PHC管樁在淤泥質土道路地基處理中的沉降分析

張洪毓 李乾威 姚孟龍 葛國強

中國建筑第二工程局有限公司華南分公司 廣東 深圳 518048

廣東湛江市存在大范圍的軟塑-流塑狀淤泥質、泥炭質軟土地質，該類型軟土埋深淺，層厚大，具有天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強度低、滲透系數小等特點。湛江市某市政一級道路地基屬于該類型軟土，道路路基原設計采用水泥粉煤灰碎石（CFG）樁處理，對12根CFG樁進行試樁后發現，CFG樁的成樁質量極差，所有CFG樁均出現了樁身不完整頸縮和斷樁離析的情況，無法滿足地基處理要求。

為解決地基處理過程中的斷樁等問題，參考目前國內類似工程案例[1-3]，在與設計院討論研究后，項目決定改用預應力高強度混凝土（PHC）管樁對路基軟土進行道路地基處理。在對PHC管樁處理后的軟基進行檢測發現，PHC管樁單樁承載力好，對軟塑-流塑狀淤泥質、泥炭質軟土路基處理效果顯著，解決了CFG樁在該地區處理軟基時面臨的成樁難、單樁強度低的問題。

1 工程概況

湛江市某市政一級道路工程起于霞山區百蓬百儒片區，止于麻章片區，路線全長21.916 km。工程場區內分布的軟土有淤泥質土①、泥炭質土、淤泥質土②等，軟土下臥層為硬塑狀粉質黏土。根據現場的地勘鉆探揭露，上述軟土地質的土層情況如下：

淤泥質土①：灰黑色，軟塑。含少許粉細砂及腐木碎屑。鉆探揭示層厚0.60～8.30 m，層頂埋深0～6.80 m，層頂標高5.38～20.42 m，屬Ⅰ級松土。經土工試驗測定，其天然含水量35.0%，天然密度1.82 g/cm3，液性指數1.78，黏聚力7.3 kPa，內摩擦角5.3°，壓縮系數0.785 MPa－1。

泥炭質土：黑色，軟塑。成分以黏粒為主，粉粒次之，富含有機質，臭味，含少量粉砂，有機質含量15%～20%。鉆探揭示層厚2.50～11.80 m，層頂埋深0～0.60 m，層頂標高20.27～21.24 m，屬Ⅰ級松土。其天然含水量48.1%，天然密度1.73 g/cm3，液性指數1.09，黏聚力7.9 kPa，內摩擦角5.5°，壓縮系數1.27 MPa－1。

淤泥質土②：灰黑色，軟塑。成分以黏粒為主，粉粒次之，富含有機質，臭味，含少量粉砂。鉆探揭示層厚0.50～11.00 m，層頂埋深0～2.40 m，層頂標高17.89～22.22 m，屬Ⅰ級松土。其天然含水量38.9%，天然密度1.75 g/cm3，液性指數0.87，黏聚力9.0 kPa，內摩擦角7.1°，壓縮系數0.94 MPa－1。

粉質黏土（硬塑）：黃褐色，可塑，局部呈硬塑。由玄武巖風化殘積形成，土質不均勻，黏性一般。層厚1.50～11.40 m，層頂埋深3.60～39.60 m，層頂標高－17.55～16.75 m，屬Ⅱ級普通土。其天然密度1.90 g/cm3，黏聚力28.0 kPa，內摩擦角15°。

為了解決CFG樁在軟土地區成樁質量差、易斷樁的問題，結合以往項目的成功經驗，與設計院研究討論之后，修改了本項目道路地基處理方案：將場區內CFG樁改為PHC-400-A預應力管樁作為復合地基的增強體，以粉質黏土（硬塑）為樁端持力層，樁體按正方形布置，樁間距2 m（圖1）。

圖1 管樁平面布置

為保證樁體進入粉質黏土（硬塑）持力層，現場在壓樁過程中以最后2 m送樁長度的錘擊數為指標，保證最后2 m送樁的錘擊數不小于6擊且每進尺1 m不小于3擊。柴油錘采用HD62筒式柴油打樁錘，若錘擊數不達標則需增加樁長。

2 單樁沉降量試算

地基處理使用的φ400 mmPHC管樁均為成品預制樁，長度相對固定，而現場樁位布置較密，場地詳勘的勘探點數量無法覆蓋一樁一孔，管樁進入持力層深度和厚度情況不明。因此，需對管樁的單樁沉降量進行試算，確定現場使用的PHC管樁樁長。

預估管樁穿越泥炭質土和粉質黏土（硬塑），管樁樁長取9、10、11、12 m。根據JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》[4]中的單樁沉降計算方法，按考慮樁徑影響的明德林解計算附加應力后，用分層總和法計算沉降量。計算結果見表1。

經試算，9～12 m長PHC管樁的預計沉降量在110 mm左右，增加樁長對減小單樁沉降量的效果不明顯。

3 現場試驗

通過現場實測發現，大部分管樁最后2 m的錘擊數在10～20擊之間，極少數錘擊數不達標的樁體通過增加樁長均能達到不小于6擊的收錘標準。

表1 單樁沉降量試算結果

為檢測單樁承載力，采用單樁豎向抗壓承載力試驗抽檢5根復合地基PHC管樁增強體的單樁承載力，加載方式采用單循環快速維持荷載法，利用電子位移計采集位移數據，試驗現場如圖2所示。試驗結果如表2、圖3所示。

圖2 現場單樁靜載試驗

表2 試驗結果

圖3 單樁荷載-位移曲線

對5根豎向增強體的單樁靜載試驗顯示，所有樁均還有較多的承載力富余量。對比B-9-92、B-8-56、B-81-10、Z-111-30、Z-113-8的單樁極限沉降量發現，樁長對單樁極限沉降量的控制效果較小，增加樁長并不能明顯控制單樁的沉降量；與理論計算中的試樁計算沉降量對比發現，現場實測的單樁沉降量明顯低于計算沉降量，該情況表明，地勘報告中提供的地層力學性能參考值對現場實際地層的力學性能有明顯的低估，樁周土的承載力富余量較大。

4 數值模擬分析

4.1 模型參數選取

參考目前的研究成果和現場采集土樣的土工試驗數據，土體建模參數如表3所示[4]。

表3 土層參數

PHC管樁樁體建模參數如下：密度取2 500 kg/m3，泊松比為0.2，彈性模量為3.15×1010Pa。

4.2 模型分析

考慮到規范計算結果和現場差別過大，為更全面地反映PHC管樁在軟基處理中樁-土之間的相互作用，本文采用ABAQUS有限元分析軟件對本工程的單樁受力情況進行分析。

考慮到土體的非線性，現實中管樁沉樁時采用鋼制樁帽進行封口進樁，故建模過程中對模型作出以下假設[5]：

1）土體采用Mohr-Coulomb模型進行建模。

2）不考慮溫度應力的影響。

3）不考慮PHC管樁沉樁時樁中心孔洞的土塞效應。

4）PHC管樁按照線彈性模型進行考慮。

模型樁長取11 m，豎直計算深度取25 m，水平計算寬度取25 m，淤泥質土厚取4 m和8 m，其余土層為硬塑粉質黏土。

軟土和粉質黏土下臥層的材料參數按照土工試驗的結果進行創建后，為進行地應力平衡，對模型左右兩端的水平位移進行約束，對模型底部的水平、豎直位移進行約束（圖4）[6]。

圖4 樁-土模型網格劃分

4.3 結果分析

模型計算結果顯示：在800 kN豎向力的作用下，厚4 m淤泥質土的管樁最大沉降量為118.653 mm；厚8 m淤泥質土的管樁最大沉降量為126.202 mm（圖5、圖6）。

圖5 厚4 m的淤泥質土樁體位移效果

圖6 厚8 m的淤泥質土樁體位移效果

數值模擬的單樁最大沉降與理論計算結果的最大沉降相差不大，和實測最大沉降也相差較大，側向證明了地勘報告中提供的地層力學性能參考值對現場實際地層有明顯的低估，地基土的力學性能未能充分發揮。

考察2種工況下的樁周土受力情況（圖7、圖8）發現，樁周土體受力主要集中在樁端處，樁體進入硬塑狀粉質黏土層越短，在樁長不變的情況下，淤泥質土與硬塑狀粉質黏土交界面處的邊界效應越顯著，界面處的硬塑狀粉質黏土對樁體產生的側阻力越大。

圖7 厚4 m的淤泥質土樁周土應力云圖

圖8 厚8 m的淤泥質土樁周土應力云圖

結合樁體位移效果圖與應力云圖，在樁長一致的情況下，淤泥質土的厚度對單樁沉降的影響并不明顯，單樁沉降量主要由樁端處硬塑狀粉質黏土控制。

在對樁周土的應力云圖和AC YIELD云圖（圖9、圖10）對比時發現，厚8 m淤泥質土中的樁周土在受荷后會率先進入塑性位移狀態，樁周土的破壞主要集中在樁端的硬塑粉質黏土和樁側的淤泥質土。

分析粉質黏土和淤泥質土的交界面樁周土破壞情況發現，硬塑狀粉質黏土的樁端阻力優先于樁側阻力的發揮。

5 結語

本工程采用規范分析法、數值模擬和現場單樁承載力試驗對處理淤泥質土的PHC管樁的單樁沉降量進行分析研究。對淤泥質土-硬塑狀粉質黏土地層，利用PHC管樁單樁作為豎向增強體后的單樁沉降量試算分析表明，增加樁長對減沉效果的提高并不明顯。

圖9 厚4 m的淤泥質土樁周土AC YIELD云圖

圖10 厚8 m的淤泥質土樁周土AC YIELD云圖

對軟基處理段的5根PHC管樁單樁承載力測試后發現，PHC管樁對軟塑-流塑狀淤泥質、泥炭質軟土軟基的處理具有明顯的減沉效果。

本工程對PHC管樁處理淤泥軟土路基的研究表明，在湛江地區的淤泥質土-硬塑狀粉質黏土層中，盲目地增加樁長并不能有效地減小單樁沉降。對于湛江地區的淤泥質土和硬塑狀粉質黏土層，單樁承載力的發揮主要依靠樁端區硬塑狀粉質黏土層提供的樁端阻力，端阻力優先于側阻力的發揮。淤泥質土的存在和硬塑狀粉質黏土的加深并沒有明顯限制樁端阻力的發揮，樁端阻力仍是單樁承載力的主要提供項。以最后2 m送樁長度的錘擊數作為收錘標準，可作為判定管樁樁端區是否進入穩定持力層的有效參考。