淺談PST管樁在橋頭軟弱地基處理中的應用

陳飛彪

（福建省迅捷交通科技有限公司，福建 福州 350000）

1 概念

預制豎向勁性體[1]，也稱為增強體勁性體，簡稱PST 管樁，是一種新型薄壁管樁，作為豎向增強體用于軟基處理以形成剛性樁復合地基。其作用相當于對軟弱地基采用置換、擠密、膠結等形成復合地基，從而增加地基的豎向受力能力，起到改善軟弱地基的作用，滿足承載力與沉降要求。PST 管樁的結構設計模型如圖1 所示。

圖1 PST 管樁的結構設計模型圖

PST 管樁復合地基的優點有6 個：1）施工質量容易控制（工廠化預制，質量看得見）。2）施工速度快（成品樁打入、樁間距大、樁數少）。3）工后沉降小、不均勻沉降?。渡韽姸雀撸休d力大）。4）地基處理深度大（可采用焊接或機械連接方式接樁）。5）復合地基承載力大。6）造價較為適中。

2 PST 管樁的設計驗算

由于PST 管樁的單樁造價比普通的水泥土樁要高，同時樁身強度大，承載力高，因此在設計中普遍采用充分發揮樁土共同工作和疏化樁距的方法來進行復合地基的設計。

一般要求樁體須位于穩定的地層作為持力層，樁端全截面（不含樁尖）進入持力層深度，黏性土、粉土，不宜小于2 d；砂土不宜小于1.5 d。當存在軟弱下臥層時，樁端以下持力層厚度不宜小于4 d，并進行軟弱下臥層承載力和沉降驗算。

樁長設計時，對深厚軟土地基來說，只要樁長穿過軟土層到達相對較硬的土層，就可以較好地控制地基的沉降變形，樁長的確定宜以打穿軟土層為主，不可過度追求到達很硬的土層，樁長的具體取值應根據軟基的沉降以及穩定性計算確定。

PST 管樁在設計中主要以承載力和沉降進行控制，可不驗算復合地基的承載力[2]。

2.1 PST 管樁的承載力可按下列兩個公式進行驗算

式中：R—單樁豎向承載力設計值（kN）；

γ0—建筑物樁基重要系數，取1.1；Fcap—樁頂上的荷載壓力（kN）；Qsk、Qpk—單樁的總極限側阻力特征值和單樁的總極限端阻力特征值（kN）；γs、γp—側阻抗力分項系數和端阻抗力分項系數，γs=γp。

2.2 沉降驗算

可不考慮樁間土壓縮變形對沉降的影響，采用單向壓縮分層總和法計算最終沉降。

式中：S—樁基最終沉降；m—樁端平面以下壓縮層內土層分層的數目；Esj，i—樁端平面下第j層土第i個分層在自重應力至自重應力加附加應力作用段的壓縮模量（MPa）；nj—樁端平面下第j層土的計算分層數；△hj，i—樁端平面下第j層第i分層的厚度（m）：σj，i—樁端平面下第j層第i分層的豎向附加應力（kPa）；ψP—樁基沉降計算經驗系數，根據當地的工程實測資料統計對比確定。

常見的“橋頭跳車”問題主要是由于樁基橋臺的幾乎零沉降與軟土地基路堤的工后沉降相比要小得多，導致橋面與路面的錯臺現場。工程設計中通常采用較強的路基處理措施，從而減小橋梁與路基之間的沉降差，保證行車的舒適性。

就軟土地基處理來說，處置方式的選用、技術標準須根據總的沉降量與容許工后沉降來確定，一味地追求舒適性必然會使軟弱地基處理的經濟性變差，這就需要在軟弱地基處理的舒適性與經濟性指標中尋找一個平衡點。

3 依托工程概況

某城市主干路，主路設計速度為60km/h，輔道設計速度為40km/h。主路為雙向六車道，路面總寬度24m；輔道為雙向兩車道，路面總寬度14m，標準路段紅線寬度為47m。道路以跨境交通為主，是長距離、跨城區交通通道的重要組成部分，同時兼具區內部分集散交通功能。擬建場地高程變化為4.73 m～16.23 m，場地地基土層除表層為人工填土外，主要為淤積、沖積、沖洪積成因土層，基底為燕山晚期形成的花崗巖，原始地貌屬沖積平原地貌單元。道路于2008 年竣工，至今已通行近13 年。經過現場踏勘發現橋頭跳車明顯，橋頭路基沉降嚴重（最大處近1 m），對行車安全和行車舒適性有很大的影響，查閱原始相關資料， 橋頭接坡處路基采用水泥攪拌樁進行加固處理。根據原路面結構、原地勘資料、原設計高程及現狀路面高程，對橋頭接坡段的理論工后沉降與實際沉降量進行驗算對比。結果見表1。

表1 橋頭接坡段路基沉降驗算分析表

經驗算比對發現：橋頭接坡段現狀實際沉降量比理論沉降量大，沉降比例基本大于100%，說明原軟基處理方案的效果不佳。

4 軟基處理方案比較

以樁號K5+575 橋頭接坡段路基段為例，根據地勘資料的地層分布為第①層為1.3 m 厚的填碎石土，第②層為12.7m深的淤泥層，第③層為5.3 m 的卵石層。根據該道路竣工圖，原橋頭路基處理采用水泥攪拌樁，經過現場踏勘發現效果不佳，鑒于橋頭路基沉降嚴重（最大處沉降近1m），結合當地水泥攪拌樁沉樁質量總體效果不佳的情況，本次不考慮水泥攪拌樁。

4.1 方案1：預制豎向勁性體（PST 樁），樁頂路基填筑采用泡沫混凝土

剛性樁適用于處理深厚軟土地基上荷載較大、變形要求較嚴格的高路堤段、橋頭或通道與路堤銜接段。傳統的PHC管樁質量可靠，用于道路軟基處理，其樁體承載力存在較大的富余，工后沉降小，處理深度較深，但價格較高。而PST勁性體是在保證工程質量的前提下，通過減少管樁的壁厚、降低配筋率等方式降低工程造價，在復合地基加固中與PHC管樁處理效果基本一致情況下，工程造價可節省15%～20%。

泡沫混凝土施工簡單，材料來源豐富，工程質量可控。同時泡沫混凝土[3]質量輕，約為普通填料的1/3 左右，利用泡沫混凝土質量輕的特點，可以有效減少對基底的壓力，甚至實現“零”附加應力，從而有效遏制了軟弱地基段的工后沉降，尤其在結構剛度差異較大的路基與橋梁過渡段中設置時，可有效減少兩者之間的差異沉降。

軟基處理方案：在施工區域路基兩側處施打鋼板樁，開挖臺背及原褥墊層并整平后，再進行PST 樁施工（由橋臺跳樁跳排向后退打施工，PST 管樁在平面上按正方形布置，樁間距為2.0 m，樁徑為40 cm）。待管樁施工完畢并檢測合格后，鋪設雙向土工格柵及級配碎石褥墊層，待觀測到穩定的初始值后，采用泡沫混凝土進行路堤填筑。方案處理模型如圖2 所示。

圖2 PST 管樁軟基處理方案圖

4.2 方案2：碎石粉煤灰混凝土樁（CFG 樁），樁頂采用泡沫混凝土路基填筑

CFG 樁是一種低強度混凝土樁，可充分利用樁間土的承載力共同作用，并可傳遞荷載到深層地基中去，同時可通過褥墊層來調節樁和樁間土的應力和變形，使樁間土的強度得到充分發揮，具有較好的技術性能和經濟效果。

軟基處理方案：在施工區域路基兩側處施打鋼板樁，開挖臺背及原褥墊層并整平后，再進行CFG 樁施工（要求由橋臺跳樁跳排向后退打施工，CFG 管樁在平面上按正三角形布置，橋頭兩側各10m 范圍內樁間距為1.3m，其余10m～20m樁間距為1.6m，樁徑為40cm）。待管樁施工完畢并檢測合格后，鋪設雙向土工格柵及級配碎石褥墊層，待觀測到穩定的初始值后，采用泡沫混凝土進行路堤填筑。方案處理模型如圖3 所示。

圖3 CFG 樁軟基處理方案圖

4.3 方案3：高壓旋噴樁

高壓旋噴注漿法[4]是通過在軟弱土層中形成水泥固結體與樁間土一起形成復合地基，從而提高地基的承載力，減少地基的沉降變形，達到地基加固目的。旋噴樁的承載力取決于樁體的強度和地基土對樁的承載力，樁身強度成為決定樁承載力的決定因素，當樁身強度較高時，增加長度能顯著提高樁的承載力。

軟基處理方案：無須開挖臺背填方，直接采用引孔施工高壓旋噴樁（要求由橋臺跳樁跳排向后退打施工，在平面上按正三角形布置，橋頭兩側各10m 范圍內樁間距為1.3m，其余10 m～20 m 樁間距為1.6m，樁徑為50cm）。待管樁施工完畢并檢測合格后，鋪設雙向土工格柵及級配碎石褥墊層。方案處理模型如圖4 所示。

圖4 高壓旋噴樁軟基處理方案圖

5 軟基處理方案對比分析

該文針對橋頭跳車情況，就常用的CFG 樁和高壓旋噴樁兩種方法與PST 管樁進行軟基處理方案對比分析，表2 結果表明：綜合考慮工期、工后沉降以及運營期使用和養護等影響時，顯然PST 管樁相較于CFG 樁、高壓旋噴樁，具有樁材質量好、工程地質適應性強、場地施工文明等優點，而高壓旋噴樁容易污染環境，CFG 樁則成本較高，工期長，同時對周邊土體有擠壓作用。

表2 橋頭跳車軟基處理方案比較

6 結語

該文針對橋頭接坡段的軟基處理方案，基于減少橋梁與路堤之間的差異沉降，實現橋梁與路基的剛柔過渡銜接，減少直至消除橋頭跳車現象，提高行車的安全性，保證行車的舒適性等因素，采用PST 樁結合填筑泡沫混凝土對橋頭接坡段進行軟基處理，有效遏制了軟弱地基段的工后沉降，能有效解決橋頭跳車問題。且施工方便，質量保證，經濟合理，具有良好的應用前景。