PTC管樁在市政道路深層軟土地基處理中的應(yīng)用

沈?qū)W芳，曾惠芬

(蘇州市市政工程設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州 215007)

0 引言

由于市政管線敷設(shè)的需要，市政道路深厚層軟土地基的處理方法主要是堆載預(yù)壓 (排水固結(jié)法)和水泥土攪拌樁(含干法和濕法)等方法。其中排水固結(jié)法處理時間長，施工工期長，很難滿足工程建設(shè)工期要求；水泥土攪拌樁法雖然處理效果較好，但是常規(guī)機(jī)械對于深度大于15 m的深厚層軟土地基處理效果較差，成樁質(zhì)量取決于施工工藝，難以保證處理質(zhì)量。

城市開發(fā)建設(shè)從地質(zhì)條件良好的區(qū)域開始向?yàn)I海、湖泊、河灘等地質(zhì)條件差的區(qū)域發(fā)展。在工期緊張的情況下，傳統(tǒng)方法處理明顯不能滿足沉降變形和工期要求。近幾年來江蘇省的高速公路建設(shè)迅速，推動了理論地基處理技術(shù)研究和工程實(shí)踐的發(fā)展，PTC管樁（預(yù)應(yīng)力空心管樁）由于施工速度快，質(zhì)量容易控制，造價(jià)與水泥土攪拌樁基本相當(dāng)，因此在江浙等地區(qū)的高速公路建設(shè)中得到日益廣泛的應(yīng)用，工藝成熟。經(jīng)過反復(fù)比選，蘇州市市政工程設(shè)計(jì)院把PTC管樁處理技術(shù)應(yīng)用到市政工程中，具體項(xiàng)目為吳江市蘆蕩路。

1 技術(shù)簡介

PTC管樁處理道路工程的深厚層軟土地基目前成熟研究成果是帶帽剛性組合單樁復(fù)合地基。PTC管樁是一種樁體強(qiáng)度高的剛性樁，樁身強(qiáng)度極高達(dá)C60、C80。帶帽剛性組合單樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)主要是采用疏化樁間距的方法，利用摩擦樁型的特點(diǎn)，充分考慮樁土共同作用，在樁帽頂鋪筑一定厚度(一般為40 cm)的碎石褥墊層，上覆荷載通過褥墊層的傳遞作用，樁帽頂和樁帽間土體均承擔(dān)荷載，從而形成剛性樁復(fù)合地基。

2 概況

2.1 工程概況

吳江蘆蕩路是吳江市的一條東西向城市主干道,計(jì)算行車速度為40 km/h，雙向6車道，道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為三幅式，總寬度為44 m，路幅分配為：2×11 m機(jī)動車道+2×3 m分隔帶+2×3.5 m非機(jī)動車道+2×4.5 m人行道。

現(xiàn)狀用地大部分路段為河塘，標(biāo)高在0～-1.0m，填土高度2～3 m；少量路段為旱地，標(biāo)高在2.0 m左右，路基填土高度在1m左右。

道路下敷設(shè)8種市政管線共計(jì)10根，管線埋設(shè)深度：雨水管2～3 m，污水管3～4 m，給水管約1.5 m，通信、電力約2 m。

2.2 地質(zhì)概況

吳江蘆蕩路位于太湖稍，大部分為軟土地基。地表下20.3 m范圍內(nèi)各土層均由第四系沖湖積沉積物組成。根據(jù)野外鉆探揭露土層鑒別和原位測試，結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，地層從上往下分別為：

①2素填土：灰黃～灰色，松軟，以粘性土為主、淺部局部夾有少量植物根莖，層厚0.50～2.30m，含水量為30%，孔隙比為0.94，壓縮性不均，工程特性差。

②粉質(zhì)粘土：灰黃色～灰色，可塑，含少量鐵錳質(zhì)氧化斑點(diǎn)。層厚0.40～2.80 m，含水量為30.6%，孔隙比為0.95，壓縮系數(shù)為0.39 a0.1～0.2（MPa-1），壓縮性中等，工程特性一般。

③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，灰色，流塑，含少量有機(jī)質(zhì)。層厚7～17.40 m，孔隙比為1.27，含水量為45.1%，壓縮系數(shù)為0.93 a0.1～0.2（MPa-1），壓縮性高，工程特性差，為重點(diǎn)處理的軟土層。

下臥層為：

⑦粉質(zhì)粘土：灰色，軟塑，局部夾薄層粉土。孔隙比為 0.84，含水量為 29.9%，壓縮系數(shù)為0.32 a0.1～0.2（MPa-1），壓縮性中等，工程特性一般。

⑧粉質(zhì)粘土：灰黃色，可塑，含鐵質(zhì)氧化斑，夾灰色條紋，層厚3.5～6.8 m，孔隙比為0.731，含水量為25.8%，壓縮系數(shù)為0.25 a0.1～0.2（MPa-1）。壓縮性、工程特性中等。

⑨粘土：暗綠～褐黃色，硬塑，含灰色條紋，含鐵錳質(zhì)結(jié)核斑點(diǎn),層厚8.2～69.3m，壓縮性中等，工程特性良好,可作為樁基礎(chǔ)的持力層。

各土層地基承載力基本容許值見表1所列。

表1 地基承載力基本容許值一覽表（單位：kPa）

3 技術(shù)適用性分析

經(jīng)路堤沉降分析計(jì)算，地基不處理直接填筑路基的工后沉降達(dá)34.6 cm，不滿足工后沉降的控制指標(biāo)，規(guī)定在道路設(shè)計(jì)使用年限（15 a）內(nèi)的工后沉降為：橋臺與路堤相鄰處不大于10 cm、一般路段不大于30 cm。因此需要進(jìn)行地基處理。

軟基處理方案選擇應(yīng)根據(jù)軟土實(shí)際厚度、土質(zhì)性質(zhì)、路堤高度、路基穩(wěn)定、工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)及施工工期、工程造價(jià)等綜合分析確定技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的軟土地基處理方法。對于埋藏較深，層厚較厚軟土層的路段從處理效果、工期、造價(jià)、施工、質(zhì)量等綜合比選，前期方案階段選擇了長三角地區(qū)常用的排水固結(jié)法、水泥攪拌樁復(fù)合地基法、剛性樁復(fù)合地基法（PTC預(yù)應(yīng)力管樁法）等進(jìn)行分析比選。

3.1 排水固結(jié)法

排水固結(jié)法由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分組成，人為地在軟土層內(nèi)造成滲水通道，在路堤填土自重堆載預(yù)壓下加快排水固結(jié)，孔隙水在力的作用下通過豎向排水通道逐漸排出，使土體產(chǎn)生固結(jié)變形和強(qiáng)度增長，縮短排水時間。

工法簡述：豎向排水通道采用塑料排水板，斷面為100 mm×4 mm，正三角形布置間距1 m，塑料排水板插設(shè)深度達(dá)到軟土層底。路堤頂設(shè)置1.6 m厚等載預(yù)壓土方，加固后上部5～6 m地基承載力可達(dá)到80 kPa以上，工后沉降與預(yù)壓期關(guān)系密切。地基處理工期約3個月，預(yù)壓時間約10～12個月。

工法優(yōu)點(diǎn)：施工簡單，排水效果好，排水板價(jià)格低廉，工程造價(jià)低，并能充分利用東太湖清淤出的大量土源，以時間換投資，在工期較寬松的條件下是一種理想的處理工法。

缺點(diǎn)：目前市場上排水板差異性大、質(zhì)量不穩(wěn)定，質(zhì)量差的排水板在打設(shè)時會在土中折斷，施工工期受預(yù)壓期牽制，工期難以控制，工法效果又受土的滲透系數(shù)、固結(jié)系數(shù)，以及地下水位的影響較大；市政道路下埋設(shè)的雨水管地下管線等采用開槽法施工，將破壞砂墊層上鋪設(shè)的土工布的整體性，影響處理效果。

造價(jià)分析：處理深度平均12 m，約160元/m2。

3.2 水泥攪拌樁復(fù)合地基法

水泥攪拌樁復(fù)核地基是加固飽和粘性土地基的一種成熟方法。設(shè)計(jì)根據(jù)地基土質(zhì)條件、室內(nèi)配比試驗(yàn)資料和現(xiàn)場工程經(jīng)驗(yàn)等確定樁身強(qiáng)度、水泥摻入量及樁的布置。

工法簡述：水泥摻量45～50 kg/m，樁身強(qiáng)度選用90 d齡期1.0 MPa，正三角形布置間距1.5 m，攪拌樁打設(shè)深度達(dá)到軟土層底并進(jìn)入硬土層0.5m，復(fù)合地基承載力可達(dá)到100 kPa以上，地基處理工期約6個月。

工法優(yōu)點(diǎn)：工期相對較短，施工速度快、傳統(tǒng)攪拌樁施工工藝技術(shù)成熟，管道基礎(chǔ)處理可同道路路基同步完成，工后沉降達(dá)到預(yù)期效果。

缺點(diǎn)：工程費(fèi)用較高，當(dāng)軟土層較厚時（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)超過12 m），工程質(zhì)量較難控制，對軟基下部攪拌不易均勻，處理深度有限；監(jiān)理、檢測難度大，對施工隊(duì)伍素質(zhì)、能力要求較高。深溝槽開挖需要另外增加支護(hù)措施。

造價(jià)分析：處理深度平均10 m樁長約280元/m2；處理深度平均18 m樁長約為490元/m2。

3.3 PTC預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基法

利用薄壁管樁樁基減少路堤總沉降來達(dá)到控制路堤的工后沉降。預(yù)應(yīng)力管樁樁頂澆筑鋼筋混凝土樁帽，在樁帽頂面鋪設(shè)40 cm厚碎石墊層及二層雙向土工格柵加筋層，路堤荷載通過土工格柵及碎石墊層作用于樁帽傳遞至樁身，形成一個相互作用的受力整體，能有效控制沉降量。

工法簡述：選用樁徑為Φ40 cm，壁厚7 cm的PTC樁，矩型布置，間距約3.5 m。樁長原則上應(yīng)穿透軟弱土層到達(dá)強(qiáng)度相對較高的土層，樁長為17m～23 m不等。樁帽尺寸1.6 m×1.6 m，厚度40 cm，樁帽的頂部鋪設(shè)40 cm碎石加筋墊層。復(fù)合地基承載力可達(dá)到100 kPa以上，地基處理工期約6個月。

工法優(yōu)點(diǎn)：PTC管樁由于施工速度快，成品樁質(zhì)量可靠、檢測簡單、施工方便，沉降量小。處理深度不受限制，對于軟土深度較深路段較合宜，管樁處理后路基效果好；路幅內(nèi)的管道基礎(chǔ)可設(shè)置于管樁樁頂以上，基礎(chǔ)不需另外作特殊處理。

缺點(diǎn)：對于處理軟土厚度小于10 m的路段，與其他工法相比造價(jià)較高；并將加大道路建成以后后續(xù)橫穿管的通過難度，需要合理預(yù)留通道。

造價(jià)分析：處理深度平均10 m約為330元/m2；處理深度平均18 m約為475元/m2。

3.4 PTC管樁技術(shù)適用性分析

排水固結(jié)法、水泥攪拌樁復(fù)合地基法市政道路深層軟土地基處理工程應(yīng)用廣泛，剛性樁復(fù)合地基法（PTC預(yù)應(yīng)力管樁法）在高速公路地基處理應(yīng)用較早，市政工程尚處于探索階段。市政道路與公路的最大區(qū)別是填土高度與管線。

采用帶帽剛性組合單樁復(fù)合地基處理的道路實(shí)際上由三部分組成，路面結(jié)構(gòu)層、路床及復(fù)合地基層，樁頂與路面結(jié)構(gòu)之間的距離一般在2 m左右。即路基填土高度在2 m以上，則樁帽施工開挖土方量??；反之則需要加大送樁長度和樁帽施工開挖土方量。

3.4.1 填土高度因素與路基處理方式的關(guān)系

公路的填土高度由路基工作狀態(tài)確定，蘇南一帶的公路填土高度一般在1.5 m以上，因此路基處理選擇的方式較多。

城市道路的高程受城市豎向規(guī)劃控制，以零填零挖為主。吳江蘆蕩路基本位于現(xiàn)狀河塘，填土高度較高，采用PTC管樁處理地基而不需要開挖大量土方。

3.4.2 管線因素與路基處理方式的關(guān)系

公路地下管線少，一般僅有少量通訊線路，路基處理可以不考慮管線埋設(shè)要求。

市政道路既是交通通道，又是城市地下管網(wǎng)的通道，管網(wǎng)的通道一般位于道路下方2～3 m，地基處理必須與管線基礎(chǔ)、空間要求、施工要求統(tǒng)籌兼顧。吳江蘆蕩路地下管線多達(dá)10根，適當(dāng)降低樁帽標(biāo)高，可以滿足管線敷設(shè)要求，而且解決管線地基處理問題。

結(jié)合蘆蕩路工程軟土地基深度深、施工工期緊、管線埋深對地基處理的要求、路基填筑高度較高、工程對地基處理效果高等情況，經(jīng)綜合比選，采用PTC預(yù)應(yīng)力管樁深層路基處理工法。

4 帶帽組合單樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)

帶帽剛性組合單樁復(fù)合地基處理設(shè)計(jì)主要由帶帽組合單樁設(shè)計(jì)、復(fù)合地基設(shè)計(jì)及工藝性設(shè)計(jì)三部分組成。

采用控制沉降理論的復(fù)合地基設(shè)計(jì)方法，包括組合單樁布置、沉降計(jì)算及承載力驗(yàn)算等內(nèi)容。

控制沉降理論是現(xiàn)代樁土相互作用理論研究的重要成果之一，是按控制地基沉降的原則設(shè)計(jì)的樁基礎(chǔ)，也即在設(shè)計(jì)時由基礎(chǔ)的沉降控制值來確定樁數(shù)和樁長。樁在基礎(chǔ)中除承擔(dān)部分荷載外主要起減少和控制沉降的作用，樁可視為減少沉降的措施。

4.1 帶帽組合單樁設(shè)計(jì)

組合單樁布置包括樁型、間距及墊層厚度確定。

PTC樁作為一種剛性樁，與樁周圍土體共同組成復(fù)合地基。該工程采用摩擦樁設(shè)計(jì)，平面布置為矩型。

樁型的確定：為減少樁在施工過程中對軟土的擾動影響，選擇壓樁工藝。

樁長：樁長原則上應(yīng)穿透軟弱土層到達(dá)強(qiáng)度相對較高的土層，同時按滿足超過危險(xiǎn)滑弧的條件確定，以滿足穩(wěn)定和變形要求。樁長為17 m～23 m不等。

樁徑：樁徑按與樁長的比值D：L≮1%確定，取樁徑為Φ40 cm，壁厚7 cm。

間距、樁帽尺寸：按控制沉降量和承載力為原則選取。樁間距初定為3～3.5 m，并滿足雨水管、污水管等對地基沉降較敏感的管道位于樁帽上。

樁頂標(biāo)高：不過多開挖原地面的前提下樁帽頂標(biāo)高控制在雨水管基礎(chǔ)以下。污水管埋深較雨水管深1～1.5 m，位于路幅外綠化帶內(nèi)，路基橫斷面方向樁帽采用錯層布置，污水管部位的樁頂標(biāo)高控制在污水管基礎(chǔ)以下。

樁帽尺寸1.6 m×1.6 m，厚度滿足設(shè)計(jì)荷載和抗剪強(qiáng)度要求，取40 cm。

墊層：為充分發(fā)揮樁土共同工作，在樁帽的頂部鋪設(shè)碎石加筋墊層，墊層厚度主要由不同填料的允許擴(kuò)散角決定，蘆蕩路工程取用40 cm厚碎石層，在墊層中設(shè)置二層雙向鋼塑格柵，加強(qiáng)墊層的整體剛度。

4.2 復(fù)合地基設(shè)計(jì)

4.2.1 單樁承載力

工程設(shè)計(jì)前未進(jìn)行靜荷載試樁，按承載力經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法確定單樁豎向承載力，樁的規(guī)格為PTC A700 70 12計(jì)算公式：

式中：Qd——單樁豎向極限承載力設(shè)計(jì)值，kN；

γ——承載分項(xiàng)系數(shù)，取1.55；

U——樁身截面周長，m；

qik——單樁第i層土的樁側(cè)土的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

li——樁身穿過第i層土的長度；

qR——沉樁樁端處土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

Ap——樁身截面面積，m2。

不同軟土層相應(yīng)設(shè)計(jì)樁長的單樁承載力設(shè)計(jì)值見表2所列。

表2 單樁承載力設(shè)計(jì)值、復(fù)合地基承載力一覽表

4.2.2 復(fù)合地基承載力

式中：fsp——復(fù)合地基承載力，kPa；

β——樁間土應(yīng)力發(fā)揮系數(shù)，取0.9；

m——置換率,Qd采用單樁承載力時取樁帽面積與樁間距面積的比值；

A1——樁帽面積（1.6 m×1.6 m）；

fsk——樁間土天然地基承載力。

樁間距為：縱向3.5 m，橫向3.2 m。

蘆蕩路不同路堤填土高度及設(shè)計(jì)長期荷載等見表2所列。路堤土的壓實(shí)容重按19 kN/m3計(jì)，路面結(jié)構(gòu)厚度為70 cm，長期荷載見表2所列。

4.2.3 復(fù)合地基沉降計(jì)算

在荷載小于樁體承載力時，PTC管樁復(fù)合地基的沉降主要由以下三部分組成：（1）碎石褥墊層的受荷壓縮量；（2）樁體受荷后自身的豎向壓縮量；（3）樁尖以下土體的壓縮量。

碎石墊層抗壓強(qiáng)度較高，設(shè)計(jì)荷載作用下沉降量一般在1 cm以內(nèi)，且沉降可在加載瞬間完成。

剛性樁樁身強(qiáng)度極高，一般可達(dá)C60級，在外荷載作用下，樁身壓縮量只有幾個毫米，可以忽略不計(jì)。

樁端以下土體的壓縮量采用分層總和法計(jì)算。

決定管樁復(fù)合地基總沉降量大小的主要是樁帽間土相對于樁帽和樁體的沉降,也就是樁帽向上刺入碎石墊層和路堤的位移量。根據(jù)上面的分析，樁帽間土承擔(dān)的荷載比例可以通過計(jì)算設(shè)計(jì)控制在總荷載的1/3左右。因此在設(shè)計(jì)時可以采用根據(jù)樁間土分擔(dān)荷載通過常規(guī)的分層總和法來計(jì)算樁間土沉降量的簡化方法，計(jì)算深度為樁體的長度。

經(jīng)計(jì)算，在橋頭等高填土不利路段作為計(jì)算模塊，當(dāng)填土高度（包括路面結(jié)構(gòu)厚度）在4 m時，路面竣工時（按12個月計(jì)算）的地基沉降為3.9 cm，路面竣工后，在15 a基準(zhǔn)期內(nèi)的殘余沉降（工后沉降）為4.3 cm，基準(zhǔn)期結(jié)束時,地基總沉降8.2 cm。由此可見，采用管樁處理軟土地基有著良好的控沉效果。

5 加固效果檢測

管樁采用靜壓法施工，壓樁力根據(jù)地質(zhì)條件和不同樁長，一般為單樁設(shè)計(jì)豎向承載力特征值的1.5～2.0倍，且實(shí)行“雙控”，除保證樁長及樁底進(jìn)入持力層的深度必須滿足設(shè)計(jì)要求外，還需通過油壓表來控制終壓值的大小，通過試樁確定PTC管樁的單樁極限承載力及驗(yàn)證不同路段實(shí)際地質(zhì)情況。施工中根據(jù)不同路段、樁長分別進(jìn)行了5根工程樁作為試樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，所有試樁均為工程用樁，加載至試驗(yàn)要求荷載樁身未破壞，預(yù)應(yīng)力管樁的單樁豎向極限承載力大于1 200 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

管樁以其樁身質(zhì)量可靠、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在公路及城市道路的軟土地基中正逐步得到推廣使用，已越來越受到工程參建各方的接受。但由于管樁在市政工程應(yīng)用時間不長，其場地條件、受力狀態(tài)、工程狀況與高速公路、民用建筑等存在差別，在勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等方面還存在不少急待解決的問題，還需通過大量工程實(shí)踐來分析，積累和總結(jié)預(yù)應(yīng)力管樁的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，以提高預(yù)應(yīng)力管樁在市政工程應(yīng)用中的技術(shù)問題及水平，取得更好的處理效果和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]徐澤中.公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：人民交通出版社.