塑料套管混凝土樁在寧波南外環(huán)路的應(yīng)用

劉志明，肖雄杰，付 煒

（中國市政工程中南設(shè)計研究總院，湖北武漢430010）

1 概述

寧波市南外環(huán)路東段（世紀大道-東外環(huán)路）工程位于寧波市區(qū)南部，南側(cè)緊靠杭甬高速公路，北側(cè)緊鄰鐵路北侖支線，西起世紀大道，東至東外環(huán)路，全長3.965 km，規(guī)劃為雙向6車道城市快速路。

南外環(huán)路東段作為連接寧波市內(nèi)環(huán)快速路與中環(huán)快速路的重要道路，主要承擔(dān)老城區(qū)、東部新城區(qū)的南部東西向交通，具有吸引、疏解、組織沿線車輛及溝通該區(qū)域主要骨架道路的功能；吸引沿線交通方便地進入城市高速公路系統(tǒng)。服務(wù)對象客運、貨運交通并重，根據(jù)該路段交通量調(diào)查分析預(yù)測，建成初年（2009年）高峰小時最大斷面流量為4 120 pcu/h，客貨比例為3:1，交通量預(yù)測末年（2029年）高峰小時最大斷面流量為5 230 pcu/h，客貨比例為5:1，即運營期初該道路具有明顯貨運干道的性質(zhì)。

寧波地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地表以下有深厚的淤泥質(zhì)土層，已建成的某環(huán)線道路與該道路交通性質(zhì)相似，其軟土地基處理方法為：路橋銜接段采用水泥土攪拌樁處理，一般路段換填一定厚度的塘渣處理；道路建成運營一段時間后即出現(xiàn)了工后沉降和不均勻沉降大、路面縱向呈波浪狀起伏、局部路面開裂等病害，嚴重影響了道路功能的充分發(fā)揮，究其原因主要為軟土地基處理方法不當(dāng)及通行貨運車輛重載超載。近年來，在寧波地區(qū)道路設(shè)計中路橋銜接段普遍采用PTC管樁、素混凝土旋挖樁、碎石注漿樁等樁承式路堤進行軟基處理，工后沉降得到有效控制，橋頭跳車狀況明顯好轉(zhuǎn)，但是其造價較高，在一般路段長距離使用代價太大。一般路段軟土地基處理中常用方法是單向水泥土攪拌樁，該方法施工技術(shù)成熟、工期短，但存在軟土有效加固深度淺、施工質(zhì)量控制性差的問題。

2 塑料套管混凝土樁介紹

塑料套管混凝土樁 （Plastic tube cast-in-place concrete pile，以下均簡稱TC樁）作為一種新樁型，屬于樁承式加筋路堤中的小直徑剛性樁的一種，目前已成功應(yīng)用于多項公路、鐵路工程的軟基處理中，與傳統(tǒng)軟基處理方法相比在適宜的地質(zhì)條件下，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟效益，沉降收斂快、總沉降量較小，沉降主要發(fā)生在施工期，工后沉降小。

TC樁由預(yù)制樁尖、塑料套管、套管內(nèi)混凝土、頂部樁帽四部分組成；其主要工藝為按照一定間距將塑料套管打入需要加固的軟土地基中，套管底部與預(yù)制樁尖固定，頂部開口，待擬加固場地分段區(qū)塊套管全部打設(shè)完畢后，開挖蓋板土模，安放鋼筋籠及蓋板配筋，再統(tǒng)一對埋設(shè)在地基中的套管用C25混凝土連續(xù)澆注成樁，套管不再取出。

TC樁與當(dāng)前我國道路軟基處理中普遍使用的水泥土攪拌樁、預(yù)應(yīng)力管樁、振動沉管樁、旋挖樁等路堤樁相比，有它的合理性、先進性及適用性。它的主要優(yōu)點在于先有套管成模，后集中現(xiàn)澆，這樣與振動沉管樁相比其混凝土用量可控、沒有充盈、不會因為振動擠土而引起斷樁，打設(shè)機械可以連續(xù)施工和混凝土可以連續(xù)澆筑而降低施工費用；采用現(xiàn)澆工藝后不需要像預(yù)應(yīng)力管樁等預(yù)制樁一樣采用大量鋼筋和大型運輸，以及打設(shè)機械，也不需要事先配樁等優(yōu)勢，而與水泥土攪拌樁等柔性樁相比它又是剛性樁，承載力高且質(zhì)量容易控制，整體造價較低等優(yōu)點，其樁周又帶有螺紋而可以獲得較大的樁側(cè)摩阻力。

3 一般路段軟基處理設(shè)計

3.1 工程地質(zhì)情況

該工程所在地區(qū)屬于寧奉平原軟土分布區(qū)，該區(qū)域軟土特點為地表以灰黃色、暗綠色湖沼積地層為主，其下分布海相淤泥、淤泥質(zhì)土層，常有泥炭層成片分布。各層土體工程地質(zhì)特點為：

（1）場地淺層遍布①2層黃褐色粉質(zhì)粘土層，該層層厚較薄，約1.0～1.5 m，強度一般，容許承載力σ0=75 kPa，中等偏高壓縮性，可作為道路路基的持力層。

（2）硬殼層以下為②1層淤泥、②2層淤泥質(zhì)粘土，層厚較厚，約 13～15 m，容許承載力 σ0=40～60 kPa，壓縮模量 Es=2～3 MPa，高壓縮性，垂直滲透系數(shù)為1.4×10-7cm/s，在路基填土附加荷載作用下，沉降量大，固結(jié)緩慢，為主要壓縮層。

（3）其下③1粉砂夾粉土或③2層粘質(zhì)粉土為相對硬土層，K0+000～K1+515（規(guī)劃河四）為③2層，K1+515（規(guī)劃河四）～K2+861（盛莫路）為③1層，K2+861（盛莫路）—終點此兩層缺失，層厚2 m左右，容許承載力σ0=95～190 kPa，中等壓縮性。

（4）其下④層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，層厚6.9 m～24 m，埋藏相對較深，壓縮模量ES=2.8 MPa，高壓縮性，在路基填土附加荷載作用下，沉降量較大，固結(jié)緩慢。

（5）其下各層為⑥、⑦層粘土、亞粘土或砂類土，壓縮模量ES=6～9 MPa，中低壓縮性，承載力較高，工程性質(zhì)較好。

3.2 TC樁設(shè)計情況

TC樁軟基處理范圍為南外環(huán)路東段一般路段機動車道，平面上采用正方形布置，樁間距1.6m，預(yù)制樁尖采用C30鋼筋混凝土，直徑約30 cm，并設(shè)置有固定套管的塑料套管接頭，樁體外側(cè)為外徑16 cm的單壁螺紋PVC塑料套管，套管強度根據(jù)打設(shè)深度不同采用環(huán)剛度6～10級套管，樁身、蓋板采用C25混凝土連續(xù)澆注一體化施工，蓋板直徑50 cm，高度20 cm。

根據(jù)地勘報告，K1+542～K2+940區(qū)域存在③1粉砂夾粉土層，可以作為TC樁持力層。該段TC樁樁長按進入持力層≮1 m控制，平均樁長為14 m。對于其他區(qū)域，TC樁樁長根據(jù)承載力及沉降計算綜合確定。承載力計算按照 《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）計算單樁豎向極限承載力標準值，承載力設(shè)計安全系數(shù)取1.1～1.3。

TC樁路堤變形主要由樁頂沉降控制，樁頂總沉降s由樁身壓縮量s1、樁端平面以下沉降量s2和樁端刺入量Δs三部分組成。

該項目典型斷面的承載力、沉降計算見表1所列。

3.3 TC樁豎向抗壓靜載試驗情況

對樁打設(shè)至相對硬土層的段落，其總荷載按150 kN控制。根據(jù)實地試驗，28 d單樁極限承載力可達160 kN以上，隨著時間增長，樁周土進一步回擠，其極限承載力可進一步提高。TC樁施工采用的是大直徑鋼沉管內(nèi)套小直徑塑料管，并采用擴大樁尖的方法成樁。樁周土先擾動擴孔，與塑料套管先不接觸，待鋼沉管拔出后依靠土體自重固結(jié)、相鄰樁打設(shè)擠土作用及上部荷載作用下逐步回擠，使塑料套管與樁間土緊密作用。樁間土經(jīng)歷擴孔、回填、回擠的過程，使TC樁承載力具有一定特殊性和更明顯的時效性。

3.4 路堤荷載下TC樁復(fù)合地基沉降

考慮軟基處理一般路段、過渡段、橋頭等不同路段軟基處理不同方式、不同路段地質(zhì)條件變化等因素，南外環(huán)路東段道路共布置53個觀測斷面，進行沉降（沉降板）、深層水平位移（測斜管）、深層土體沉降（分層沉降管）、孔隙水壓力（孔壓計）監(jiān)測，其中對一般路段設(shè)置15處觀測斷面，每個斷面分別在中央分隔帶及兩側(cè)機非分隔帶內(nèi)埋設(shè)沉降板進行沉降觀測。監(jiān)測情況見表2所列。

表1 典型斷面的承載力、沉降計算值一覽表

觀測數(shù)據(jù)表明：

（1）TC樁處理后的路堤沉降量小，沉降收斂快，且主要發(fā)生在施工期，路面施工結(jié)束時月沉降速率遠小于5 mm，路基沉降基本穩(wěn)定。

（2）竣工通車后月沉降速率逐月減少，至第三個月月沉降速率大部分斷面已小于5 mm，這主要是因為竣工后大量重型貨車通行所致。這說明低路堤條件下交通荷載對路基沉降的影響是不能忽視的，尤其是市政道路由于工期原因軟基處理后填筑路基預(yù)壓時間很短，且?guī)缀醪徊捎贸d預(yù)壓工藝，故在沉降計算中必須要考慮交通荷載影響。

（3）至觀測期末，各路段總沉降基本控制在8～10 cm，各斷面之間差異沉降很小，漸變率不大于0.5%，月沉降速率已收斂至5 mm以下，預(yù)測15 a工后沉降不大于20 cm。

4 TC樁施工工藝

TC樁的施工工藝及流程如下圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

主要施工工序如下：

（1）TC樁打設(shè)前，先整平場地，鋪設(shè)砂礫墊層。

（2）塑料套管準備及制作。塑料套管準備，對套管進行試驗和尺寸檢測。根據(jù)加固樁長的要求，將出廠的套管切割成合適長度。

（3）制作樁尖并與套管連接。將切割好的套管與樁尖連接密封牢固。

（4）將打設(shè)設(shè)備移機就位。設(shè)備可采用靜壓振動聯(lián)合插管機，可由普通沉管機、插板機等同類設(shè)備改造而成。

表2 沉降板沉降觀測值一覽表

（5）放置套管及打設(shè)。將帶有樁尖的套管從鋼管底部放入鋼管中，樁尖與樁位對準，然后開機將鋼管打設(shè)至預(yù)定的深度，打設(shè)過程中要控制好垂直度。

（6）拔鋼管。將鋼管拔出而將塑料套管留在地下，移機至下一個樁位，重復(fù)（4）～（5）工序，繼續(xù)埋設(shè)套管。

（7）截樁和檢查套管的深度。將多余的套管進行截樁和整理后，可以隨時對套管深度檢查，并隨時保護套管內(nèi)的清潔，盡量不讓雜物進入。

（8）沿塑料套管中心開挖直徑約為50cm（根據(jù)樁帽的尺寸定），高約為20cm的圓孔，放置樁頂鋼筋籠及蓋板頂、底層鋼筋。

（9）場地內(nèi)集中澆注混凝土完成樁和蓋板的施工。將合適流動性的混凝土澆注在套管中，然后用專用加長振動棒（振搗深度在15～20m以上）對填充的混凝土進行振搗密實，并進行混凝土補充，使混凝土填充滿整個塑料套管。

（10）混凝土澆注完畢達到一定強度后，蓋板頂滿鋪鋼絲格柵，再鋪設(shè)墊層材料。

5 TC樁施工質(zhì)量與檢驗要求

根據(jù)該項目特點擬定TC樁的施工質(zhì)量及檢驗要求見表3所列。

6 TC樁工程應(yīng)用經(jīng)濟性比較

TC樁由于是小直徑剛性樁，布樁方式為“細而密”，與其他大直徑剛性樁（如PTC管樁、旋挖樁）疏化樁間距相比，表面沉降更加均勻，這對墊層加筋材料強度要求、蓋板的尺寸要求更低，從而可以節(jié)約其他輔助措施費用。對于低填方路堤，為形成土拱效應(yīng)，樁承式路堤樁間距不能取得過大，這時候更體現(xiàn)出小直徑樁這種布樁方式的優(yōu)越性。

該項目選擇PTC管樁、水泥土攪拌樁與TC樁進行經(jīng)濟比較，對比情況見表4所列，TC樁相對于這兩種典型的剛性樁復(fù)合地基、柔性樁復(fù)合地基工程費用均減少10%以上。

7 結(jié)語

（1）TC樁由預(yù)制樁尖、塑料套管、套管內(nèi)混凝土、頂部樁帽四部分組成，通過該項目應(yīng)用實踐，表明TC樁具有施工速度快、成樁質(zhì)量容易控制、檢測手段方便可靠等優(yōu)點。

（2）TC樁樁側(cè)受力具有一定的特殊性和時效性。樁端具有相對硬土層條件下28 d單樁極限承載力可達到160kN以上，隨著時間推移，樁周土體回擠還可使其承載力提高。

表3 TC樁施工質(zhì)量檢驗要求一覽表

表4 TC樁與其他樁的經(jīng)濟性比較表

（3）TC樁沒有打穿軟土層條件下，設(shè)計中樁長、樁間距等參數(shù)選擇建議按照控制工后沉降為主，計算中將樁端刺入量、軟弱下臥層沉降適當(dāng)增加，其計算方法有待進一步研究。

（4）一般路段典型斷面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，TC樁處理后的路堤沉降量得到明顯控制，沉降收斂快，且各斷面總沉降差異小，加固效果明顯。低填路堤條件下，交通荷載對路堤沉降影響很大，沉降計算中必須予以考慮。

（5）TC樁由于是小直徑剛性樁，布樁方式為“細而密”，與其他大直徑剛性樁（如PTC管樁、旋挖樁）“粗而疏”的布樁方式相比，表面沉降更加均勻，對墊層加筋材料強度要求、蓋板的強度與尺寸要求更低，在低填方路堤中優(yōu)越性更為明顯。

（6）TC樁與PTC管樁、水泥土攪拌樁進行經(jīng)濟比較，工程費用減少10%以上，具有一定的經(jīng)濟優(yōu)勢。

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