勁性體復合地基預制樁帽設(shè)計及沉降分析

薛 嶺 趙明綱 涂圣武

(1.江蘇省交通工程建設(shè)局，南京 210004; 2.蘇交科集團股份有限公司，南京 210017)

0 引言

勁性體復合地基處理相較于傳統(tǒng)的軟基處理方式，其可有效縮短施工環(huán)節(jié)、 強度較高、 可集中工廠化預制， 隨著工程實際應(yīng)用的增多及該施工工藝逐漸被認可， 已成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)施工工藝的一種新型的軟基處理方式。

勁性體可認為是管樁的衍生產(chǎn)品， 在滿足相同的強度要求及安全質(zhì)量控制下， 勁性體相較管樁具有其天然的優(yōu)勢。勁性體相較于管樁節(jié)約配筋約10%以上，壁厚明顯減小表現(xiàn)為混凝土用量節(jié)約20%以上， 壁厚及配筋的減少也會便于運輸及安裝。

傳統(tǒng)的管樁樁帽一般采用現(xiàn)澆施工， 本文根據(jù)勁性體自身工廠化預制特點并結(jié)合設(shè)計施工標準化理念，對勁性體樁帽也進行預制樁帽設(shè)計及預制樁帽標準化施工工藝控制進行研究， 從而真正實現(xiàn)勁性體復合地基處理工藝的工廠化、預制化、高效化的目的。

勁性體預制樁帽可極大的縮短澆筑及養(yǎng)護周期，因其工廠化預制也可避免操作不當?shù)热藶橐蛩氐挠绊?，在滿足強度要求及工程質(zhì)量控制的前提下， 也因其自身的優(yōu)點可減少鋼筋及水泥的用量， 具有一定的經(jīng)濟效益及環(huán)境保護效益。

勁性體本質(zhì)可認為對傳統(tǒng)管樁的優(yōu)化和升級， 本文結(jié)合依托項目重點對勁性體預制樁帽設(shè)計、施工工藝、控制要點及沉降分析進行深入研究， 并結(jié)合有限元分析軟件對勁性體復合地基加固軟基沉降進行數(shù)值分析， 將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與理論分析相結(jié)合， 對勁性體復合地基加固軟基的沉降變形進行系統(tǒng)研究。

1 依托工程

本文依托海安至啟東高速公路HQ-BH1 標段某橋頭試驗段， 海啟高速公路項目所在南通地區(qū)屬于典型軟土地區(qū)，因此該試驗段勁性體復合地基處理結(jié)果，可較好直觀的反映勁性體及預制樁帽對軟基處理的效果。

2 勁性體施工及預制樁帽設(shè)計

試驗段長度約80m，勁性體上部填土約為6.5m，設(shè)計勁性體樁間距按2.8m 及3.2m 布置，勁性體樁長16m，勁性體樁徑400mm，壁厚80 mm 的A 型張法勁性體，勁性體混凝土強度C80。

勁性體復合地基加固軟基采用靜壓法施工， 靜壓勁性樁體至設(shè)計樁長或達到持力層深度后， 吊裝預制樁帽并進行勁性樁體與預制樁帽連接施工， 完成后鋪設(shè)墊層及土工格柵，完成勁性體復合地基加固軟基的施工。

試驗段勁性樁采用正方形布樁施工， 為減少打樁過程中的土體的擠壓效應(yīng)， 勁性樁體的布設(shè)及施工沿路堤走向進行靜壓樁施工，具體如圖1 所示。

圖1 勁性體平面布置及打樁順序示意圖

勁性體預制樁帽采用1.5×1.5×0.4 正方形尺寸及形式，內(nèi)部采用縱向與橫向交叉配筋形式。預制樁帽中采用階梯孔，階梯孔分為上下兩層階梯，以此孔做為與勁性體樁體連接的通道，上層階梯分擔勁性樁上刺效應(yīng)。

勁性體預制樁帽頂部均勻布設(shè)起吊、運輸、安裝用吊環(huán)。為保證預制樁帽與勁性體連接，現(xiàn)場采取填芯混凝土處理， 填芯處理前在勁性體樁體內(nèi)壁均勻涂抹水泥漿以保證填芯與勁性體形成統(tǒng)一整體。

勁性體與預制樁帽均為預制構(gòu)件， 兩者間通過連接件進行連接，如圖2 所示。本試驗段采用預制構(gòu)件預留鋼筋焊接進行勁性體與預制樁帽的連接。

圖2 預制樁帽示意圖

3 數(shù)值模擬及沉降分析

3.1 模型組成

數(shù)值計算模型如圖3， 第一部分為勁性樁體和預制樁帽； 第二部分為勁性體加固軟土地基和試驗段路堤填土；第三部分為墊層及土工格柵。

圖3 數(shù)值計算模型

3.2 材料參數(shù)

樁體、樁帽、碎石墊層、路基填土等數(shù)值模擬材料參數(shù)見表1。

3.3 網(wǎng)格劃分

試驗段路基與勁性樁體的單元類型為CPE4 單元，加固軟基土體采用CPE4P 單元來模擬。 填筑路基下方的勁性樁體及樁周土體網(wǎng)格相對密集， 而未進行勁性體加固區(qū)域的土體網(wǎng)格相對稀疏， 且樁土接觸面勁性體樁身與土體網(wǎng)格一致，網(wǎng)格劃分如圖4 所示。

表1 數(shù)值模擬材料參數(shù)

圖4 有限元模型網(wǎng)格劃分

3.4 計算結(jié)果的分析驗證

通過對不同填筑情況或時間下勁性體地基處理的數(shù)值模擬分析可知。勁性體復合地基勁性體、預制樁帽及墊層形成復合整體，并未發(fā)生單獨剝離的狀態(tài)發(fā)生，該整體同步產(chǎn)生剛性位移沉降，隨著填筑及時間的推移，整體沉降也隨之增大。

如圖5 勁性體地基處理沉降云圖可知， 道路中心附近沉降較大， 隨著距離的變化沉降量也同步發(fā)生負相關(guān)變化。待勁性體地基處理路堤填筑完成時，道路中心附近最大的沉降量為132mm；在預壓期結(jié)束時最大沉降量增大25mm，增至157mm；在運營15 年后的總沉降量為179 mm。 試驗段工后沉降量滿足高速公路沉降要求，勁性體復合路基對軟基的加固處理及沉降控制具有良好的處理效果。

圖5 沉降云圖

將數(shù)值模擬分析結(jié)果與現(xiàn)場試驗段實際監(jiān)測數(shù)據(jù)相對比，如圖6 和圖7 所示，數(shù)值模擬計算結(jié)果略大于現(xiàn)場實測， 但數(shù)值分析與現(xiàn)場實測下勁性體復合地基處理段落沉降變化情況變化情況基本保持一致， 其變化規(guī)律相吻合， 因此該試驗段勁性體地基處理沉降變形數(shù)值模擬分析符合現(xiàn)場實際情況，能較好的分析模擬現(xiàn)場實際。

圖6 土體沉降結(jié)果比較

圖7 樁體沉降結(jié)果比較

3.5 沉影響因素分析

基于對試驗段數(shù)值計算模型分析， 現(xiàn)對影響勁性體復合地基加固效果的主要因素進行對比研究， 包括勁性體樁長、預制樁帽尺寸，以對不同的施工情況進行優(yōu)化設(shè)計。

(1)樁長的影響

在保持其他參數(shù)一致的情況下， 對不同樁長情況下(L1=8m，12m，16m，20m，24m)的加固效果進行對比分析，此時計算勁性體樁長與實際樁長的比值L1/L 為0.5，0.75，1.0，1.25，1.5。

從圖8、圖9、圖10 中可得，勁性體加固軟基處理表面沉降、最大沉降、差異沉降隨著勁性體樁長的增加而明顯減少；

圖8 表面沉降

圖9 最大沉降

圖10 最大差異沉降

綜合沉降分析結(jié)果可知增加勁性體樁長有利于減小沉降，提高樁體承擔的荷載值，這是由于增加了樁長，相應(yīng)地，樁側(cè)表面積也得以增加，從而增大了樁側(cè)摩阻力并改善樁的承載力。樁長在設(shè)計中可調(diào)性較大，從經(jīng)濟的角度考慮，可采用變樁長設(shè)計進行沉降控制。

(2)樁帽尺寸的影響

在保持其他參數(shù)一致的情況下， 對不同樁帽尺寸下的加固效果進行對比分析， 假設(shè)樁帽寬度與樁間距的比值a/s 為0.3，0.4，0.5，0.6，0.7。

圖11 表面沉降

圖12 最大沉降

圖13 最大差異沉降

由圖11、圖12、圖13 可知，勁性體加固軟基處理表面沉降、 最大沉降及差異沉降均隨著樁帽尺寸的增加而減小。當比值a/s 從0.3～0.5 變化時時，樁間土最大沉降量從197.9 mm 減小到179.1 mm，樁土最大差異沉降從28.0 mm 減小到18.2 mm。 而當比值a/s 大于0.5 后沉降量及差異沉降變化幅度較小，預制樁帽影響變?nèi)酢?/p>

綜上可得， 通過調(diào)整樁帽尺寸可以使得路堤荷載更好地集中于勁性樁體，有效減少沉降量，但隨著樁帽寬度與樁間距比例的增加，影響效果逐漸被弱化。 因此，從減小沉降和節(jié)約經(jīng)濟角度出發(fā)， 勁性體復合地基適宜的樁帽尺寸為：a/s=0.5。

4 結(jié)論

本文依托海啟高速公路項目， 對勁性體復合地基及預制樁帽設(shè)計展開研究， 通過現(xiàn)場施工檢測及數(shù)值計算模擬可知：

(1)勁性體復合地基對軟土地基加固具有良好的處理效果，有效減少項目路基沉降，相較于傳統(tǒng)的施工工藝，勁性體及預制樁帽擁有其自身先天優(yōu)勢， 可在相關(guān)軟土加固工程中得以推廣和應(yīng)用。

(2)通過對勁性體復合地基的不同影響因素分析可知，勁性體樁長、樁帽尺寸變化影響軟基加固的沉降，可有效減少工后沉降并提高地基的承載力。 但從沉降控制及經(jīng)濟角度綜合分析， 以調(diào)整勁性體樁長來控制沉降為最優(yōu)選擇，樁帽尺寸與樁間距比值a/s 宜控制在0.5。