預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁在復(fù)合地基設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
——以太原市南中環(huán)-西中環(huán)立交工程為例

黃　威，趙慶鑫

（1.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北武漢 430000；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1　預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁簡(jiǎn)介

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁（以下簡(jiǎn)稱PH C管樁），是采用先張預(yù)應(yīng)力離心成型工藝，并經(jīng)過10個(gè)大氣壓（1.0 MPa左右）、180℃ 左右的蒸汽養(yǎng)護(hù)，制成一種空心圓筒型混疑土預(yù)制構(gòu)件，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長(zhǎng)為10 m，直徑從300～800 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不小于C80。

PH C管樁是采用工廠化、專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，具有樁身質(zhì)量可靠、運(yùn)輸?shù)跹b方便、接樁快捷、機(jī)械化施工程度高、操作簡(jiǎn)單、易控制、施工環(huán)境好等特點(diǎn)。

由于PH C管樁樁身混凝土強(qiáng)度高，可打入密實(shí)的砂層和強(qiáng)風(fēng)化巖層，由于擠壓作用，樁端承載力可比原狀土質(zhì)提高70%～80%，樁側(cè)摩阻力提高20%～40%，單樁承載力較其它同等管徑管樁（如：高壓旋噴樁、水泥攪拌樁、沉管灌注樁等）具有明顯提高。

2　項(xiàng)目概況

2.1　地理位置

太原市中環(huán)線由北中環(huán)、太行路、南中環(huán)和西中環(huán)組成，環(huán)線全長(zhǎng)43.9 km，全線共設(shè)大型互通立交10處。它的建成大大分流濱河?xùn)|西路交通，有效快速疏解過境交通，并解決城市片區(qū)間長(zhǎng)距離機(jī)動(dòng)車出行，緩解城市中心區(qū)域的交通壓力等問題。

太原市南中環(huán)-西中環(huán)立交位于太原市西環(huán)路與南中環(huán)路交匯處，該節(jié)點(diǎn)東接南中環(huán)西街、西連西山過境鐵路、南臨晉陽湖、北貫西中環(huán)，是城市交通流與外圍高速路網(wǎng)車流溝通、轉(zhuǎn)換的重要節(jié)點(diǎn)，見圖1。

圖1　西中環(huán)-南內(nèi)環(huán)立交地理位置圖

2.2　立交總體布置

南中環(huán)-西中環(huán)節(jié)點(diǎn)立交形式為四層T形全互通立交。南中環(huán)工程范圍為K0+607.5～K2+250，主線上跨西中環(huán)、規(guī)劃和平南路、舊晉祠路在千峰南路前約200處與地面輔路相接。西中環(huán)工程范圍為K6+045～K6+537.006，通過定向匝道與南中環(huán)實(shí)現(xiàn)快速互通，見圖2。

該節(jié)點(diǎn)處現(xiàn)狀地勢(shì)較為平坦，西側(cè)略高，北側(cè)略低，地質(zhì)狀況較差。南中環(huán)、西中環(huán)基本按照原規(guī)劃線位走向，考慮晉陽湖風(fēng)景區(qū)景觀性要求，該節(jié)點(diǎn)按照T型互通立交設(shè)計(jì)，不考慮節(jié)點(diǎn)南延快速化處理。

圖2　南中環(huán)-西中環(huán)互通立交實(shí)景圖

立交范圍內(nèi)共有匝道橋4座，東西向主線橋1座，主線橋位于第二層，NE匝道位于第三次，W N匝道位于第四層，4條左轉(zhuǎn)匝道中，NE、W N為迂回定向匝道且均上跨南中環(huán)主線，EN、NE為右轉(zhuǎn)定向匝。

南中環(huán)-西中環(huán)立交場(chǎng)地為該市范圍內(nèi)罕見的流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，地下水位高，施工機(jī)械作業(yè)困難，因此地基處理方案成為決定工程成敗的關(guān)鍵。

3　PHC管樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)方法及施工要點(diǎn)

3.1　地質(zhì)情況介紹

南中環(huán)-西中環(huán)立交場(chǎng)地各巖土層的空間分布及其主要特體可分為7層，自上而下為：

1層：雜填土。磚塊、粗砂、碎石等建筑垃圾。

2層：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。該層由粉土含有少量砂礫石。

3層：黏土。?；齑罅可靶再|(zhì)黏土，局部常變相為粉質(zhì)粘土。局部地段揭示有圓礫亞層。

4層：粉土。主要以粗砂為主，混大量礫砂、圓礫，濕、中密、中壓縮性。

5層：粗砂。從地面往下約25 m左右處。

6、7層：均為粉土，性質(zhì)同4層粉土。

南中環(huán)-西中環(huán)立交工程地質(zhì)縱斷面分布見圖3。

圖3　南中環(huán)-西中環(huán)立交工程地質(zhì)縱斷面分布圖

南中環(huán)-西中環(huán)立交場(chǎng)地地質(zhì)情況總體可歸納為：

（1）地下水位高

實(shí)測(cè)穩(wěn)定水位位于自然地表下1.50～3.30 m之間（相應(yīng)標(biāo)高781.22～784.06 m），地下水類型為潛水。

在局部地段，道路設(shè)計(jì)標(biāo)高與地下水位標(biāo)高高差僅為1 m左右，若不做適當(dāng)處理，地下水將影響路基穩(wěn)定性。

（2）水腐蝕性強(qiáng)

本工程所經(jīng)太化廠區(qū)一段區(qū)域，路段地下水SO42-與CL-含量明顯增大、PH值明顯減小。在干濕交替條件下，地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具強(qiáng)腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具強(qiáng)腐蝕性；在長(zhǎng)期浸水條件下，地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具強(qiáng)腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。

（3）地基承載力低

根據(jù)施工單位實(shí)地勘測(cè)，地表0～0.8 m為建筑垃圾硬殼，承載力約120 kPa；0.8～12 m為流塑淤泥層，受震動(dòng)液化，承載力不足40 kPa，大型機(jī)械施工作業(yè)困難，易塌陷。

3.2　設(shè)計(jì)方法介紹

結(jié)合本工程實(shí)際情況，本工程采用外徑400 mm、壁厚95 mm、長(zhǎng)度為15 m的A型預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁（PH C 500 A 95-15），同時(shí)應(yīng)在化工廠內(nèi)酸性土層范圍內(nèi)（NZH K0+600～NZH K1+1 000）對(duì)所有的管樁采用抗硫酸水泥。當(dāng)需要進(jìn)行焊樁作業(yè)時(shí)，采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接，確保樁頭應(yīng)位于無氧層內(nèi)，并對(duì)接頭處涂刷防銹漆。

PH C管樁采用正方形布樁，樁距2.5 m，見圖4。在一般路段，管樁應(yīng)穿透淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，樁長(zhǎng)擬定為15 m，在局部粘土層較深的路段，施工單位可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)增加樁長(zhǎng)。PH C管樁一般路基處理橫斷面見圖5。

圖4　PHC管樁平面布置圖（單位：m）

對(duì)于路床頂面高程與原地面高程之差不小于1.3 m的填方路基，PH C管樁的樁帽頂標(biāo)高為清表回填后的原地面標(biāo)高；對(duì)于路床頂面高程與原地面高程之差小于1.3 m的填方路基或挖方路基，PH C管樁的樁帽頂標(biāo)高為路床底面以下50 cm。PH C管樁樁帽頂應(yīng)設(shè)置50 cm厚級(jí)配良好的碎石墊層，內(nèi)設(shè)一層鋼塑格柵，碎石墊層鋪設(shè)完畢并充分壓實(shí)后再分層回填路基填料，見圖6。

圖5　PHC管樁一般路基處理橫斷面圖

圖6　PHC管樁樁帽構(gòu)造配筋圖（單位：cm）

3.3　管樁選用基本要求

管樁采用PH C400（95）管樁，即樁外徑40 cm，壁厚9.5 cm。

樁帽尺寸為1 000 mm×1 000 mm×350 mm，混凝土標(biāo)號(hào)C30。

PH C管樁在工廠批量預(yù)制，按設(shè)計(jì)要求采用樁徑0.4 m，壁厚9.5 cm。PH C樁的規(guī)格、質(zhì)量必須符合設(shè)計(jì)要求和施工規(guī)范的規(guī)定，應(yīng)經(jīng)指定的檢驗(yàn)部門的檢驗(yàn)，且附有出廠合格證及試驗(yàn)、檢驗(yàn)報(bào)告。

為了防止打入時(shí)出現(xiàn)斷樁，樁體強(qiáng)度等級(jí)為C60。為了滿足不同樁長(zhǎng)的需要分別以12 m、9 m、6 m等不同規(guī)格長(zhǎng)度配制節(jié)長(zhǎng)，樁節(jié)之間電焊駁接，使用的焊條標(biāo)號(hào)、性能必須符合設(shè)計(jì)要求和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并有出廠合格證明。

3.4　施工要點(diǎn)介紹

采用錘擊法施工，錘重5 t，施工工藝流程為：整平場(chǎng)地→確定打樁順序→樁機(jī)就位→插樁→錘重→接樁→送樁→收錘→做好打樁記錄。

施工要點(diǎn)主要為：

（1）為避免出現(xiàn)土拱現(xiàn)象和產(chǎn)生超孔壓，采用如下施工順序：橋頭到路基、中線到兩側(cè)。

（2）樁機(jī)就位后應(yīng)對(duì)管樁逐根檢查，檢查有無嚴(yán)重質(zhì)量問題，對(duì)管樁兩端應(yīng)清理干凈，施焊面上有油漆物污染時(shí)，應(yīng)清刷干凈。

（3）為保證插樁位置方向正確，第一節(jié)管樁插入地面時(shí)的垂直偏差不得超過0.5%，樁錘、樁帽或送樁器應(yīng)與樁身在同一中心線上。

（4）沉樁過程中應(yīng)經(jīng)常觀測(cè)樁身的垂直度，若樁身垂直度超過1%時(shí)，應(yīng)找出原因并設(shè)法糾正；當(dāng)樁尖進(jìn)入較硬土層后，嚴(yán)禁用移動(dòng)樁架等強(qiáng)行回扳的方法糾偏。

（5）初打時(shí)可能下沉量較大，宜采取低提錘，輕打下，隨著沉樁加深，沉速減慢，起錘高度可漸增。

（6）每一根樁應(yīng)一次性連續(xù)打到底，接樁、送樁應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，盡量減少中間停歇時(shí)間。

（7）沉樁過程中，出現(xiàn)貫入度反常、樁身傾斜、位移、樁身或樁頂破損等異常情況時(shí)，應(yīng)停止沉樁，待查明原因并進(jìn)行必要的處理后，方可繼續(xù)進(jìn)行施工。

（8）下節(jié)樁的樁頭處宜設(shè)導(dǎo)向箍，以便于上節(jié)樁就位，接樁時(shí)上下節(jié)樁段應(yīng)保持對(duì)直，錯(cuò)位偏差不宜大于2 mm。

（9）采用焊接連接時(shí)，焊接前應(yīng)先確認(rèn)管樁接頭是否合格，上下端板表面應(yīng)用鐵刷子等清理干凈，坡口處應(yīng)刷至露出金屬光澤，并清楚油污和鐵銹。

（10）焊接可采用二氧化碳保護(hù)焊，焊接層數(shù)宜為三層，內(nèi)層焊渣必須清理干凈后方可施焊外一層，焊縫應(yīng)飽滿、連續(xù)，且根部必須焊透。

（11）焊接接頭應(yīng)在自然冷卻后才可繼續(xù)沉樁，冷卻時(shí)間不宜少于8 min，嚴(yán)禁用水冷卻或焊好后立即沉樁。

（12）為將管樁打到設(shè)計(jì)標(biāo)高，需要采用送樁器，送樁器采用鋼板制作，長(zhǎng)4 m。設(shè)計(jì)送樁器的原則是打入阻力不能太大，容易拔出，能將沖擊力有效傳到樁上，并能重復(fù)使用。

4　結(jié)論

南中環(huán)-西中環(huán)互通立交是太原市中環(huán)線上的重要節(jié)點(diǎn)，在本工程工期較短、地質(zhì)情況差的條件下，地基處理方案成為決定工程成敗的關(guān)鍵。

采用PH C管樁地基處理方發(fā)，充分利用其工廠大批量預(yù)制、機(jī)械化施工、單樁承載力高等特點(diǎn)，保證了項(xiàng)目的順利推進(jìn)，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，采用該處理方法，復(fù)合地基承載力不低于125 kPa。

目前，南中環(huán)-西中環(huán)互通立交已建成通車，從實(shí)施效果來看，整體效果良好，無明顯裂縫、坑槽、車轍、沉陷、橋頭跳車等路面病害，現(xiàn)實(shí)證明PH C管樁在本工程中的應(yīng)用是成功的。