公路工程中剛性樁復合地基設計計算的探討

■謝 磊 ■中交第一公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430000

當前，在計算剛性樁復合地基的承載力時，主要是以單樁承載力為基礎進行計算的。由于公路工程的路基結構和建筑結構不同，如果仍然按照建筑樁的設計方法來計算公路路基樁，路基的穩定性就得不到保證。本文以實際工程為例，對公路工程剛性樁復合路基的計算進行探討。

1 剛性樁復合地基設計計算的意義

工程設計人員通過對國內外工程進行大量研究和考察，總結得出散體材料柔性樁的一些缺陷，如果利用增大散體材料柔性樁進行軟弱地基的加固，雖然可以提升一定的地基承載力，但是其提升幅度有限。比如對軟弱粘性土進行處理時采用碎石樁，雖然其承載力程度可以提高20%到60%，但是地基的沉降依然沒有得到顯著的改善［1］。這是由于碎石樁的構成主要是以散體材料為主，其粘結強度較低，維持樁形的能力較弱，很難增強其承載能力。

除此之外，灰土樁和石灰樁也具有承載能力低的特點，其荷載傳遞深度也有一定的限制，在達到一定深度時，樁體的作用并不是支撐，而是擠密，因此即便增加了樁體的長度也不會增加地基的承載能力。工程人員通過對碎石樁、柔性樁了解和分析得出，要想加固地基，增強其承載力，就應該先增強樁體材料的剛度，使上半部分的荷載可以很好的傳遞到深層的土層。工程人員進行強化材料剛度試驗后發現，使用這類剛度較為堅硬的材料后，地基的承載力以及沉降問題得到了很好的改善，不僅提高了工程的質量，還提升了工程的經濟效益。

2 剛性樁復合地基的基本作用

地基發生沉降變形一般是由于基礎受到了垂直荷載，從而使樁和樁間土受到外力而產生一定的變形。在地基荷載一定的情況下，沉降一般不發生變化，只有荷載力增加時，樁與樁間土才會隨著相互之間的壓力而產生變形。樁體與樁間土體的壓縮變形模量是有一定區別的，前者要比后者大，而壓縮變形則是后者大于前者，正是由于這樣的原因，所以在樁頂部平面位置的樁體移動要比土體小。這類協調過程屬于應力集中效應，效應的變化一般隨著荷載的增加而增加。褥墊層一般處于地基上部，為了改善應力不協調的情況，一般會將樁刺入褥墊層，使樁的頂部產生負摩阻區，與此同時樁的頂部以下的位置會出現等沉面。沉面上下兩側的樁與樁間土的摩阻力是不相同的，上半部分樁間土移動位置相對于樁來說是向下的，對樁產生的是負摩阻力，而下半部分正好相反［2］。摩阻力一般隨著荷載的增加而增加，待摩阻力達到最大時，樁端就會發生移動，從而使樁端阻力可以發揮。隨后，隨著阻力的增加，樁端土所承擔的應力增量也會增加，進而使樁頂部與底部的土體可以塑形。到目前為止，復合地基變形的計算理論還在不斷的發展，其實際的計算公式多以經驗公式為主，因此具有一定的局限性。而我國的工程設計一般會被要求用規范規定的方法進行，但是經過多次的實際驗證發現，這種算法算出的結果一般會比實際情況大一些，甚至會大出實際沉降量的三倍不止。因此，在進行實際工程計算時，要根據現場的實際情況進行算法的選擇，找出最合理的方法，以便更大程度的保證路基的處理質量。

3 剛性樁復合地基設計計算實際應用

3.1 案例介紹

某公路路基工程使用具有代表性的K46 +357 段路基，路基填土高度為7.4m～9m，路基屬于軟土地區的高填土路基。勘察證明Qm1屬于人工填土層，主要由魚塘底粘性土和素填土構成;Q43al屬于河流相沉積，主要由中、高壓縮性的粘土構成;Q42m主要由粘土和亞粘土構成的海流相沉積構成。

3.2 案例路基的處理方法

反壓護道可以有效的提高路基邊坡的穩定性，精確計算后得出反壓護道的寬度為6 米。路基的處理需要現澆混凝土薄壁管樁(PCC)和水泥攪拌樁，其中PCC 樁分為三級過度，需要進行分別的處理，其處理的長度共有50m，可分為15m、15m、20m。PCC 樁單樁的長度也各不相同，第一級、第二級、第三級分別為16m、14m、12m，按照等邊三角形的形式進行布樁，樁距、樁徑、壁厚分別為3.0m、1m、0.12m。除此之外還要在等邊三角形的中間插入一根10m 長的水泥攪拌樁，要求樁徑為0.5m，這樣做可以有效的降低工程預算。路基處理示意圖如圖1 所示。

圖1 路基處理示意圖

3.3 路基的計算原理

3.3.1 具體方案

通過測量得出:路面高程、周圍地坪高程、魚塘底面高程、填土的高度(h)分別為:10.6m、3.0m、1.5m、8.0m，路基寬度(B)、填土容重()分別為:34.5m、18KN/m3，由于路堤荷載分布的形式為梯形，面層重和車輛荷載的最大的值P=gh=18 ×8=144kpa，此外路堤的復合地基承載力必須在要求的范圍內，一般要大于144kpa。

3.3.2 計算剛性復合地基的承載力

本工程是使用水泥攪拌樁+PCC 樁復合地基來對公路路基進行處理的。依據《巖土工程勘察報告》，樁間土層天然地基的允許承載力為120kpa，試驗證明PCC 單樁豎向承載力特征值為Ra=400KN，那么復合地基承載力特征值(fspk)按下式進行計算:

水泥攪拌樁地基承載力的特征值取Ra=96KN;(1-m)fsk=24.35 kpa

復合地基的總承載力特征值為:fspk=fspk(ppc 樁)+fspk(水泥樁)+fspk(樁間土)=51.48 +24.35 +91.70=167.53，大于規定要求的144kpa 承載力要求值，達到了規定要求。

3.4 路基的沉降觀測及其補強效果

進行路基填筑施工時，要對路基進行實時監控和測量。如果要求說明這樣的處理方法是有效的。與此同時，使用堆載反力慢速加載的試驗方法對單樁的復合地基的承載力特征值進行計算。試驗方形壓板來進行試驗，壓板面積為2m2，利用JCQ-503C 全自動靜載荷測試系統來進行加載試驗，荷載最高值為700KPa，一共分10 個級別來施加荷載。實驗結果如圖1 所示。

圖1 單樁載荷試驗結果曲線

根據上圖來分析，復合地基單樁靜荷載試驗曲線沉降均勻、緩慢，當荷載增加到700Kpa 時依然沒有出現比較顯著的拐點。所以，可以斷定單樁荷載沒有達到極限值，達到了工程的施工要求。

4 結論

剛性樁復合路基的計算需要根據實際情況計算地基的承載力，然后對路基處理方式進行設計。本文首先對剛性樁復合路基的特點進行了分析，然后以實際工程為例，對剛性樁復合路基的設計進行計算方式進行了探討。經計算，工程使用剛性樁處理地基處理效果良好。

［1］鄭剛，李帥，刁鈺.剛性樁復合地基支承路堤穩定破壞機理的離心模型試驗［J］.巖土工程學報，2012，34(11):1977 -1989.

［2］周同和.復合地基變形計算理論方法探討［J］.建筑科學，2005，21(1):61 -65.