預應力混凝土管樁加固軟土地基效果及參數影響分析

劉 華， 張太雷， 李國生

(1.濟南市城市建設投資服務中心有限公司 濟南市 250013； 2.濟南城建集團有限公司 濟南市 250031)

0 引言

預應力混凝土管樁因具有施工工藝簡單、施工速度快以及質量可靠等特點在軟土地基加固方面得到了廣泛的應用[1-4]，為了更加深刻地了解預應力混凝土管樁加固軟土地基特性和樁體參數影響，進行了詳細地研究分析。近年來，國內學者對此進行了一些研究，主要有：王麗云等[5]以某工程為例，介紹了預應力混凝土管樁復合地基承載力和沉降量的計算方法，并提出了相關施工工藝。俞帆等[6]以某高速公路軟基處理為研究對象，分析了預應力混凝土管樁加筋路堤的地基變形規律。張新生和張潔等[7-8]以鐵路路基加固為研究對象，采用預應力混凝土管樁進行加固，通過對監測數據分析，驗證了該加固方法的有效性。采用數值模擬的方法分析預應力混凝土管樁加固軟土路基效果，并對相關參數影響進行了分析，研究結果可為軟基處理提供參考和借鑒。

1 工程概況

濟南市濟鋼片區市政道路建設一期工程開源中路位于濟南市歷城區濟鋼片區，全長約2927m。根據地質報告顯示，在靠近南側與橋梁引橋銜接區段，為道路填方段，原始地表以下存在較厚的充填區，地質條件較差，擬采用預應力管樁復合地基加固處理橋頭，以避免產生過量沉降。地基從上到下土層依次為填土、碎石墊層、粉土①、粉砂①、粉土②、粉砂②、粉質黏土①和粉土③，厚度依次為5m、0.5m、16m、1.8m、3.9m、2.2m、3.5m和2.6m。路基的頂部寬度和填土高度分別為40m和5m，其中砂石墊層厚度為0.5m，坡率為1∶1.5，施工時采用分層鋪填碾壓的方法，按照每層1.0m進行分層碾壓，共碾壓5次完成。預應力混凝土管樁設計樁長為14m，樁徑為0.5m，樁間距為2.0m，同時在樁頂設置樁帽。

2 數值建模

2.1 模型建立

如圖1所示，采用有限元軟件Plaxis建立的數值模型圖。由于路基的對稱性，取右半幅進行建模分析，半幅路基的頂部寬度和填土高度分別為20m和5m，坡率為1∶1.5。模型整體寬度為90m，模型整體高度為37.5m，砂石墊層厚度為0.5m。預應力混凝土管樁樁長為14m，樁徑為0.5m，樁間距為2.0m。采用摩爾-庫倫本構模型模擬分析，除上邊界外，模型其他邊界均進行位移約束。

圖1 數值模型圖

表1為土層物理力學參數，表2為管樁和樁帽的物理力學參數。

表1 土層的物理力學參數

表2 管樁和樁帽的物理力學參數

2.2 數值模擬與現場監測數據對比分析

為了驗證數值模擬結果的可靠性，在模擬計算過程中對分層填筑的路基頂部中心沉降值進行監測，如表3所示，給出了數值模擬值與現場監測值，由表3可知，隨著填筑高度的增大，路基最大沉降增大，分層填筑過程中數值模擬值與現場監測數據誤差均在10%以內，說明數值模擬結果的可靠性。

表3 數值模擬與現場監測數據對比分析表

3 預應力混凝土管樁加固路基前后對比分析

為了分析預應力混凝土管樁加固軟土路基效果，主要對加固前后的地基沉降和水平位移進行分析。

3.1 沉降分析

如圖2所示，給出了管樁處理地基前后的路基沉降云圖，由圖可知，在處理加固之前，路基沉降比較集中，其中以路基中心頂部沉降最大，往路基兩側和往地基深度方向沉降減小。在管樁加固處理之后，路基沉降分布比較分散，說明管樁起到了有效地加固作用。

圖2 管樁處理前后路基沉降云圖

為了更加直接地得出預應力混凝土管樁加固軟土路基效果，如圖3所示，給出了管樁處理前后地基沉降對比曲線，由圖3可知，采用管樁加固之后，在加固區域地基沉降明顯減小，尤其在地基中心沉降減小最為明顯，管樁處理前地基最大沉降值為127.4mm，管樁處理后地基最大沉降值為76.8mm，管樁處理后最大沉降減小了39.7%。

圖3 管樁處理前后地基沉降對比曲線

3.2 水平位移分析

如圖4所示，給出了管樁處理地基前后的路基水平位移云圖，由圖4可知，在處理加固之前，路基水平位移較大值集中在路基坡腳處，在管樁加固處理之后，路基水平位移較大值集中區下降到管樁樁底下部區域，說明采用預應力混凝土管樁加固之后路堤坡腳水平位移明顯減小，有效保證了路堤安全。

圖4 管樁處理前后路基水平位移云圖

如圖5所示，給出了管樁處理前后地基水平位移對比曲線，由圖5可知，采用管樁加固之后，地基水平位移明顯減小，尤其在靠近坡腳位置地基水平位移減小最為明顯，管樁處理前地基最大水平位移值為72.3mm，管樁處理后地基最大水平位移值為26.4mm，管樁處理后最大水平位移值減小了63.5%。

圖5 管樁處理前后地基水平位移對比曲線

4 管樁參數影響分析

預應力混凝土管樁參數的變化勢必對軟土地基加固效果產生影響，為了對管樁取值參數進行優化分析，主要通過改變樁長、樁間距和樁帽來分析其規律。

如圖6所示，給出了樁長對路堤沉降影響曲線，樁長分別取12m、14m和16m進行分析，樁間距取2.0m且不變，設置樁帽。由圖6可知，通過增大樁長，可以減小路基沉降，其中路基中心沉降降低最大。樁長取12m、14m和16m時對應的路基最大沉降分別為85.9mm、76.4mm和68.6mm，樁長取14m和16m時比樁長取12m時路基最大沉降分別減小了11.1%和20.1%。

圖6 樁長對路堤沉降影響曲線

如圖7所示，給出了樁間距對路堤沉降影響曲線，樁間距分別取2.5m、2.0m和1.5m進行分析，樁長取14m且不變，設置樁帽。由圖7可知，通過減小樁間距，可以減小路基沉降。樁間距分別取2.5m、2.0m和1.5m時對應的路基最大沉降分別為86.2mm、76.4mm和67.8mm，樁間距取2.0m和1.5m比樁間距取2.5m時路基最大沉降分別減了11.4%和21.3%。

圖7 樁間距對路堤沉降影響曲線

綜上可知，通過增大樁長和減小樁間距均可以有效降低路基沉降，但在實際工程中，這種降低沉降是有限的，當樁長過長或樁間距過小時，不僅路基沉降減小不明顯，還會嚴重降低樁間土的承載性能，同時增大施工成本、施工周期和難度，設計和施工過程中要根據地質和工程條件合理設計參數。

如圖8所示，給出了樁帽對路堤沉降影響曲線，分別取設置樁帽和不設置樁帽兩種工況，樁長取14m且不變，樁間距取2.0m且不變。由圖8可知，通過設置樁帽，可以減小路基沉降。設置樁帽和不設置樁帽對應的路基最大沉降分別為85.5mm和76.4mm，即設置樁帽相比于不設置樁帽路基最大沉降減小了10.6%。這是由于樁帽的設置，使得樁體承載能力增大，降低了樁間土分擔荷載，更有效地發揮了樁體承載能力。

圖8 樁帽對路堤沉降影響曲線

5 結論

采用數值模擬的方法分析預應力混凝土管樁加固軟土路基效果，并對相關參數影響進行了分析，得到以下結論：

(1)分層填筑過程中數值模擬值與現場監測數據誤差均在10%以內，說明數值模擬結果的可靠性。

(2)加固前路基沉降比較集中，路基水平位移較大值集中在路基坡腳處；加固后地基沉降大幅度降低，路堤坡腳水平位移明顯減小，保證了路堤的安全。

(3)增大樁長和減小樁間距均可以有效降低路基沉降，但這種降低沉降是有限的，當樁長過長或樁間距過小時，不僅路基沉降減小不明顯，還會嚴重降低樁間土的承載性能，同時增大施工成本、施工周期和難度，設計和施工過程中要根據地質和工程條件合理設計參數。

(4)通過設置樁帽，增強了發樁體承載能力，降低了樁間土分擔荷載，有效地發揮了樁體承載能力，減小了路基沉降。