淺談PST管樁在橋頭軟弱地基處理中的應(yīng)用

陳飛彪

（福建省迅捷交通科技有限公司，福建 福州 350000）

1 概念

預(yù)制豎向勁性體[1]，也稱為增強(qiáng)體勁性體，簡稱PST 管樁，是一種新型薄壁管樁，作為豎向增強(qiáng)體用于軟基處理以形成剛性樁復(fù)合地基。其作用相當(dāng)于對軟弱地基采用置換、擠密、膠結(jié)等形成復(fù)合地基，從而增加地基的豎向受力能力，起到改善軟弱地基的作用，滿足承載力與沉降要求。PST 管樁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型如圖1 所示。

圖1 PST 管樁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型圖

PST 管樁復(fù)合地基的優(yōu)點(diǎn)有6 個：1）施工質(zhì)量容易控制（工廠化預(yù)制，質(zhì)量看得見）。2）施工速度快（成品樁打入、樁間距大、樁數(shù)少）。3）工后沉降小、不均勻沉降?。渡韽?qiáng)度高，承載力大）。4）地基處理深度大（可采用焊接或機(jī)械連接方式接樁）。5）復(fù)合地基承載力大。6）造價(jià)較為適中。

2 PST 管樁的設(shè)計(jì)驗(yàn)算

由于PST 管樁的單樁造價(jià)比普通的水泥土樁要高，同時(shí)樁身強(qiáng)度大，承載力高，因此在設(shè)計(jì)中普遍采用充分發(fā)揮樁土共同工作和疏化樁距的方法來進(jìn)行復(fù)合地基的設(shè)計(jì)。

一般要求樁體須位于穩(wěn)定的地層作為持力層，樁端全截面（不含樁尖）進(jìn)入持力層深度，黏性土、粉土，不宜小于2 d；砂土不宜小于1.5 d。當(dāng)存在軟弱下臥層時(shí)，樁端以下持力層厚度不宜小于4 d，并進(jìn)行軟弱下臥層承載力和沉降驗(yàn)算。

樁長設(shè)計(jì)時(shí)，對深厚軟土地基來說，只要樁長穿過軟土層到達(dá)相對較硬的土層，就可以較好地控制地基的沉降變形，樁長的確定宜以打穿軟土層為主，不可過度追求到達(dá)很硬的土層，樁長的具體取值應(yīng)根據(jù)軟基的沉降以及穩(wěn)定性計(jì)算確定。

PST 管樁在設(shè)計(jì)中主要以承載力和沉降進(jìn)行控制，可不驗(yàn)算復(fù)合地基的承載力[2]。

2.1 PST 管樁的承載力可按下列兩個公式進(jìn)行驗(yàn)算

式中：R—單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值（kN）；

γ0—建筑物樁基重要系數(shù)，取1.1；Fcap—樁頂上的荷載壓力（kN）；Qsk、Qpk—單樁的總極限側(cè)阻力特征值和單樁的總極限端阻力特征值（kN）；γs、γp—側(cè)阻抗力分項(xiàng)系數(shù)和端阻抗力分項(xiàng)系數(shù)，γs=γp。

2.2 沉降驗(yàn)算

可不考慮樁間土壓縮變形對沉降的影響，采用單向壓縮分層總和法計(jì)算最終沉降。

式中：S—樁基最終沉降；m—樁端平面以下壓縮層內(nèi)土層分層的數(shù)目；Esj，i—樁端平面下第j層土第i個分層在自重應(yīng)力至自重應(yīng)力加附加應(yīng)力作用段的壓縮模量（MPa）；nj—樁端平面下第j層土的計(jì)算分層數(shù)；△hj，i—樁端平面下第j層第i分層的厚度（m）：σj，i—樁端平面下第j層第i分層的豎向附加應(yīng)力（kPa）；ψP—樁基沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓こ虒?shí)測資料統(tǒng)計(jì)對比確定。

常見的“橋頭跳車”問題主要是由于樁基橋臺的幾乎零沉降與軟土地基路堤的工后沉降相比要小得多，導(dǎo)致橋面與路面的錯臺現(xiàn)場。工程設(shè)計(jì)中通常采用較強(qiáng)的路基處理措施，從而減小橋梁與路基之間的沉降差，保證行車的舒適性。

就軟土地基處理來說，處置方式的選用、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)須根據(jù)總的沉降量與容許工后沉降來確定，一味地追求舒適性必然會使軟弱地基處理的經(jīng)濟(jì)性變差，這就需要在軟弱地基處理的舒適性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)中尋找一個平衡點(diǎn)。

3 依托工程概況

某城市主干路，主路設(shè)計(jì)速度為60km/h，輔道設(shè)計(jì)速度為40km/h。主路為雙向六車道，路面總寬度24m；輔道為雙向兩車道，路面總寬度14m，標(biāo)準(zhǔn)路段紅線寬度為47m。道路以跨境交通為主，是長距離、跨城區(qū)交通通道的重要組成部分，同時(shí)兼具區(qū)內(nèi)部分集散交通功能。擬建場地高程變化為4.73 m～16.23 m，場地地基土層除表層為人工填土外，主要為淤積、沖積、沖洪積成因土層，基底為燕山晚期形成的花崗巖，原始地貌屬沖積平原地貌單元。道路于2008 年竣工，至今已通行近13 年。經(jīng)過現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)橋頭跳車明顯，橋頭路基沉降嚴(yán)重（最大處近1 m），對行車安全和行車舒適性有很大的影響，查閱原始相關(guān)資料， 橋頭接坡處路基采用水泥攪拌樁進(jìn)行加固處理。根據(jù)原路面結(jié)構(gòu)、原地勘資料、原設(shè)計(jì)高程及現(xiàn)狀路面高程，對橋頭接坡段的理論工后沉降與實(shí)際沉降量進(jìn)行驗(yàn)算對比。結(jié)果見表1。

表1 橋頭接坡段路基沉降驗(yàn)算分析表

經(jīng)驗(yàn)算比對發(fā)現(xiàn)：橋頭接坡段現(xiàn)狀實(shí)際沉降量比理論沉降量大，沉降比例基本大于100%，說明原軟基處理方案的效果不佳。

4 軟基處理方案比較

以樁號K5+575 橋頭接坡段路基段為例，根據(jù)地勘資料的地層分布為第①層為1.3 m 厚的填碎石土，第②層為12.7m深的淤泥層，第③層為5.3 m 的卵石層。根據(jù)該道路竣工圖，原橋頭路基處理采用水泥攪拌樁，經(jīng)過現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)效果不佳，鑒于橋頭路基沉降嚴(yán)重（最大處沉降近1m），結(jié)合當(dāng)?shù)厮鄶嚢铇冻翗顿|(zhì)量總體效果不佳的情況，本次不考慮水泥攪拌樁。

4.1 方案1：預(yù)制豎向勁性體（PST 樁），樁頂路基填筑采用泡沫混凝土

剛性樁適用于處理深厚軟土地基上荷載較大、變形要求較嚴(yán)格的高路堤段、橋頭或通道與路堤銜接段。傳統(tǒng)的PHC管樁質(zhì)量可靠，用于道路軟基處理，其樁體承載力存在較大的富余，工后沉降小，處理深度較深，但價(jià)格較高。而PST勁性體是在保證工程質(zhì)量的前提下，通過減少管樁的壁厚、降低配筋率等方式降低工程造價(jià)，在復(fù)合地基加固中與PHC管樁處理效果基本一致情況下，工程造價(jià)可節(jié)省15%～20%。

泡沫混凝土施工簡單，材料來源豐富，工程質(zhì)量可控。同時(shí)泡沫混凝土[3]質(zhì)量輕，約為普通填料的1/3 左右，利用泡沫混凝土質(zhì)量輕的特點(diǎn)，可以有效減少對基底的壓力，甚至實(shí)現(xiàn)“零”附加應(yīng)力，從而有效遏制了軟弱地基段的工后沉降，尤其在結(jié)構(gòu)剛度差異較大的路基與橋梁過渡段中設(shè)置時(shí)，可有效減少兩者之間的差異沉降。

軟基處理方案：在施工區(qū)域路基兩側(cè)處施打鋼板樁，開挖臺背及原褥墊層并整平后，再進(jìn)行PST 樁施工（由橋臺跳樁跳排向后退打施工，PST 管樁在平面上按正方形布置，樁間距為2.0 m，樁徑為40 cm）。待管樁施工完畢并檢測合格后，鋪設(shè)雙向土工格柵及級配碎石褥墊層，待觀測到穩(wěn)定的初始值后，采用泡沫混凝土進(jìn)行路堤填筑。方案處理模型如圖2 所示。

圖2 PST 管樁軟基處理方案圖

4.2 方案2：碎石粉煤灰混凝土樁（CFG 樁），樁頂采用泡沫混凝土路基填筑

CFG 樁是一種低強(qiáng)度混凝土樁，可充分利用樁間土的承載力共同作用，并可傳遞荷載到深層地基中去，同時(shí)可通過褥墊層來調(diào)節(jié)樁和樁間土的應(yīng)力和變形，使樁間土的強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，具有較好的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效果。

軟基處理方案：在施工區(qū)域路基兩側(cè)處施打鋼板樁，開挖臺背及原褥墊層并整平后，再進(jìn)行CFG 樁施工（要求由橋臺跳樁跳排向后退打施工，CFG 管樁在平面上按正三角形布置，橋頭兩側(cè)各10m 范圍內(nèi)樁間距為1.3m，其余10m～20m樁間距為1.6m，樁徑為40cm）。待管樁施工完畢并檢測合格后，鋪設(shè)雙向土工格柵及級配碎石褥墊層，待觀測到穩(wěn)定的初始值后，采用泡沫混凝土進(jìn)行路堤填筑。方案處理模型如圖3 所示。

圖3 CFG 樁軟基處理方案圖

4.3 方案3：高壓旋噴樁

高壓旋噴注漿法[4]是通過在軟弱土層中形成水泥固結(jié)體與樁間土一起形成復(fù)合地基，從而提高地基的承載力，減少地基的沉降變形，達(dá)到地基加固目的。旋噴樁的承載力取決于樁體的強(qiáng)度和地基土對樁的承載力，樁身強(qiáng)度成為決定樁承載力的決定因素，當(dāng)樁身強(qiáng)度較高時(shí)，增加長度能顯著提高樁的承載力。

軟基處理方案：無須開挖臺背填方，直接采用引孔施工高壓旋噴樁（要求由橋臺跳樁跳排向后退打施工，在平面上按正三角形布置，橋頭兩側(cè)各10m 范圍內(nèi)樁間距為1.3m，其余10 m～20 m 樁間距為1.6m，樁徑為50cm）。待管樁施工完畢并檢測合格后，鋪設(shè)雙向土工格柵及級配碎石褥墊層。方案處理模型如圖4 所示。

圖4 高壓旋噴樁軟基處理方案圖

5 軟基處理方案對比分析

該文針對橋頭跳車情況，就常用的CFG 樁和高壓旋噴樁兩種方法與PST 管樁進(jìn)行軟基處理方案對比分析，表2 結(jié)果表明：綜合考慮工期、工后沉降以及運(yùn)營期使用和養(yǎng)護(hù)等影響時(shí)，顯然PST 管樁相較于CFG 樁、高壓旋噴樁，具有樁材質(zhì)量好、工程地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、場地施工文明等優(yōu)點(diǎn)，而高壓旋噴樁容易污染環(huán)境，CFG 樁則成本較高，工期長，同時(shí)對周邊土體有擠壓作用。

表2 橋頭跳車軟基處理方案比較

6 結(jié)語

該文針對橋頭接坡段的軟基處理方案，基于減少橋梁與路堤之間的差異沉降，實(shí)現(xiàn)橋梁與路基的剛?cè)徇^渡銜接，減少直至消除橋頭跳車現(xiàn)象，提高行車的安全性，保證行車的舒適性等因素，采用PST 樁結(jié)合填筑泡沫混凝土對橋頭接坡段進(jìn)行軟基處理，有效遏制了軟弱地基段的工后沉降，能有效解決橋頭跳車問題。且施工方便，質(zhì)量保證，經(jīng)濟(jì)合理，具有良好的應(yīng)用前景。