预应力混凝土管桩在高速公路软土地基中的应用研究

摘要：为了解决高速公路改扩建工程中软土地基承载力差等问题，采用预应力混凝土管桩进行软基加固。通过对预应力混凝土管桩在软土地基中的应用进行研究和分析，结果表明：单桩在竖向荷载作用下的承载机理主要受桩身自重和土体侧向土压力的影响，通过预应力技术，可以增强桩体的抗弯能力、提高承载能力；影响单桩承载力的主要因素包括桩径、桩长、预应力水平等，其中，桩径和桩长是影响承载力的关键因素。静压桩通过外部静压力将桩体沉入土体中，形成摩擦阻力和端阻力，从而提高桩体的承载能力。通过系统分析，可以更好地理解预应力混凝土管桩在软土地基中的应用及其施工技术，为工程实践提供参考。

关键词：预应力混凝土管桩高速公路软土地基承载力

ResearchontheApplicationofPrestressedConcretePipePilesinSoftSoilFoundationsofHighways

ZHOUJianhua

LiaoningRailwayVocationalandTechnicalCollege，Jinzhou，LiaoningProvince，121000China

Abstract：Inordertosolvetheissuesofpoorbearingcapacityofsoftsoilfoundationinhighwayreconstructionandexpansionprojects，thispaperadoptsprestressedconcretepipepileforsoftfoundationreinforcement.Throughtheresearchandanalysisof ;theapplicationofprestressedconcretepipepileinsoftsoilfoundation，theresultsshowthat：Thebearingmechanismofasinglepileunderverticalloadismainlyaffectedbyitsownweightandlateralearthpressure.Usingprestressedtechnologycanenhancethebendingresistanceofthepileandimprovethebearingcapacity.Themainfactorsaffectingthebearingcapacityofsinglepileincludepilediameter，pilelengthandprestresslevel，amongwhichpilediameterandpilelengtharethekeyfactorsaffectingthebearingcapacity.Thestaticpressurepileistosinkthepileintothesoilthroughtheexternalstaticpressuretoformfrictionresistanceandendresistance，soastoimprovethebearingcapacityofthepile.Throughsystematicanalysis，theapplicationandconstructiontechnologyofprestressedconcretepipepileinsoftsoilfoundationcanbebetterunderstood，andprovidingreferenceforengineeringpractice.

KeyWords：Pre-stressedconcretepipepiles;Highway;Softsoilfoundation;Bearingcapacity

随着城市化进程的加快和基础设施建设的不断推进，软土地基的处理成为了一个重要的问题[1]。预应力混凝土管桩以其承载能力高、施工周期短、效果显著等特点成为了软土地基处理的重要手段之一[2]。WUJT等基于高速公路进行了PHC管桩加固软土地基的现场试验研究[3]。王晨分析了内外侧摩阻力的疲劳退化现象，结合内侧摩阻力分析了土塞效应[4]。然而，在实际工程中，预应力混凝土管桩的施工技术和承载机理等方面仍存在一些问题，需要进一步研究和探讨。因此，本文旨在对预应力混凝土管桩的工作原理、施工工艺流程和承载机理等方面进行阐述，以为工程实践提供理论支持和技术指导。

1预应力混凝土管桩原理和特点

1.1预应力混凝土管桩的工作原理

预应力混凝土管桩是一种常用于软土地基加固的工程技术，其工作原理涉及预应力技术和混凝土结构原理。

预应力技术是指在混凝土结构施工前施加预先设计好的预应力，通过预应力锚固系统，将钢筋或钢缆预应力，使混凝土在受力后具有一定的预压应力。预应力技术可以提高混凝土结构的承载能力、抗弯能力和变形性能。混凝土具有优良的耐久性和抗压性能，是一种常用的建筑材料。混凝土结构的原理是在混凝土硬化后形成的坚固结构，能够承受外部荷载并传递至地基。

预应力混凝土管桩利用混凝土的高强度和耐久性，结合预应力技术，在软土地基中提供稳定的承载能力。在预应力混凝土管桩施工前，通过预应力技术，在钢筋或钢缆中施加预应力。预应力作用使得混凝土在受到外部荷载后产生一定的预压应力，提高了混凝土的抗压性能和承载能力。预应力混凝土管桩的桩身通过地基锚固在软土地基中，承担外部荷载传递至地基的作用。混凝土管桩的高强度和稳定性保证了其能够有效地承载外部荷载。在预应力混凝土管桩施加荷载后，桩身周围的土体会发生固结现象，形成固结效应，增加了桩与土体之间的相互作用力，提高了桩的承载能力和稳定性。

1.2预应力混凝土管桩的特点

预应力混凝土管桩在施工过程中施加预应力，使混凝土桩体具有较高的抗压、抗弯强度和承载能力，能够承受较大的荷载[5]。预应力混凝土管桩的预应力作用使得桩体的变形受到控制，能够有效地减小地基沉降和变形，提高路基的稳定性和均匀性。

预应力混凝土管桩的施工工艺相对简单，可以在各种地质条件下进行施工，适用性广泛。与传统的地基处理方法相比，预应力混凝土管桩具有较高的经济效益，能够降低工程成本、提高工程的投资回报率。预应力混凝土管桩的施工过程中不会产生大量的污染物和废弃物，对环境影响较小，符合可持续发展的要求。

2施工工艺流程

2.1前期准备阶段

首先，对项目进行评估，对高速公路软土地基的情况进行评估，确定需要进行加固的范围和方案。其次，委托专业设计单位进行桩基设计，包括桩的类型、布设方案、预应力方案等，并经过相关部门审核。最后，根据设计要求，准备所需的预应力混凝土管桩、预应力钢筋、混凝土等施工材料。

2.2施工准备阶段

对施工现场进行布置，包括清理场地、划定施工范围、搭建施工临时设施等[6]。同时，对施工所需的机械设备进行调试和检测，确保设备正常运转，并对施工人员进行安全培训和技术培训，使其熟悉施工流程和操作规程。

2.3桩基施工阶段

根据设计要求，在施工现场进行孔洞钻探，确定桩孔位置和深度。按设计位置进行沉桩，对桩基进行防腐、防水等防护工程，以延长桩体的使用寿命和稳定性。完成桩基施工后，进行质量验收，检测桩体的尺寸、强度等，评估施工质量。对施工现场进行清理和整理工作，清除施工废料和设备，恢复场地原貌。做好施工记录和档案管理工作，记录施工过程中的关键参数和数据。通过科学规划、严格施工和有效控制，可以保证施工工艺的顺利进行和质量可控，从而为高速公路软土地基的加固提供了可靠的技术支撑。

3预应力管桩承载机理的分析

3.1竖向荷载下单桩承载机理的分析

桩端阻力主要通过桩底摩阻和端阻力来传递。软土地基中，桩底的摩阻力通常较小，而桩端的端阻力则是主要的承载来源之一。侧摩阻力是桩身表面与土体之间的摩擦力，其大小与土体的性质、桩身形状和尺寸等因素密切相关。

单桩施加竖向荷载后，土体将产生侧向变形，导致土体对桩身的侧向约束，进而增加了桩体的承载能力。在工程实践中，在不同的土质条件下承载方式会有所不同。

在砂土地基中，预应力管桩的承载方式主要是桩端阻力。在砂土地基中，桩端的阻力往往较大，主要承担桩身的承载。由于砂土的排水性能较好，桩端阻力的传递相对较为直接和有效。而且，由于砂土的颗粒间隙相对较大，侧摩阻力往往相对较小，不如桩端阻力对承载起主导作用。

在黏土地基中，预应力管桩的承载方式与砂土地基有所不同，桩身摩阻力更加突出。由于黏土的黏性较大，桩身表面容易与土体产生黏结，因此，桩身的摩阻力在黏土地基中往往起着重要作用。黏土的流变性较强，桩端的阻力通常相对较小，但在特定情况下仍可能起到一定的作用。

在淤泥地基中，预应力管桩的承载方式受到淤泥的特殊性影响，桩身的侧摩阻力往往是主要的承载方式。由于淤泥的流变性和含水量较高，桩端阻力相对较小。由于淤泥地基的流变性，桩端的阻力相对较弱，因此，在设计中，需要特别考虑桩身的侧摩阻力。

3.2单桩承载力影响因素的分析

单桩承载力是指单根桩在地基中所能承受的最大荷载，其大小受多种因素的影响。

3.2.1地层条件

不同类型的土壤对单桩承载力有不同的影响，一般来说，坚硬的岩石地层下的单桩承载力较大，而软弱的土壤地层下的承载力较小。土层厚度对单桩承载力有显著影响，当土层较薄时，桩端可能直接承受较大的荷载；当土层较厚时，桩身的摩阻力会起到更大的作用。

3.2.2桩的几何形状

桩的直径和长度是影响单桩承载力的重要参数，一般来说，直径较大和长度较长的桩具有更大的承载力。在相同地层条件下，不同形状的桩的承载力可能存在差异。

3.2.3桩与土体之间的相互作用

桩端的阻力是单桩承载力的重要组成部分，受土层的类型和密实度、桩底形状等因素影响。桩身与土体之间的侧摩阻力也对承载力有重要影响，受桩身表面形状和土壤的黏性等因素影响较大。

3.2.4荷载性质

不同类型的荷载对单桩承载力的影响有所不同，静载和动载下桩的承载特性可能存在差异。荷载的大小和作用方式对单桩承载力的影响明显，不同大小和不同作用方式的荷载可能导致桩的不同承载特性。

3.3静压桩沉桩机理的分析

静压桩是一种常用的桩基施工方法，用于加固土体、传递荷载或改善地基。

其沉桩工艺通常包括以下几个步骤：（1）在桩位上开挖桩孔，并进行清理和加固处理，以确保桩孔的稳定并符合设计要求；（2）通过吊装设备将预制好的桩身准确地放置到桩孔中，并进行水平和垂直定位；（3）通过静压设备施加垂直向下的力，使桩身逐渐沉入土层中；（4）在沉桩过程中，进行实时监测，包括桩身下沉速度、沉桩深度、桩身垂直度等参数，以及土层的反力和变形情况；（5）当桩身沉入设计要求的深度后，停止施加静压力，完成桩基的沉桩工艺。

沉桩过程中，需要注意以下几个关键点：（1）控制施加的静压力和沉桩速度，以避免过快或过慢的沉桩速度对土层和桩身造成损害；（2）实时监测沉桩过程中的各项参数，并及时调整施工参数；（3）在沉桩过程中，要严格控制桩身的垂直度，确保桩身沉入土层的垂直度满足设计要求。

4结语

本文对预应力混凝土管桩在软土地基中的应用进行研究和分析。结果表明：（1）单桩在竖向荷载作用下的承载机理主要受桩身自重和土体侧向土压力的影响，通过预应力技术，可以增强桩体的抗弯能力、提高承载能力；（2）影响单桩承载力的主要因素包括桩径、桩长、预应力水平等，其中，桩径和桩长是影响承载力的关键因素；（3）静压桩通过外部静压力将桩体沉入土体中，形成摩擦阻力和端阻力，从而提高桩体的承载能力。

参考文献

[1]郑刚，张军辉，章定文等.地基处理技术现状与发展[J].土木工程学报，2024，57（7）：51-70.

[2]朱亚辉.PHC管桩复合地基在软土路基处理中的应用分析[J].交通世界，2024，（Z2）：148-150.

[3]WUJT，YEX，LIJ，etal.FieldandnumericalstudiesontheperformanceofhighembankmentbuiltonsoftsoilreinforcedwithPHCpiles[J].ComputersandGeotechnics，2019，107（Mar.）：1-13.

[4]王晨.粉质土中PHC开口管桩锤击沉贯机制研究[D].青岛：青岛理工大学，2022.

[5]魏明鹏.皖北地区高速铁路PHC桩加固软弱土地基承载及沉降特性研究[D].兰州：兰州交通大学，2019.

[6]张智红.特殊地基综合处治施工技术研究：以山东地区某高速公路为例[J].工程技术研究，2023，8（16）：66-68，181.