公路工程中剛性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算的探討

■謝 磊 ■中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430000

當(dāng)前，在計(jì)算剛性樁復(fù)合地基的承載力時(shí)，主要是以單樁承載力為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的。由于公路工程的路基結(jié)構(gòu)和建筑結(jié)構(gòu)不同，如果仍然按照建筑樁的設(shè)計(jì)方法來(lái)計(jì)算公路路基樁，路基的穩(wěn)定性就得不到保證。本文以實(shí)際工程為例，對(duì)公路工程剛性樁復(fù)合路基的計(jì)算進(jìn)行探討。

1 剛性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算的意義

工程設(shè)計(jì)人員通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外工程進(jìn)行大量研究和考察，總結(jié)得出散體材料柔性樁的一些缺陷，如果利用增大散體材料柔性樁進(jìn)行軟弱地基的加固，雖然可以提升一定的地基承載力，但是其提升幅度有限。比如對(duì)軟弱粘性土進(jìn)行處理時(shí)采用碎石樁，雖然其承載力程度可以提高20%到60%，但是地基的沉降依然沒(méi)有得到顯著的改善［1］。這是由于碎石樁的構(gòu)成主要是以散體材料為主，其粘結(jié)強(qiáng)度較低，維持樁形的能力較弱，很難增強(qiáng)其承載能力。

除此之外，灰土樁和石灰樁也具有承載能力低的特點(diǎn)，其荷載傳遞深度也有一定的限制，在達(dá)到一定深度時(shí)，樁體的作用并不是支撐，而是擠密，因此即便增加了樁體的長(zhǎng)度也不會(huì)增加地基的承載能力。工程人員通過(guò)對(duì)碎石樁、柔性樁了解和分析得出，要想加固地基，增強(qiáng)其承載力，就應(yīng)該先增強(qiáng)樁體材料的剛度，使上半部分的荷載可以很好的傳遞到深層的土層。工程人員進(jìn)行強(qiáng)化材料剛度試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，使用這類剛度較為堅(jiān)硬的材料后，地基的承載力以及沉降問(wèn)題得到了很好的改善，不僅提高了工程的質(zhì)量，還提升了工程的經(jīng)濟(jì)效益。

2 剛性樁復(fù)合地基的基本作用

地基發(fā)生沉降變形一般是由于基礎(chǔ)受到了垂直荷載，從而使樁和樁間土受到外力而產(chǎn)生一定的變形。在地基荷載一定的情況下，沉降一般不發(fā)生變化，只有荷載力增加時(shí)，樁與樁間土才會(huì)隨著相互之間的壓力而產(chǎn)生變形。樁體與樁間土體的壓縮變形模量是有一定區(qū)別的，前者要比后者大，而壓縮變形則是后者大于前者，正是由于這樣的原因，所以在樁頂部平面位置的樁體移動(dòng)要比土體小。這類協(xié)調(diào)過(guò)程屬于應(yīng)力集中效應(yīng)，效應(yīng)的變化一般隨著荷載的增加而增加。褥墊層一般處于地基上部，為了改善應(yīng)力不協(xié)調(diào)的情況，一般會(huì)將樁刺入褥墊層，使樁的頂部產(chǎn)生負(fù)摩阻區(qū)，與此同時(shí)樁的頂部以下的位置會(huì)出現(xiàn)等沉面。沉面上下兩側(cè)的樁與樁間土的摩阻力是不相同的，上半部分樁間土移動(dòng)位置相對(duì)于樁來(lái)說(shuō)是向下的，對(duì)樁產(chǎn)生的是負(fù)摩阻力，而下半部分正好相反［2］。摩阻力一般隨著荷載的增加而增加，待摩阻力達(dá)到最大時(shí)，樁端就會(huì)發(fā)生移動(dòng)，從而使樁端阻力可以發(fā)揮。隨后，隨著阻力的增加，樁端土所承擔(dān)的應(yīng)力增量也會(huì)增加，進(jìn)而使樁頂部與底部的土體可以塑形。到目前為止，復(fù)合地基變形的計(jì)算理論還在不斷的發(fā)展，其實(shí)際的計(jì)算公式多以經(jīng)驗(yàn)公式為主，因此具有一定的局限性。而我國(guó)的工程設(shè)計(jì)一般會(huì)被要求用規(guī)范規(guī)定的方法進(jìn)行，但是經(jīng)過(guò)多次的實(shí)際驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，這種算法算出的結(jié)果一般會(huì)比實(shí)際情況大一些，甚至?xí)蟪鰧?shí)際沉降量的三倍不止。因此，在進(jìn)行實(shí)際工程計(jì)算時(shí)，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行算法的選擇，找出最合理的方法，以便更大程度的保證路基的處理質(zhì)量。

3 剛性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)際應(yīng)用

3.1 案例介紹

某公路路基工程使用具有代表性的K46 +357 段路基，路基填土高度為7.4m～9m，路基屬于軟土地區(qū)的高填土路基?？辈熳C明Qm1屬于人工填土層，主要由魚(yú)塘底粘性土和素填土構(gòu)成;Q43al屬于河流相沉積，主要由中、高壓縮性的粘土構(gòu)成;Q42m主要由粘土和亞粘土構(gòu)成的海流相沉積構(gòu)成。

3.2 案例路基的處理方法

反壓護(hù)道可以有效的提高路基邊坡的穩(wěn)定性，精確計(jì)算后得出反壓護(hù)道的寬度為6 米。路基的處理需要現(xiàn)澆混凝土薄壁管樁(PCC)和水泥攪拌樁，其中PCC 樁分為三級(jí)過(guò)度，需要進(jìn)行分別的處理，其處理的長(zhǎng)度共有50m，可分為15m、15m、20m。PCC 樁單樁的長(zhǎng)度也各不相同，第一級(jí)、第二級(jí)、第三級(jí)分別為16m、14m、12m，按照等邊三角形的形式進(jìn)行布樁，樁距、樁徑、壁厚分別為3.0m、1m、0.12m。除此之外還要在等邊三角形的中間插入一根10m 長(zhǎng)的水泥攪拌樁，要求樁徑為0.5m，這樣做可以有效的降低工程預(yù)算。路基處理示意圖如圖1 所示。

圖1 路基處理示意圖

3.3 路基的計(jì)算原理

3.3.1 具體方案

通過(guò)測(cè)量得出:路面高程、周圍地坪高程、魚(yú)塘底面高程、填土的高度(h)分別為:10.6m、3.0m、1.5m、8.0m，路基寬度(B)、填土容重()分別為:34.5m、18KN/m3，由于路堤荷載分布的形式為梯形，面層重和車輛荷載的最大的值P=gh=18 ×8=144kpa，此外路堤的復(fù)合地基承載力必須在要求的范圍內(nèi)，一般要大于144kpa。

3.3.2 計(jì)算剛性復(fù)合地基的承載力

本工程是使用水泥攪拌樁+PCC 樁復(fù)合地基來(lái)對(duì)公路路基進(jìn)行處理的。依據(jù)《巖土工程勘察報(bào)告》，樁間土層天然地基的允許承載力為120kpa，試驗(yàn)證明PCC 單樁豎向承載力特征值為Ra=400KN，那么復(fù)合地基承載力特征值(fspk)按下式進(jìn)行計(jì)算:

水泥攪拌樁地基承載力的特征值取Ra=96KN;(1-m)fsk=24.35 kpa

復(fù)合地基的總承載力特征值為:fspk=fspk(ppc 樁)+fspk(水泥樁)+fspk(樁間土)=51.48 +24.35 +91.70=167.53，大于規(guī)定要求的144kpa 承載力要求值，達(dá)到了規(guī)定要求。

3.4 路基的沉降觀測(cè)及其補(bǔ)強(qiáng)效果

進(jìn)行路基填筑施工時(shí)，要對(duì)路基進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和測(cè)量。如果要求說(shuō)明這樣的處理方法是有效的。與此同時(shí)，使用堆載反力慢速加載的試驗(yàn)方法對(duì)單樁的復(fù)合地基的承載力特征值進(jìn)行計(jì)算。試驗(yàn)方形壓板來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，壓板面積為2m2，利用JCQ-503C 全自動(dòng)靜載荷測(cè)試系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行加載試驗(yàn)，荷載最高值為700KPa，一共分10 個(gè)級(jí)別來(lái)施加荷載。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 單樁載荷試驗(yàn)結(jié)果曲線

根據(jù)上圖來(lái)分析，復(fù)合地基單樁靜荷載試驗(yàn)曲線沉降均勻、緩慢，當(dāng)荷載增加到700Kpa 時(shí)依然沒(méi)有出現(xiàn)比較顯著的拐點(diǎn)。所以，可以斷定單樁荷載沒(méi)有達(dá)到極限值，達(dá)到了工程的施工要求。

4 結(jié)論

剛性樁復(fù)合路基的計(jì)算需要根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算地基的承載力，然后對(duì)路基處理方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文首先對(duì)剛性樁復(fù)合路基的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，然后以實(shí)際工程為例，對(duì)剛性樁復(fù)合路基的設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算方式進(jìn)行了探討。經(jīng)計(jì)算，工程使用剛性樁處理地基處理效果良好。

［1］鄭剛，李帥，刁鈺.剛性樁復(fù)合地基支承路堤穩(wěn)定破壞機(jī)理的離心模型試驗(yàn)［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34(11):1977 -1989.

［2］周同和.復(fù)合地基變形計(jì)算理論方法探討［J］.建筑科學(xué)，2005，21(1):61 -65.