价又相对较低，且在常规的沉管灌注桩机械的基础上进行改造，采取振动沉模，自动排土、现场灌注混凝土而成管桩，在施工过程中通过振动、挤压和排土等作用，可使桩间土进一步密实，与管桩相比处治效果更好，故提出对原有桥台两端软土地基采用PCC桩处治，具体方案如下。

PCC桩混凝土强度为C20，外径100 cm，壁厚10 cm，间距3.0 m，考虑到下卧硬塑黏土可以作为持力层，因此拟定桩长13.0 m，桩端深入下卧硬塑黏土，桩基呈梅花形布置。

PCC桩施工完毕后，在桩顶上设置40 cm厚砂砾垫层，垫层上铺设双向土工格栅，在路基施工到位后，路床顶面实施等载预压，尽量降低工后沉降。

4 工程地质条件

工程场地地处湖区，软土层厚，软土范围广，其各地层上基本物理力学特性见表1所示，各土层情况自上而下分述如下。

5 PCC桩复合地基承载力计算

复合地基承载力计算参照《混凝土大直径管桩复合地基技术规程》(JGJ/T 213—2010)、公路路基设计规范(JTG D30—2015)、《公路路基施工技术规范》(JTGF10—2006)、《建筑地基处理技术规范》JGJ 79—2012等相关规范执行。

表1 K37+075.5乐园村1#中桥桥台处软土体岩土参数表

该断面路基顶宽度B=26 m，长度L=50 m，路堤填土高度H=7.5 m，填料的平均比重度γ=20 kN/m3。

根据土层状况，地基处理方案布置为：设计桩径Φ=1 000 mm，壁厚100 mm，混凝土强度为C20，采用桩中对中中心间距为3.5 m，桩长13.0 m，正三角形布置。

单桩极限承载力Quk=u∑qsiali+ξpqpaAp=

3.14×1 m×[40 kPa×0.7 m+25 kPa×9.6 m+45 kPa×1.8 m+70 kPa×0.9 m]+0.9×220 kPa×0.785 m2=1 450 kN(考虑清表土厚度为0.4 m)。

其中Ap=3.14×0.52=0.785m2，桩端土为硬塑黏土层ξp取0.9。

fspk=0.074×1 450 kN÷2÷0.785+0.8×(1-0.074)×140 kPa=172 kPa。

车辆动载换算成1 m填土厚度，复合地基上总荷载p=γH=20 kN/m3×8.5 m=170 kPa<172 kPa。

复合地基承载力满足要求。

6 PCC桩复合地基沉降计算

沉降计算参照《混凝土大直径管桩复合地基技术规程》(JGJ/T 213—2010)、公路路基设计规范(JTG D30—2015)、《公路路基施工技术规范》(JTGF10—2006)、《建筑地基处理技术规范》JGJ 79—2012等相关规范执行。

表2 PCC桩复合地基沉降计算表

表2中地基下卧层的深度从加固区底面即下卧层的顶面开始计算，下卧层顶面的自重应力为300 kPa。

S=ΨsS′=0.4×0.3539 m=0.141 m

由计算可知，采用PCC桩对软土地基处理后，沉降满足规范要求。

7 数值计算分析

计算采用Plaxis程序，它是由荷兰开发的大型岩土工程有限元设计计算软件。Plaxis程序应用性非常强，能够模拟复杂的工程地质条件，尤其适合于变形和稳定分析。Plaxis程序能够计算两类工程问题，平面应变问题和轴对称问题；本计算为平面应变问题。

计算断面取自原地面以下深30 m，影响宽度65 m；路基顶宽度B=26 m，长度L=50 m，路堤填土高度H=7.5 m。PCC桩地基处理方案布置为：设计桩径1 000 mm，壁厚100 mm，混凝土强度为C20，采用桩中心间距为3.5 m，桩长13.0 m，正三角形布置。

土层参数详见地勘报告，计算结果如图1、图2、图3所示。

通过数值分析结果可见，最终沉降量约13.8 cm，与规范公式计算结果14.1 cm相比偏差不大，且均满足沉降变形要求；同时，路堤荷载大部分由桩基承担，并可较好的传递到下卧层， 与理论公式计算的结果相比吻合性较好。

图1 沉降变形云图

图2 应力变化示意图

图3 平均应力云图

8 结 论

PCC桩是一种刚性桩地基，PCC桩可全桩发挥其摩阻力和端阻力，可以有效地提高复合地基的承载力和减小复合地基沉降及工后沉降，较好的满足规范要求。PCC桩复合地基的沉降和压缩变形主要发生在下卧层和表层桩间土内，影响深度浅，深层土压缩变形小，限制了软土的侧向变形，防止路基失稳，可以大大提高填筑速度，缩短施工周期。故K37+075.5段乐园村1#中桥桥台两端软土地基处理中应用PCC桩技术是可行的。