預(yù)應(yīng)力管樁處理軟土地基效果分析

2017-12-19 07:28:06張強(qiáng)王鑫

城市道橋與防洪 2017年11期

張強(qiáng)，王鑫

（1.天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市300051；2.天津津質(zhì)工程技術(shù)咨詢有限公司，天津市300401）

張強(qiáng)1，王鑫2

（1.天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市300051；2.天津津質(zhì)工程技術(shù)咨詢有限公司，天津市300401）

結(jié)合某高速公路改擴(kuò)建工程，借助有限元分析方法，對預(yù)應(yīng)力管樁在不同樁帽、樁長、樁間距、墊層剛度時的路基沉降進(jìn)行計算，研究預(yù)應(yīng)力管樁在不同情況下處理軟土地基的效果，為軟土地基處理設(shè)計施工提供參考。

預(yù)應(yīng)力管樁；有限元；軟基處理效果；路基沉降

0 引言

隨著地基處理技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合地基技術(shù)在處理高等級公路深厚軟土地基中的應(yīng)用越來越多。大量工程實(shí)踐證明，預(yù)應(yīng)力PTC管樁具有承載力高，穿透能力強(qiáng)，耐久性好，適應(yīng)性強(qiáng)，施工工期短等優(yōu)點(diǎn)[1,2]。目前該樁型已在國內(nèi)沿海地區(qū)普遍推廣應(yīng)用，在許多地區(qū)正取代各種傳統(tǒng)樁型而成為主導(dǎo)樁型。預(yù)應(yīng)力管樁屬剛性樁，與樁周圍土體一起組成復(fù)合地基，其剛度較土體大得多，容易造成樁體刺入路堤，引起路堤表面沉降不均勻，實(shí)際工程中通常在樁頂配置樁帽，增大樁體與墊層的接觸面積來解決工程問題[3，4]，但目前PTC管樁復(fù)合地基處理方法的理論研究尚在發(fā)展中，對于樁身、樁間距、墊層等設(shè)計參數(shù)沒有系統(tǒng)研究，因此，有必要對PTC管樁復(fù)合地基處理的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行分析，為PTC管樁復(fù)合地基處理提供設(shè)計指導(dǎo)。

本文結(jié)合某高速公路改擴(kuò)建工程，通過有限元計算，分析了不同樁身參數(shù)，樁間距、墊層對預(yù)應(yīng)力管樁處理軟土地基的效果影響，為預(yù)應(yīng)力管樁的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 管樁處理總體效果分析

某高速公路軟土地基厚度為6 m，上覆3.0 m的硬殼層，路基高度為6 m，各土層參數(shù)見表1。采用修正的劍橋模型，圖1、圖2分別為處理前后的有限元離散圖。圖2采用管樁處理，管樁上不設(shè)樁帽，樁間距為3.5 m，樁長為9 m，打穿軟土層。天然地基與管樁處理后的地基沉降見圖3。

表1 地基和路堤的土層參數(shù)

圖1 天然地基離散圖

圖2 管樁處理有限元圖

從圖3可以看出，盡管管樁間距較大，不設(shè)樁帽，也能明顯減小地基的沉降量，路中心的最大沉降量從處理前的78 cm減少到32 cm。但由于管樁的間距較大，造成了管樁樁體與樁間土體明顯的沉降差，即引起了明顯的樁體刺入現(xiàn)象，且由于路中荷載越大，越靠路中心其上刺現(xiàn)象也更加明顯。由于管樁樁體具有較高的承載力，一般采用減少管樁的樁間距或在樁頂設(shè)置樁帽的方法減少樁體的刺入現(xiàn)象。

圖3 天然地基與管樁處理后的沉降量對比

2 樁帽大小的影響

為研究不同樁帽大小對減少管樁的上刺變形，提高管樁的單樁承載力的有利程度，模擬計算了管樁間距為3.5 m時，樁帽大小分別為無樁帽、1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m及樁帽大小為2.0 m×2.0 m的地表沉降，見圖4。

圖4 不同樁帽尺寸的地基沉降量

從圖4可以看出，與無樁帽相比，設(shè)置了樁帽后，在路中荷載較大的部位，地基的沉降量明顯減少，特別是樁的上刺現(xiàn)象，隨著樁帽尺寸的增加，上刺的量明顯減少，且當(dāng)樁帽的沉降量增加后，樁帽以下土體與管樁組成復(fù)合地基，承擔(dān)了更多的荷載，所以下臥層的沉降量也明顯減小，不同樁帽尺寸下臥層的沉降量見圖5。另外，從圖5看出，在路肩荷載較小的段落，設(shè)置了樁帽的地基其沉降量反而大于未設(shè)置樁帽或樁帽尺寸較小的地基，且樁帽較小的地基其下臥層的沉降量也較小，說明管樁處治的地基，在加載的過程中，荷載首先向管樁集中，即管樁承擔(dān)了大部分的荷載，隨著荷載的增加，樁間土也逐漸發(fā)揮作用，承擔(dān)一部分的荷載，達(dá)到樁土共同作用。

圖5 不同樁帽尺寸的下臥層沉降量

3 管樁樁長的影響

為研究管樁樁長的影響，取該高速公路典型土層，軟土上部上覆3.0 m的硬殼層，軟土的厚度為15 m。分別計算樁徑0.5 m，樁間距2.5 m，樁帽大小為1.5 m×1.5 m，樁長分別為9 m、15 m及18 m時的地基沉降變形情況，見圖6。

圖6 不同樁長的地基沉降量

從圖6可以得出，在軟土范圍內(nèi)，樁長越長，地基的沉降量也越小，所以對工后沉降量要求嚴(yán)格的拓寬路基，管樁的樁長應(yīng)以打穿軟土為宜，可有效減少地基的總沉降量及工后沉降量。圖7為樁長9 m及15 m時軟土層15～18 m的壓縮沉降量，在路基填高較高的范圍內(nèi)，當(dāng)樁長為15 m時15～18 m的壓縮量明顯小于樁長為9 m時的壓縮量，說明隨著樁長的增加，管樁及樁帽以下的樁長范圍內(nèi)土體承擔(dān)了較大的荷載，15～18 m軟土范圍內(nèi)的附加應(yīng)力明顯減小，故有效減少了下臥層的沉降量。但在路肩及邊坡范圍內(nèi)的狀體，由于荷載較小，路基的大部分荷載由管樁的樁體承擔(dān)，隨著樁長的增加，大部分荷載傳遞至下臥層，造成下臥層附加應(yīng)力的增加，故當(dāng)樁長較長時，下臥層的沉降量也較大。

圖7 不同樁長15～18 m軟土的壓縮量

圖8為樁長15 m時地下不同深度的樁間土沉降量，可以看出，在管樁處理范圍內(nèi)，管樁、樁帽以下的土體及樁帽之間土體的差異沉降量較小，而樁尖以下的土體，由于管樁荷載的傳遞作用，樁間以下土體的沉降量明顯大于樁間土的沉降量。

圖8 樁長15 m時樁間土的沉降量

4 墊層剛度的影響

為發(fā)揮管樁復(fù)合地基中管樁的成載力較高的特性，協(xié)調(diào)管樁與樁間土之間的變形，一般在樁頂設(shè)置墊層[5]。在高速公路地基處理工程中，墊層一般采用碎石墊層及灰土墊層，碎石墊層一般用在基底的樁頂，而灰土墊層一般用于改擴(kuò)建工程邊坡上的管樁樁頂。為研究墊層剛度對地基沉降量的影響，分別選取墊層剛度為50 MPa、80 MPa、100 MPa及120 MPa計算管樁樁長為18 m、樁帽的大小1.5 m×1.5 m及樁間距為2.5 m時地基的沉降量，見圖9。

從圖9可以看出，隨著墊層彈性模量的增大，在荷載較大的路中位置，地基的總沉降量明顯減小，且樁間土與樁帽間土體的沉降差也有所減小。

圖9 不同墊層彈性模量的地基沉降量

5 樁間距的影響

為研究不同樁間距對地基沉降量及樁間土沉降量的影響，分別計算管樁直徑為0.4 m、樁帽的大小為1.5 m×1.5 m，樁間距為2.5 m及3.0 m時的沉降量，軟土的厚度為12.0 m，上覆3.0 m的硬殼層，軟土以下為粉土層。為研究管樁的變形規(guī)律，按樁長9 m計算地基沉降量。圖10、圖11分別為不同樁間距時地基沉降量及樁尖下土體沉降量。