預應力混凝土管樁在市政道路軟基處理中的應用

盧士波 呂利芹

1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司 湖北 武漢 430010

2.武漢理工大學交通學院 湖北 武漢 430063

1 前言

近些年，工業民用建筑在進行樁基設計時，普遍采用了預應力管樁，這是由于此軟基處置方式不僅施工工藝簡單、速度快、造成的環境污染小、比樁基更實惠實用，而且還能將上部荷載分攤由管樁和樁間土一起承擔，高效提升路基承載力，降低總的沉降量和工后沉降，提前阻止出現橋頭跳車等。管樁處置方法在處理軟基深且厚、路堤填土高的橋頭路段更具有顯著優勢，故而最近幾年在東部沿海城市的市政道路工程中被普遍應用和推廣。

2 預應力管樁復合地基設計

2.1 預應力混凝土管樁的特點

1、節能、環保、樁身質量好。與施工現場制造的其它樁型相比，預應力混凝土管樁是由工業化、程序化的工廠生產方式制造出來的，生產之前的材料都經過了精挑細選，而管樁則是通過離心力成型和高溫養護而成，出產質量檢查完備。

2、施工工藝簡便，工期較短。因樁身具有預應力，運輸起吊便捷，接樁采用電焊不耗時。此外，管樁搭配靈活，成樁長度可根據不同的地質特征而選取，且成樁以后不需要進行養護，能較大的減短施工時間。

3、在市政道路中采用此種軟基處置方式，不僅能夠降低工程風險，還可以有效減少工后沉降。

2.2 預應力混凝土管樁的受力機理

管樁在道路工程路堤中的應用是借鑒“沉降控制復合樁基”在建筑工程中的應用，這種地基處置方法的特點在于著重樁和樁間土一起承擔荷載，協調變形。管樁的樁與樁之間的距離較大，因此產生的群樁效應不顯著，這樣便能充足利用樁身的側向阻力和端部阻力，樁土聯合作用，使得單樁的承載能力變大。在樁的頂部還設有樁帽，每個樁帽上面的土體可以構成土拱，由此形成的土拱效應可以用來支撐路堤頂部，且可以引導樁帽底部的土體一起承力。樁、土和網一起發揮協同作用，構成樁網復合地基，路堤上部荷載經過褥墊層傳遞給管樁，從而由樁帽頂及樁間土一起承擔荷載，構成剛性樁復合地基。

2.3 工程概況

本項目道路等級為城市主干路，建設場地屬長江漫灘地貌單元，本次設計起點位于繞越高速，終點位于九鄉河路，路線全長626.894m。場區孔口標高在6.67～10.15米，最大高差3.48米，整個場地地勢較為平坦。擬建道路沿線淺部均分布有2-2層軟弱土體，空間分布欠穩定，厚度變化大，含水率大，壓縮性高，強度低，具較高的流變、觸變性，在長期豎向荷載作用下，易產生較大的不均勻沉降，從而導致擬建道路路面開裂。經比選決定采用預應力混凝土管樁作為軟基處理方案。

2.4 預應力混凝土管樁設計

根據上述的預應力混凝土管樁工作原理，本項目管樁采用矩形布置的形式，縱向布置范圍為橋頭20m，過渡段40m；橫向布置范圍為路基破腳。橋頭段間距4m，過渡段間距3.5m，管徑為40cm，壁厚9.5cm，設計長度16m。樁身采用C60砼，樁帽采用C30砼，樁帽尺寸為1.4×1.4×0.4m，路基地面與樁頂之間換填碎石土，樁帽上設50cm碎石墊層與2層鋼塑復合土工格柵。

（1）承載力驗算

設計時未開展靜載作用下的單根預應力混凝土管樁豎向承載性能試驗，因此取0.5倍的豎向極限承載力計算，如下：將上面計算出來的值代入復合地基承載力計算式，即：

（2）管樁樁型的確定

依據（1）中得到的承載力，查閱相關規范標準（《10SG409》），選取樁基工作條件系數為0.6。再由反推得出Ap，從而確定項目所用管樁的樁型。

（3）復合地基沉降計算

計算沉降時，因樁長范圍內產生的沉降非常小，可不計算，只需考慮加固層向下的附加應力分布和變形即可，計算方法采用分層總和法。以橋頭路段路基處理為計算案例，其路基承載力及穩定性能均滿足要求。施工期結束后，計算得到路段產生的沉降為3.7厘米，通車20年以后為12.1厘米，則工后沉降為8.4厘米，完全滿足路基規范要求，且遠遠小于規范給出的限值。

（4）樁長與樁間距的經濟組合

設地基處理面積是A，樁長是L，置換率是m，樁徑是D，樁間距是S，處理后的工后沉降剛好滿足規范要求。假如每延米樁長的造價是C，那么地基處理費用F如下：

當樁型確定時，那么C就是定值。如果想要使得地基處理費用花費最少，L/S2則最小，也就是達到工后沉降要求、當樁長與樁間距平方的比值最小時的樁長與樁間距的組合就是經濟組合。

3 結論

（1）預應力混凝土管樁樁身強度較大，在持力層發揮支撐性能，從本質上減少了工后沉降。分析項目現場觀測數據可知橋頭段路基產生的沉降非常小，甚至沒有，表明處置效果良好，設計方法可行，對今后軟基處理工程起到一定的指導作用。

（2）盡管預應力管樁抗壓性能較好，但其抗剪性能卻差，應用在工程中要揚長避短，保證樁基兩側的土壓力平衡，防止產生較大的人為基坑或邊坡。