帶帽控沉疏樁復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)及其工程應(yīng)用

雷金波，陳超群

(南昌航空大學(xué) 土木建筑學(xué)院，南昌 330063)

復(fù)合地基［1］，特別是剛性樁復(fù)合地基技術(shù)，以其自身的優(yōu)勢(shì)，在深厚軟基處理中的應(yīng)用日益廣泛。先前，剛性樁復(fù)合地基主要是以 CFG樁［2］為代表，但由于 PTC(Pre-stressed Tubular Concrete pile，簡(jiǎn)稱 PTC)管樁(預(yù)應(yīng)力薄壁管樁)在成樁質(zhì)量、處理深度、處理效果、控制沉降等方面均比其它樁型具有優(yōu)勢(shì)，能夠滿足軟基工后沉降量的控制標(biāo)準(zhǔn)，因此，近年來PTC管樁廣泛應(yīng)用于堤壩地基、高速公路、高速鐵路、機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道、沿海圍堤、港口工程等深厚軟基處理工程中［3-7］。為減小PTC剛性樁上刺入量、均化樁頂應(yīng)力并保護(hù)墊層整體效應(yīng)，通過在樁頂配置樁帽，各樁帽之間用碎石回填，并設(shè)置一定厚度的褥墊層，形成帶帽控沉疏樁復(fù)合地基［5］。

1 復(fù)合地基兩種沉降計(jì)算模式

在帶帽控沉疏樁復(fù)合地基的沉降計(jì)算中，可采用復(fù)合地基模式和樁帽間土體模式等兩種沉降計(jì)算模式。

1.1 復(fù)合地基模式

帶帽剛性樁復(fù)合地基的沉降量應(yīng)該等于墊層壓縮量、復(fù)合樁體壓縮量與下臥層土體壓縮量三者之和。其中，在路堤設(shè)計(jì)荷載作用下，墊層壓縮量一般不到1 cm，可采用彈性計(jì)算方法。由于樁體剛度太大，復(fù)合樁體壓縮量可以忽略不計(jì)，故只需求解下臥層土體壓縮變形量，對(duì)這個(gè)問題已有眾多學(xué)者進(jìn)行了研究和探討。比較適用的求解方法是把作用于樁帽頂?shù)暮奢d看成是直接作用于樁頂位置(忽略樁帽下土體承載作用，計(jì)算結(jié)果偏安全)，樁頂荷載對(duì)地基土產(chǎn)生的作用力可以看成是樁端集中力、樁側(cè)均勻分布力和樁側(cè)隨深度線性增長(zhǎng)的分布力三種荷載的疊加。Geddes根據(jù)彈性理論半無限體中作用有一豎向集中力時(shí)的Mindlin解的積分，導(dǎo)出了上述三種形式作用力在地基中產(chǎn)生附加應(yīng)力的計(jì)算公式，計(jì)算過程繁冗，可參考文獻(xiàn)［8］。

1.2 樁帽間土體模式

帶帽控沉疏樁復(fù)合地基的沉降量等于墊層的壓縮量與樁帽間土體的壓縮量之和，其中，墊層壓縮量計(jì)算同上。根據(jù)試驗(yàn)成果及數(shù)值分析，樁帽間土體在其所分擔(dān)的荷載作用下，只在一定深度內(nèi)產(chǎn)生了附加應(yīng)力，也就是說，對(duì)樁帽間土體而言，荷載作用下土體中產(chǎn)生附加應(yīng)力的區(qū)域有一定的影響深度，該影響深度一般小于樁長(zhǎng)［5］。影響深度的選取一般可取為樁長(zhǎng)(或進(jìn)行試樁反分析綜合確定)，工程中如此處理，結(jié)果偏于安全?？紤]到樁體的圍箍作用，樁帽間土體的沉降可近似看作只發(fā)生豎向位移，只要確定了作用于樁帽間土體表面上荷載，即可采用太沙基一維固結(jié)理論和單向分層總和法進(jìn)行固結(jié)度和沉降計(jì)算。采用這種沉降計(jì)算模式，方法簡(jiǎn)單，易于被工程技術(shù)人員所掌握，而且，根據(jù)文獻(xiàn)［9］可以確定出樁帽間土體表面所分擔(dān)的荷載。

另外，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值分析可知，在路堤荷載作用下，復(fù)合樁體沉降量與樁帽間土體沉降量一般不相等，復(fù)合樁體產(chǎn)生了上刺入現(xiàn)象，以致樁帽間土體的沉降量大于復(fù)合樁體的沉降量，因此，采用樁帽間土體的沉降量作為帶帽控沉疏樁復(fù)合地基的沉降量，這樣處理將使工程安全可靠度提高。從另一角度看，新建高速公路工后沉降量橋頭控制標(biāo)準(zhǔn)一般為3 cm［3］，因此，只要把樁帽間土體的沉降量控制在工后沉降量要求的范圍內(nèi)，就可有效防止橋頭跳車現(xiàn)象，滿足高速公路正常營(yíng)運(yùn)要求。

2 復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)

帶帽PTC型控沉疏樁復(fù)合地基按控制承載力進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，根據(jù)初步設(shè)計(jì)結(jié)果，再按控制樁帽間土體沉降量在工后沉降量標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

控沉疏樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)有兩層含義，除控制復(fù)合地基沉降量的一般含義外，更主要是指控制樁帽間土體的沉降量，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使樁帽間土體的沉降量控制在高速公路工后沉降量的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。對(duì)于帶帽控沉疏樁復(fù)合地基，本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路主要是采取適當(dāng)措施，控制樁帽間土體沉降量在高速公路橋頭工后沉降量控制標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)。通常可采取兩種處理措施:一是通過調(diào)整樁體中心距和樁帽尺寸來調(diào)節(jié)樁帽間土體分擔(dān)的荷載，以達(dá)到控制樁帽間土體沉降量的目的，滿足高速公路工后沉降量的橋頭控制標(biāo)準(zhǔn);二是在路基填土過程中，通過延長(zhǎng)預(yù)壓時(shí)間或進(jìn)行超載預(yù)壓處理，使之滿足工后沉降量的橋頭控制標(biāo)準(zhǔn)。因此，把樁帽間土體的沉降量作為帶帽控沉疏樁復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要控制因素，即可按控制樁帽間土體的沉降量不超過高速公路軟基工后沉降量橋頭控制標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行帶帽控沉疏樁復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)。新建高速公路一般有一定的預(yù)壓期，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分利用預(yù)壓期的特點(diǎn)，在滿足工后沉降量和工期的情況下，可適當(dāng)增大樁體中心間距，節(jié)省樁數(shù)，以求處理效果更好。具體優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路如圖1所示。

1)進(jìn)行帶帽PTC型控沉疏樁復(fù)合地基初步設(shè)計(jì)時(shí)，樁體中心間距和樁帽尺寸是最為重要的兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，其余各參數(shù)都可通過地質(zhì)條件、規(guī)程規(guī)范或者通過上述兩參數(shù)按擴(kuò)散角的要求來確定和調(diào)整，因此，把樁體中心間距和樁帽尺寸兩個(gè)參數(shù)作為帶帽控沉疏樁復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要對(duì)象。

2)若圖1中判斷條件滿足高速公路工后沉降量的要求，可以選擇“是”、“否”要進(jìn)行樁體中心間距和樁帽尺寸的優(yōu)化。選擇“是”，則通過適當(dāng)增大樁體中心間距和縮小樁帽尺寸，返回重新計(jì)算，以適量增加樁帽間土體的沉降量并控制在橋頭工后沉降量控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，從而達(dá)到減少樁數(shù)、節(jié)約工程造價(jià)的目的;選擇“否”，則直接輸出計(jì)算結(jié)果(包括帶帽控沉疏樁復(fù)合地基總沉降量、各級(jí)荷載下沉降增量、樁體中心間距、樁帽尺寸等內(nèi)容)。

圖1 控制樁帽間土體沉降量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)流程

3)若圖1中判斷條件不滿足高速公路工后沉降量橋頭控制標(biāo)準(zhǔn)的要求，則要選擇適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?。程序中有兩種處理措施可選擇，一是選擇減小樁體中心間距或增大樁帽尺寸，返回重新計(jì)算，直到樁帽間土體的沉降量差值滿足工后沉降量橋頭控制標(biāo)準(zhǔn)的要求為止;二是選擇延長(zhǎng)預(yù)壓時(shí)間或進(jìn)行超載預(yù)壓等預(yù)壓措施，同樣可達(dá)到減小樁帽間土體沉降量的目的。兩種處理措施也可以綜合使用。在工期較寬松的情況下，可以采用增大樁體中心間距、延長(zhǎng)預(yù)壓時(shí)間，節(jié)省樁數(shù)，以降低工程造價(jià);在工期較緊張的情形下，可以采用減小樁體中心間距或增大樁帽尺寸或超載預(yù)壓的措施，達(dá)到縮短工期、減小樁帽間土體沉降量的目的。

4)由圖1還可知，帶帽樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)的核心是復(fù)合樁土應(yīng)力比的確定。只有確定了復(fù)合樁土應(yīng)力比，才能確定作用在樁帽間土體表面上的荷載。

3 工程實(shí)踐

3.1 土層地質(zhì)參數(shù)

各土層的地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

3.2 初步擬定設(shè)計(jì)參數(shù)

樁長(zhǎng)Lp=29 m，樁徑Dp=0.4 m，樁體中心間距B1=3.0 m，樁帽尺寸 B2=1.5 m，灰土墊層厚度 hc=1.5 m。

表1 各層土的物理力學(xué)指標(biāo)

表2 帶帽控沉疏樁復(fù)合地基按不同復(fù)合樁土應(yīng)力比固結(jié)計(jì)算結(jié)果(B1=3.0 m)

3.3 按不同復(fù)合樁土應(yīng)力比n固結(jié)計(jì)算

對(duì)試驗(yàn)段帶帽控沉疏樁復(fù)合地基按不同復(fù)合樁土應(yīng)力比進(jìn)行固結(jié)沉降計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)值作比較，如表2所示。其中，樁土應(yīng)力比n=91為采用文獻(xiàn)［9］的計(jì)算數(shù)值，其余三個(gè)數(shù)值(樁土應(yīng)力比n=25、50、70)則是為作比較而選用的數(shù)值。由表2可以看出，四種計(jì)算結(jié)果均可反映出地基發(fā)生固結(jié)沉降變形的一般規(guī)律。當(dāng)n=25時(shí)，采用一維固結(jié)理論、單向分層總和法的固結(jié)沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較接近，隨著復(fù)合樁土應(yīng)力比的增大，固結(jié)沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差越來越大。分析產(chǎn)生該情況的原因，可能有以下幾方面:一是文獻(xiàn)［9］建立的復(fù)合樁土應(yīng)力比計(jì)算公式，模型上是把帶帽剛性樁和樁帽下的土體看成是復(fù)合樁體，理論上忽略了樁帽下土體的承載作用，實(shí)際樁帽下土體還有一定的承載作用，使得復(fù)合樁土應(yīng)力比的計(jì)算偏大，樁帽間土體承載的荷載偏小，總沉降和固結(jié)沉降偏小，故應(yīng)對(duì)復(fù)合樁土應(yīng)力比計(jì)算值進(jìn)行修正。將原型觀測(cè)值與各復(fù)合樁土應(yīng)力比固結(jié)沉降計(jì)算值進(jìn)行比較，確定比較合適的復(fù)合樁土應(yīng)力比值，所要的修正系數(shù)為復(fù)合樁土應(yīng)力比計(jì)算值與按上述方法確定的復(fù)合樁土應(yīng)力比值的比值，本例修正系數(shù)為3.64。二是考慮到土體參數(shù)的復(fù)雜性，按照土力學(xué)中常用方法，可在計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間選取一個(gè)比較合適的加權(quán)系數(shù)，對(duì)于復(fù)合樁土應(yīng)力比n=91的情況，加權(quán)系數(shù)為4.87。綜合上述兩方面因素，確定復(fù)合樁土應(yīng)力比修正系數(shù)為4.26，由此可預(yù)測(cè)帶帽控沉疏樁復(fù)合地基的總沉降為6.69 cm。

3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)上述優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路，考慮到問題的復(fù)雜性，本文只對(duì)增大或減小樁體中心間距和選擇不同的預(yù)壓時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化，其結(jié)果如表3所示。路堤全荷載作用下，天然地基總沉降量為78.4 cm。由表3可以看出，采用帶帽PTC型控沉疏樁復(fù)合地基處理技術(shù)，當(dāng)樁體中心間距為4.5 m時(shí)，路基總沉降才33.4 cm，比天然地基的總沉降量要小得多，說明帶帽控沉疏樁復(fù)合地基可以有效控制地基沉降量，并減小路基總沉降量。隨著樁體中心間距的增大，樁帽間土體的總沉降量隨之增大，須采用相應(yīng)的預(yù)壓措施才能滿足高速公路工后沉降量的控制標(biāo)準(zhǔn)，而且，樁體中心間距越大，需要的預(yù)壓時(shí)間越長(zhǎng)，在工期相對(duì)緊張的情況下，一般是不允許的。但這說明，在工期相對(duì)緊張的情況下，可以采用縮小樁體中心間距或增大樁帽尺寸的措施，達(dá)到控制路基工后沉降量在其允許的范圍內(nèi)的目的。同時(shí)也說明了，帶帽控沉疏樁復(fù)合地基技術(shù)配合預(yù)壓措施，可以有效控制路基的工后沉降量。在控制樁帽間土體沉降量滿足工后沉降量橋頭控制標(biāo)準(zhǔn)的條件下，通過對(duì)表3優(yōu)化結(jié)果、工期、工程造價(jià)等各方面因素綜合考慮，建議采用3.5 m的樁體中心間距，其它尺寸可按照原設(shè)計(jì)參數(shù)，能獲得更好工程造價(jià)，并可為類似工程提供參考價(jià)值。

表3 帶帽剛性樁復(fù)合地基優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

1)以控制樁帽間土體沉降量在工后沉降量標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)為目標(biāo)，通過采取調(diào)整樁體中心間距或樁帽尺寸等措施，以改變復(fù)合樁土應(yīng)力比并配合預(yù)壓措施來進(jìn)行帶帽控沉疏樁復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2)在樁帽間土體沉降量滿足工后沉降量控制標(biāo)準(zhǔn)的情況下，采取增大樁體中心間距或減小樁帽尺寸并配合延長(zhǎng)預(yù)壓時(shí)間，節(jié)省樁數(shù)，以達(dá)到降低工程造價(jià)的目的。

3)在樁帽間土體沉降量不滿足工后沉降量控制標(biāo)準(zhǔn)的情況下，有兩種措施可供選擇:一是在工期寬松的情形下，可采取延長(zhǎng)預(yù)壓時(shí)間或進(jìn)行超載預(yù)壓的措施;二是在工期較緊張的情形下，可采取減小樁體中心間距或增大樁帽尺寸的措施。兩種處理措施均可達(dá)到降低樁帽間土體沉降量的目的，第一種處理措施是以工期寬松為前提，而第二種處理措施是以提高工程造價(jià)、追求工期為代價(jià)，工程中究竟采用哪一種，應(yīng)視工程造價(jià)、工程施工期限等因素綜合確定。

4)通過工程實(shí)例，采取調(diào)整樁體中心間距或樁帽尺寸，并配合預(yù)壓措施，可達(dá)到控制樁帽間土體沉降量在高速公路工后沉降量橋頭控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的目的，說明本文所提倡的帶帽控沉疏樁復(fù)合地基進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路和方法是可行的，具有先進(jìn)性，可為類似工程提供參考。

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