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      預(yù)應(yīng)力管樁處理軟土地基效果分析

      2017-12-19 07:28:06張強(qiáng)王鑫
      城市道橋與防洪 2017年11期
      關(guān)鍵詞:樁帽管樁樁體

      張強(qiáng),王鑫

      (1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院,天津市300051;2.天津津質(zhì)工程技術(shù)咨詢有限公司,天津市300401)

      預(yù)應(yīng)力管樁處理軟土地基效果分析

      張強(qiáng)1,王鑫2

      (1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院,天津市300051;2.天津津質(zhì)工程技術(shù)咨詢有限公司,天津市300401)

      結(jié)合某高速公路改擴(kuò)建工程,借助有限元分析方法,對預(yù)應(yīng)力管樁在不同樁帽、樁長、樁間距、墊層剛度時(shí)的路基沉降進(jìn)行計(jì)算,研究預(yù)應(yīng)力管樁在不同情況下處理軟土地基的效果,為軟土地基處理設(shè)計(jì)施工提供參考。

      預(yù)應(yīng)力管樁;有限元;軟基處理效果;路基沉降

      0 引言

      隨著地基處理技術(shù)的發(fā)展,復(fù)合地基技術(shù)在處理高等級公路深厚軟土地基中的應(yīng)用越來越多。大量工程實(shí)踐證明,預(yù)應(yīng)力PTC管樁具有承載力高,穿透能力強(qiáng),耐久性好,適應(yīng)性強(qiáng),施工工期短等優(yōu)點(diǎn)[1,2]。目前該樁型已在國內(nèi)沿海地區(qū)普遍推廣應(yīng)用,在許多地區(qū)正取代各種傳統(tǒng)樁型而成為主導(dǎo)樁型。預(yù)應(yīng)力管樁屬剛性樁,與樁周圍土體一起組成復(fù)合地基,其剛度較土體大得多,容易造成樁體刺入路堤,引起路堤表面沉降不均勻,實(shí)際工程中通常在樁頂配置樁帽,增大樁體與墊層的接觸面積來解決工程問題[3,4],但目前PTC管樁復(fù)合地基處理方法的理論研究尚在發(fā)展中,對于樁身、樁間距、墊層等設(shè)計(jì)參數(shù)沒有系統(tǒng)研究,因此,有必要對PTC管樁復(fù)合地基處理的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析,為PTC管樁復(fù)合地基處理提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

      本文結(jié)合某高速公路改擴(kuò)建工程,通過有限元計(jì)算,分析了不同樁身參數(shù),樁間距、墊層對預(yù)應(yīng)力管樁處理軟土地基的效果影響,為預(yù)應(yīng)力管樁的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

      1 管樁處理總體效果分析

      某高速公路軟土地基厚度為6 m,上覆3.0 m的硬殼層,路基高度為6 m,各土層參數(shù)見表1。采用修正的劍橋模型,圖1、圖2分別為處理前后的有限元離散圖。圖2采用管樁處理,管樁上不設(shè)樁帽,樁間距為3.5 m,樁長為9 m,打穿軟土層。天然地基與管樁處理后的地基沉降見圖3。

      表1 地基和路堤的土層參數(shù)

      圖1 天然地基離散圖

      圖2 管樁處理有限元圖

      從圖3可以看出,盡管管樁間距較大,不設(shè)樁帽,也能明顯減小地基的沉降量,路中心的最大沉降量從處理前的78 cm減少到32 cm。但由于管樁的間距較大,造成了管樁樁體與樁間土體明顯的沉降差,即引起了明顯的樁體刺入現(xiàn)象,且由于路中荷載越大,越靠路中心其上刺現(xiàn)象也更加明顯。由于管樁樁體具有較高的承載力,一般采用減少管樁的樁間距或在樁頂設(shè)置樁帽的方法減少樁體的刺入現(xiàn)象。

      圖3 天然地基與管樁處理后的沉降量對比

      2 樁帽大小的影響

      為研究不同樁帽大小對減少管樁的上刺變形,提高管樁的單樁承載力的有利程度,模擬計(jì)算了管樁間距為3.5 m時(shí),樁帽大小分別為無樁帽、1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m及樁帽大小為2.0 m×2.0 m的地表沉降,見圖4。

      圖4 不同樁帽尺寸的地基沉降量

      從圖4可以看出,與無樁帽相比,設(shè)置了樁帽后,在路中荷載較大的部位,地基的沉降量明顯減少,特別是樁的上刺現(xiàn)象,隨著樁帽尺寸的增加,上刺的量明顯減少,且當(dāng)樁帽的沉降量增加后,樁帽以下土體與管樁組成復(fù)合地基,承擔(dān)了更多的荷載,所以下臥層的沉降量也明顯減小,不同樁帽尺寸下臥層的沉降量見圖5。另外,從圖5看出,在路肩荷載較小的段落,設(shè)置了樁帽的地基其沉降量反而大于未設(shè)置樁帽或樁帽尺寸較小的地基,且樁帽較小的地基其下臥層的沉降量也較小,說明管樁處治的地基,在加載的過程中,荷載首先向管樁集中,即管樁承擔(dān)了大部分的荷載,隨著荷載的增加,樁間土也逐漸發(fā)揮作用,承擔(dān)一部分的荷載,達(dá)到樁土共同作用。

      圖5 不同樁帽尺寸的下臥層沉降量

      3 管樁樁長的影響

      為研究管樁樁長的影響,取該高速公路典型土層,軟土上部上覆3.0 m的硬殼層,軟土的厚度為15 m。分別計(jì)算樁徑0.5 m,樁間距2.5 m,樁帽大小為1.5 m×1.5 m,樁長分別為9 m、15 m及18 m時(shí)的地基沉降變形情況,見圖6。

      圖6 不同樁長的地基沉降量

      從圖6可以得出,在軟土范圍內(nèi),樁長越長,地基的沉降量也越小,所以對工后沉降量要求嚴(yán)格的拓寬路基,管樁的樁長應(yīng)以打穿軟土為宜,可有效減少地基的總沉降量及工后沉降量。圖7為樁長9 m及15 m時(shí)軟土層15~18 m的壓縮沉降量,在路基填高較高的范圍內(nèi),當(dāng)樁長為15 m時(shí)15~18 m的壓縮量明顯小于樁長為9 m時(shí)的壓縮量,說明隨著樁長的增加,管樁及樁帽以下的樁長范圍內(nèi)土體承擔(dān)了較大的荷載,15~18 m軟土范圍內(nèi)的附加應(yīng)力明顯減小,故有效減少了下臥層的沉降量。但在路肩及邊坡范圍內(nèi)的狀體,由于荷載較小,路基的大部分荷載由管樁的樁體承擔(dān),隨著樁長的增加,大部分荷載傳遞至下臥層,造成下臥層附加應(yīng)力的增加,故當(dāng)樁長較長時(shí),下臥層的沉降量也較大。

      圖7 不同樁長15~18 m軟土的壓縮量

      圖8為樁長15 m時(shí)地下不同深度的樁間土沉降量,可以看出,在管樁處理范圍內(nèi),管樁、樁帽以下的土體及樁帽之間土體的差異沉降量較小,而樁尖以下的土體,由于管樁荷載的傳遞作用,樁間以下土體的沉降量明顯大于樁間土的沉降量。

      圖8 樁長15 m時(shí)樁間土的沉降量

      4 墊層剛度的影響

      為發(fā)揮管樁復(fù)合地基中管樁的成載力較高的特性,協(xié)調(diào)管樁與樁間土之間的變形,一般在樁頂設(shè)置墊層[5]。在高速公路地基處理工程中,墊層一般采用碎石墊層及灰土墊層,碎石墊層一般用在基底的樁頂,而灰土墊層一般用于改擴(kuò)建工程邊坡上的管樁樁頂。為研究墊層剛度對地基沉降量的影響,分別選取墊層剛度為50 MPa、80 MPa、100 MPa及120 MPa計(jì)算管樁樁長為18 m、樁帽的大小1.5 m×1.5 m及樁間距為2.5 m時(shí)地基的沉降量,見圖9。

      從圖9可以看出,隨著墊層彈性模量的增大,在荷載較大的路中位置,地基的總沉降量明顯減小,且樁間土與樁帽間土體的沉降差也有所減小。

      圖9 不同墊層彈性模量的地基沉降量

      5 樁間距的影響

      為研究不同樁間距對地基沉降量及樁間土沉降量的影響,分別計(jì)算管樁直徑為0.4 m、樁帽的大小為1.5 m×1.5 m,樁間距為2.5 m及3.0 m時(shí)的沉降量,軟土的厚度為12.0 m,上覆3.0 m的硬殼層,軟土以下為粉土層。為研究管樁的變形規(guī)律,按樁長9 m計(jì)算地基沉降量。圖10、圖11分別為不同樁間距時(shí)地基沉降量及樁尖下土體沉降量。

      圖10 不同樁間距的地基沉降量

      從圖10可以看出,隨著樁間距的減小,地基的沉降量明顯減小,所以縮小樁間距可有效減少地基的總沉降量。樁間距增大,單樁所承受的荷載增大,樁的沉降也隨之增大。從圖11看出,樁尖下土體的沉降量也隨著樁間距的增大而明顯增大,故對下臥層分布軟土的地基,應(yīng)通過計(jì)算確定合理樁間距。

      6 結(jié)論

      通過有限元模擬計(jì)算,對預(yù)應(yīng)力管樁處理軟土地基的效果進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:

      (1)預(yù)應(yīng)力管樁的使用能夠明顯減小地基的沉降量,但會引起明顯的樁體刺入現(xiàn)象,且越靠路中心上刺現(xiàn)象越明顯。

      圖11 不同樁間距樁尖下土體的沉降量

      (2)預(yù)應(yīng)力管樁設(shè)置了樁帽后,地基的沉降量、樁的上刺變形明顯減小,且隨著樁帽尺寸的增加,上刺的量也明顯減少。

      (3)在軟土范圍內(nèi),樁長越長,地基沉降量越小,所以管樁應(yīng)以打穿軟土為宜,可有效減少地基總沉降量及工后沉降量。

      (4)隨著墊層彈性模量的增加,在荷載較大的路中位置,地基的總沉降量明顯減小,且樁間土與樁帽間土體的沉降差也有所減小。

      (5)縮小樁間距可有效減小地基的總沉降量。樁間距增大,單樁所承受的荷載增大,樁的沉降也隨之增大,樁尖下土體的沉降量也明顯增加。

      [1] 魏曉春.預(yù)應(yīng)力管樁在高速公路改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2010(8):153-155.

      [2] 王煜霞,趙建軍,羅朝專.PTC管樁復(fù)合地基在軟土路基中的應(yīng)用分析[J].勘察科學(xué)技術(shù),2014(S1):94-96.

      [3] 楊海鳴,楊龍才,王炳龍.預(yù)應(yīng)力管樁的施工工藝及處理效果研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2009(1):112-117.

      [4] 雷金波,徐澤中,黃玲,等.帶帽PTC管樁復(fù)合地基荷載傳遞試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2005(S1):232-236.

      [5] 王斌,徐澤中.預(yù)應(yīng)力管樁在高速公路拼接工程軟基處理中的設(shè)計(jì)方法[J].公路,2004(2):84-88.

      U416.1

      B

      1009-7716(2017)11-0185-04

      2017-04-26

      張強(qiáng)(1989-),男,天津人,助理工程師,從事市政工程設(shè)計(jì)工作。

      10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.056

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