管樁復合地基法在高速公路軟基處理中的應用研究

張 超

(湖南華罡交通規(guī)劃設計研究院有限公司)

我國幅員遼闊，軟土在國內(nèi)分布十分廣泛，以天然的軟土做地基進行高速公路工程和其他構筑物的建設，必須要將地基進行人工加固處理，這種對軟弱地基進行加固增加其強度的處理過程叫做地基處理。

目前國內(nèi)外軟土地基的處理方案主要有復合地基加固處理法、砂礫墊層法、排水固結處理法、預制混凝土樁、高真空擊密法及強夯法等幾種。相比一般的基礎工程，預制混凝土樁基的質(zhì)量更好、施工也更快，是最常見的基礎工程。大量的工程實踐讓我們了解到，預制管樁可以在預制場集中生產(chǎn)，起吊運輸方便，成樁質(zhì)量可靠、樁身耐打，耐久性好。

1 管樁復合地基

作為埋入土中的柱形桿件，管樁的作用是將上部荷載傳至深部堅硬土層或巖層之上，當周圍的土被預制管樁壓密或擠開時，則形成剛性樁復合地基。管樁復合地基主要有豎向受荷和橫向受荷的承載性能。當受到豎向受壓荷載時，樁頂荷載將承受樁側摩阻力和樁端阻力。沉樁施工時，樁尖被打入土體，破壞了原來土的初應力，壓縮了樁尖下的土體，使其產(chǎn)生較大的變形，從而阻礙了尖樁的下降。當樁壓力不斷增大，樁尖的抗剪強度無法承受應力時，變形達到極限的土體則會產(chǎn)生擠密性的側移或塑性流動(粘性土)和下拖。地面深處，由于受到上覆土層的壓力，樁周的土體被橫向擠開，從而完全破壞了貼近樁周的土體結構。

2 管樁復合地基法在高速公路軟基處理中的應用

2.1 工程簡介

地處沖積平原的X高速公路 K4+000～K30+150，軟土廣泛地分布在公路沿線，其中呈現(xiàn)灰白色或者深灰色的為軟土層局部缺失狀態(tài)，薄薄的腐殖質(zhì)、貝殼及夾粉細砂層蘊含其中。地質(zhì)檢測發(fā)現(xiàn)沿線的軟土分布沒有規(guī)律，平原沖積發(fā)育兩層軟土，沿線地質(zhì)以第一層為主(約14.5 km長)，厚度變化很大(0.9～24.05 m之間)。第一層軟土從上至下依次由人工填土、亞粘土、亞砂土、砂性土以及巖石風化層構成。第二層軟土埋藏深度較大，厚度變化也比較大(0.7～16.1 m之間)，但是長度比較小(約4.3 km長)。

2.2 管樁復合地基法在高速公路路段軟土地基的數(shù)值模擬及優(yōu)化設計

通過模擬分析佛開高速公路處理地基土，復合地基的方法最為適宜，將其地基變形規(guī)律數(shù)據(jù)加以分析，以便對老路結構和路面拓寬的影響加以推斷，最終得出復合地基法處理軟土地基可行。同時需要根據(jù)沉降控制設計理論，使復合地基參數(shù)能夠優(yōu)化到滿足不同路面結構的程度，從而達到不同路面結構對沉降差異的要求。

2.2.1 基本假定

在進行有限元分析時作了以下的假定:

(1)利用有限元中的PLANE對路堤橫斷進行分析，考慮到問題的對稱性，取一半結構進行研究;

(2)有限元分析時假定地基土是彈塑性模型(摩爾—庫倫屈服準則)，路堤土、砂墊層采用的是彈性模型，而復合地基則假定為復合土層;

(3)構筑路基的材料均假定為均質(zhì)材料;

(4)利用有限元進行計算時排除墊層中土工格柵加筋的影響;

(5)利用假定地下水位在地表處的方法來考慮地下水的影響;

(6)邊界條件:結構左右邊界分別為橫向固定約束和垂直固定約束，左右邊界均無水平位移;同時，下邊界和垂直方向上分別有來自橫向和豎向固定約束，無水平和豎直位移，其余的邊界條件自由;左邊界與下邊界面完全由不透水層組成，而右邊界只有部分由透水層組成，主要分布在砂墊層和地面與砂層的右側。其余的土層邊界均為不透水邊界。

2.2.2 計算模型

(1)幾何模型。

從路堤拓寬標準斷面中選擇出一個計算斷面來分析工程中路基所用的軟土處理措施及軟土分布的特點。

(2)網(wǎng)格劃分圖。

有限元網(wǎng)格使用平面四邊形四節(jié)點等參單元。

(3)計算工況。

用50 cm的砂墊層+1 m間距的塑料排水板處理原有路基。路基的拓寬采用管樁復合地基(樁長18 m)，其間距分別為2.0 m、2.4 m、2.8 m;分層填筑路堤。

(4)計算參數(shù)。

以復合土體的強度作為復合地基計算參數(shù)，依據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》JGJ79-2002規(guī)定，由于目前沒有規(guī)范推薦管樁復合地基的復合土層模量方法，所以采用與復合地基樁體性質(zhì)相似的CFG樁體公式

式中:Esp為攪拌樁復合土層的壓縮模量，kPa;Ep為攪拌樁的壓縮模量，kPa;Es為攪拌樁的壓縮模量，kPa;m為面積置換率;fspk為復合地基承載力特征值，kPa;fak為基礎地基底面下天然地基承載力特征值，kPa。

2.2.3 管樁復合地基法計算結果分析與設計優(yōu)化

(1)沉降。

由于管樁屬于剛性樁，當在樁頂設計蓋板后，樁的應力集中隨之增大，再加上樁身材料的剛性強，路堤上的大部分荷載被樁體承擔，因此路基的沉降度大為減少。從擬建工程計算斷面沉降云圖可看出，8～10 cm之間為斷面最大沉降量范圍，隨著新填路堤坡向四周分散，沉降也隨之逐漸減少。

可以參照復合地基沉降控制的設計思路來優(yōu)化管樁地基設計參數(shù)，從復合地基面積置換率與老路面最大沉降比之間的關系曲線圖1可以看出:將蓋板設置在管樁樁頂之后，樁和蓋板之間則形成了一個復合樁體，蓋板面積與單位復合樁體處理面積之間的比率則為復合樁體的面積置換率。為了進行比較方便的對比，樁體截面面積與單位處理面積之間的比率和老路面最大沉降比之間的關系曲線也同樣列出，如圖2所示。

根據(jù)模擬計算出路面結構的結果，采用新老路面差異沉降橫坡坡比為0.45%時，管樁復合地基的面積置換率為26.77%(樁間距2.49 m)能夠滿足設計要求;采用新老路面差異沉降橫坡坡比為0.5%，那么管樁復合地基的面積置換率為19.57%(樁間距2.91 m)同樣能夠滿足設計要求。進行施工時過度保守的面積置換率會給工程建設的影響帶來不利。所以建議采用路面橫向沉降比為0.4%～0.5%(2.0～3.0 m)。

圖1 蓋板面積置換率與老路面橫向沉降比關系曲線

圖2 樁體面積置換率與老路面橫向沉降比關系曲線

(2)水平位移。

分析結果表明管樁復合地基能夠很好地提高地基穩(wěn)定性，特別是能很好地限制基土的水平位移，各種樁間距下地基的水平位移都比較小(一般只有1～3 cm)。

3 結語

(1)管樁處理對于深厚軟土路基的加固能夠起到很好的效果，使用管樁處理，地基土的水平位移能夠得到很好的限制，從而大大提高了路基的穩(wěn)定性。而且與CFG樁復合地基法、排水固結法以及柔性樁復合地基法相比，管樁處理不僅施工過程控制簡單，而且能夠處理更大的地基深度，成樁質(zhì)量也更高。

(2)綜合分析模擬工程實況，考慮路面橫向差異沉降和項目投資，得出該工程管樁布置的合理間距為2.0～3.0 m。

［1]孫四平，侯蕓，郭忠印，等.舊路加寬綜合方案設計的幾點考慮［J］.華東公路，2002，56(5):7-10.

［2]中華人民共和國行業(yè)標準.公路路基施工技術規(guī)范(JTJ F10-2006)［S］.北京:人民交通出版社，2006.

［3]陳祥福.沉降計算理論及工程實例［M］.北京:科學出版社，2005.