預應力高強度混凝土管樁在復合地基設計中的應用
——以太原市南中環-西中環立交工程為例

黃　威，趙慶鑫

（1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北武漢 430000；2.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1　預應力高強度混凝土管樁簡介

預應力高強度混凝土管樁（以下簡稱PH C管樁），是采用先張預應力離心成型工藝，并經過10個大氣壓（1.0 MPa左右）、180℃ 左右的蒸汽養護，制成一種空心圓筒型混疑土預制構件，標準節長為10 m，直徑從300～800 mm，混凝土強度等級不小于C80。

PH C管樁是采用工廠化、專業化、標準化生產，具有樁身質量可靠、運輸吊裝方便、接樁快捷、機械化施工程度高、操作簡單、易控制、施工環境好等特點。

由于PH C管樁樁身混凝土強度高，可打入密實的砂層和強風化巖層，由于擠壓作用，樁端承載力可比原狀土質提高70%～80%，樁側摩阻力提高20%～40%，單樁承載力較其它同等管徑管樁（如：高壓旋噴樁、水泥攪拌樁、沉管灌注樁等）具有明顯提高。

2　項目概況

2.1　地理位置

太原市中環線由北中環、太行路、南中環和西中環組成，環線全長43.9 km，全線共設大型互通立交10處。它的建成大大分流濱河東西路交通，有效快速疏解過境交通，并解決城市片區間長距離機動車出行，緩解城市中心區域的交通壓力等問題。

太原市南中環-西中環立交位于太原市西環路與南中環路交匯處，該節點東接南中環西街、西連西山過境鐵路、南臨晉陽湖、北貫西中環，是城市交通流與外圍高速路網車流溝通、轉換的重要節點，見圖1。

圖1　西中環-南內環立交地理位置圖

2.2　立交總體布置

南中環-西中環節點立交形式為四層T形全互通立交。南中環工程范圍為K0+607.5～K2+250，主線上跨西中環、規劃和平南路、舊晉祠路在千峰南路前約200處與地面輔路相接。西中環工程范圍為K6+045～K6+537.006，通過定向匝道與南中環實現快速互通，見圖2。

該節點處現狀地勢較為平坦，西側略高，北側略低，地質狀況較差。南中環、西中環基本按照原規劃線位走向，考慮晉陽湖風景區景觀性要求，該節點按照T型互通立交設計，不考慮節點南延快速化處理。

圖2　南中環-西中環互通立交實景圖

立交范圍內共有匝道橋4座，東西向主線橋1座，主線橋位于第二層，NE匝道位于第三次，W N匝道位于第四層，4條左轉匝道中，NE、W N為迂回定向匝道且均上跨南中環主線，EN、NE為右轉定向匝。

南中環-西中環立交場地為該市范圍內罕見的流塑狀淤泥質粉質粘土，地下水位高，施工機械作業困難，因此地基處理方案成為決定工程成敗的關鍵。

3　PHC管樁復合地基設計方法及施工要點

3.1　地質情況介紹

南中環-西中環立交場地各巖土層的空間分布及其主要特體可分為7層，自上而下為：

1層：雜填土。磚塊、粗砂、碎石等建筑垃圾。

2層：淤泥質粉質黏土。該層由粉土含有少量砂礫石。

3層：黏土。常混大量砂性質黏土，局部常變相為粉質粘土。局部地段揭示有圓礫亞層。

4層：粉土。主要以粗砂為主，混大量礫砂、圓礫，濕、中密、中壓縮性。

5層：粗砂。從地面往下約25 m左右處。

6、7層：均為粉土，性質同4層粉土。

南中環-西中環立交工程地質縱斷面分布見圖3。

圖3　南中環-西中環立交工程地質縱斷面分布圖

南中環-西中環立交場地地質情況總體可歸納為：

（1）地下水位高

實測穩定水位位于自然地表下1.50～3.30 m之間（相應標高781.22～784.06 m），地下水類型為潛水。

在局部地段，道路設計標高與地下水位標高高差僅為1 m左右，若不做適當處理，地下水將影響路基穩定性。

（2）水腐蝕性強

本工程所經太化廠區一段區域，路段地下水SO42-與CL-含量明顯增大、PH值明顯減小。在干濕交替條件下，地下水對混凝土結構具強腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具強腐蝕性；在長期浸水條件下，地下水對混凝土結構具強腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性。

（3）地基承載力低

根據施工單位實地勘測，地表0～0.8 m為建筑垃圾硬殼，承載力約120 kPa；0.8～12 m為流塑淤泥層，受震動液化，承載力不足40 kPa，大型機械施工作業困難，易塌陷。

3.2　設計方法介紹

結合本工程實際情況，本工程采用外徑400 mm、壁厚95 mm、長度為15 m的A型預應力高強度混凝土管樁（PH C 500 A 95-15），同時應在化工廠內酸性土層范圍內（NZH K0+600～NZH K1+1 000）對所有的管樁采用抗硫酸水泥。當需要進行焊樁作業時，采用二氧化碳氣體保護焊接，確保樁頭應位于無氧層內，并對接頭處涂刷防銹漆。

PH C管樁采用正方形布樁，樁距2.5 m，見圖4。在一般路段，管樁應穿透淤泥質粉質粘土，樁長擬定為15 m，在局部粘土層較深的路段，施工單位可根據現場情況適當增加樁長。PH C管樁一般路基處理橫斷面見圖5。

圖4　PHC管樁平面布置圖（單位：m）

對于路床頂面高程與原地面高程之差不小于1.3 m的填方路基，PH C管樁的樁帽頂標高為清表回填后的原地面標高；對于路床頂面高程與原地面高程之差小于1.3 m的填方路基或挖方路基，PH C管樁的樁帽頂標高為路床底面以下50 cm。PH C管樁樁帽頂應設置50 cm厚級配良好的碎石墊層，內設一層鋼塑格柵，碎石墊層鋪設完畢并充分壓實后再分層回填路基填料，見圖6。

圖5　PHC管樁一般路基處理橫斷面圖

圖6　PHC管樁樁帽構造配筋圖（單位：cm）

3.3　管樁選用基本要求

管樁采用PH C400（95）管樁，即樁外徑40 cm，壁厚9.5 cm。

樁帽尺寸為1 000 mm×1 000 mm×350 mm，混凝土標號C30。

PH C管樁在工廠批量預制，按設計要求采用樁徑0.4 m，壁厚9.5 cm。PH C樁的規格、質量必須符合設計要求和施工規范的規定，應經指定的檢驗部門的檢驗，且附有出廠合格證及試驗、檢驗報告。

為了防止打入時出現斷樁，樁體強度等級為C60。為了滿足不同樁長的需要分別以12 m、9 m、6 m等不同規格長度配制節長，樁節之間電焊駁接，使用的焊條標號、性能必須符合設計要求和有關標準的規定，并有出廠合格證明。

3.4　施工要點介紹

采用錘擊法施工，錘重5 t，施工工藝流程為：整平場地→確定打樁順序→樁機就位→插樁→錘重→接樁→送樁→收錘→做好打樁記錄。

施工要點主要為：

（1）為避免出現土拱現象和產生超孔壓，采用如下施工順序：橋頭到路基、中線到兩側。

（2）樁機就位后應對管樁逐根檢查，檢查有無嚴重質量問題，對管樁兩端應清理干凈，施焊面上有油漆物污染時，應清刷干凈。

（3）為保證插樁位置方向正確，第一節管樁插入地面時的垂直偏差不得超過0.5%，樁錘、樁帽或送樁器應與樁身在同一中心線上。

（4）沉樁過程中應經常觀測樁身的垂直度，若樁身垂直度超過1%時，應找出原因并設法糾正；當樁尖進入較硬土層后，嚴禁用移動樁架等強行回扳的方法糾偏。

（5）初打時可能下沉量較大，宜采取低提錘，輕打下，隨著沉樁加深，沉速減慢，起錘高度可漸增。

（6）每一根樁應一次性連續打到底，接樁、送樁應連續進行，盡量減少中間停歇時間。

（7）沉樁過程中，出現貫入度反常、樁身傾斜、位移、樁身或樁頂破損等異常情況時，應停止沉樁，待查明原因并進行必要的處理后，方可繼續進行施工。

（8）下節樁的樁頭處宜設導向箍，以便于上節樁就位，接樁時上下節樁段應保持對直，錯位偏差不宜大于2 mm。

（9）采用焊接連接時，焊接前應先確認管樁接頭是否合格，上下端板表面應用鐵刷子等清理干凈，坡口處應刷至露出金屬光澤，并清楚油污和鐵銹。

（10）焊接可采用二氧化碳保護焊，焊接層數宜為三層，內層焊渣必須清理干凈后方可施焊外一層，焊縫應飽滿、連續，且根部必須焊透。

（11）焊接接頭應在自然冷卻后才可繼續沉樁，冷卻時間不宜少于8 min，嚴禁用水冷卻或焊好后立即沉樁。

（12）為將管樁打到設計標高，需要采用送樁器，送樁器采用鋼板制作，長4 m。設計送樁器的原則是打入阻力不能太大，容易拔出，能將沖擊力有效傳到樁上，并能重復使用。

4　結論

南中環-西中環互通立交是太原市中環線上的重要節點，在本工程工期較短、地質情況差的條件下，地基處理方案成為決定工程成敗的關鍵。

采用PH C管樁地基處理方發，充分利用其工廠大批量預制、機械化施工、單樁承載力高等特點，保證了項目的順利推進，通過現場試驗數據證明，采用該處理方法，復合地基承載力不低于125 kPa。

目前，南中環-西中環互通立交已建成通車，從實施效果來看，整體效果良好，無明顯裂縫、坑槽、車轍、沉陷、橋頭跳車等路面病害，現實證明PH C管樁在本工程中的應用是成功的。