南縣至益陽高速公路軟土地基PCC樁處理技術(shù)研究

曹玉龍

(湖南省高速公路集團有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引 言

湖南省南縣至益陽高速公路位于我省北部，我國的洞庭湖平原區(qū)，洞庭湖是我國的第二大淡水湖。隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，近年來開始在洞庭湖平原區(qū)建設高速公路的步伐也逐步加快，但隨之而來也暴露了許多技術(shù)難題，如深軟基處理、湖區(qū)橋頭跳車處理等。結(jié)合工程實體，對湖區(qū)橋頭軟土地基處治進行了探索，并提出了相關(guān)處治建議。

1 工程概況

湖南省南縣至益陽高速公路第六合同段起點位于茅草街鎮(zhèn)樂園村，路線沿南北布線，在K37+450樂園村附近跨越省道S202后，路線偏向西南展布，接澧水勝天特大橋，跨澧水，起訖樁號為K36+681～K40+398.96，全長3 717.96 m。該合同段K37+075.5樂園村1#中橋兩端橋頭覆蓋層厚度大，上部為全新統(tǒng)Q4地層，以粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂紋淤泥質(zhì)土、粉砂、礫砂等為主，其厚度大，承載力低，不能直接作為構(gòu)筑物持力層；覆蓋層下部主要為上更新統(tǒng)Q3地層，主要為中密圓礫層。

2 設計方案合理性分析

樂園村1#中橋橋頭軟土地基施工圖設計方案采用管樁處治，管樁間距2.4 m，樁長15.0 m，矩形布置。管樁作為一種剛性樁，與樁周圍土體一起組成復合地基，樁土共同工作。主要應用于房地產(chǎn)建設、公路建設、鐵路建設、港口碼頭建設、機場建設和水上工程建設等領域。

管樁造價較高，施工樁長不易與地層變化相協(xié)調(diào)，導致截樁浪費較多。樁長超過12 m需要焊接連接，由于采用焊接方式延伸樁長，連接質(zhì)量不易控制。靜壓樁機自重太大，相當笨重，對原狀土的擾動較大，施工路堤的邊角地帶是需加寬碎石墊層的寬度，進出場地時對道路要求較高。若墊層較薄時，樁機將會下陷，同時擠壓成樁，造成成樁的損壞，給成樁保護造成很大的威脅。

3 方案優(yōu)化

據(jù)實地調(diào)查、鉆探揭露及區(qū)域工程建設勘察資料綜合分析，路線走廊帶發(fā)育的特殊性巖土為軟土，主要表現(xiàn)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂紋淤泥質(zhì)土。根據(jù)鉆探及靜力觸探孔資料分析，場地軟弱土層呈軟塑狀為主，具高壓縮性、強度低、透水性差、靈敏度高等特點。

根據(jù)場地的工程地質(zhì)條件及相關(guān)實踐經(jīng)驗，PCC樁(即現(xiàn)澆大直徑薄壁樁)是一種軟土地基處理新技術(shù)，吸收了預應力管樁和振動沉管樁等技術(shù)的優(yōu)點。該管樁樁身強度高，直徑大，有效加固深度可達30 m以上，施工工藝簡單，可操作性強，便于質(zhì)量控制、監(jiān)督，單樁承載力高而造價又相對較低，且在常規(guī)的沉管灌注樁機械的基礎上進行改造，采取振動沉模，自動排土、現(xiàn)場灌注混凝土而成管樁，在施工過程中通過振動、擠壓和排土等作用，可使樁間土進一步密實，與管樁相比處治效果更好，故提出對原有橋臺兩端軟土地基采用PCC樁處治，具體方案如下。

PCC樁混凝土強度為C20，外徑100 cm，壁厚10 cm，間距3.0 m，考慮到下臥硬塑黏土可以作為持力層，因此擬定樁長13.0 m，樁端深入下臥硬塑黏土，樁基呈梅花形布置。

PCC樁施工完畢后，在樁頂上設置40 cm厚砂礫墊層，墊層上鋪設雙向土工格柵，在路基施工到位后，路床頂面實施等載預壓，盡量降低工后沉降。

4 工程地質(zhì)條件

工程場地地處湖區(qū)，軟土層厚，軟土范圍廣，其各地層上基本物理力學特性見表1所示，各土層情況自上而下分述如下。

5 PCC樁復合地基承載力計算

復合地基承載力計算參照《混凝土大直徑管樁復合地基技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 213—2010)、公路路基設計規(guī)范(JTG D30—2015)、《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF10—2006)、《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ 79—2012等相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

表1 K37+075.5樂園村1#中橋橋臺處軟土體巖土參數(shù)表

該斷面路基頂寬度B=26 m，長度L=50 m，路堤填土高度H=7.5 m，填料的平均比重度γ=20 kN/m3。

根據(jù)土層狀況，地基處理方案布置為：設計樁徑Φ=1 000 mm，壁厚100 mm，混凝土強度為C20，采用樁中對中中心間距為3.5 m，樁長13.0 m，正三角形布置。

單樁極限承載力Quk=u∑qsiali+ξpqpaAp=

3.14×1 m×[40 kPa×0.7 m+25 kPa×9.6 m+45 kPa×1.8 m+70 kPa×0.9 m]+0.9×220 kPa×0.785 m2=1 450 kN(考慮清表土厚度為0.4 m)。

其中Ap=3.14×0.52=0.785m2，樁端土為硬塑黏土層ξp取0.9。

fspk=0.074×1 450 kN÷2÷0.785+0.8×(1-0.074)×140 kPa=172 kPa。

車輛動載換算成1 m填土厚度，復合地基上總荷載p=γH=20 kN/m3×8.5 m=170 kPa<172 kPa。

復合地基承載力滿足要求。

6 PCC樁復合地基沉降計算

沉降計算參照《混凝土大直徑管樁復合地基技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 213—2010)、公路路基設計規(guī)范(JTG D30—2015)、《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF10—2006)、《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ 79—2012等相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

表2 PCC樁復合地基沉降計算表

表2中地基下臥層的深度從加固區(qū)底面即下臥層的頂面開始計算，下臥層頂面的自重應力為300 kPa。

S=ΨsS′=0.4×0.3539 m=0.141 m

由計算可知，采用PCC樁對軟土地基處理后，沉降滿足規(guī)范要求。

7 數(shù)值計算分析

計算采用Plaxis程序，它是由荷蘭開發(fā)的大型巖土工程有限元設計計算軟件。Plaxis程序應用性非常強，能夠模擬復雜的工程地質(zhì)條件，尤其適合于變形和穩(wěn)定分析。Plaxis程序能夠計算兩類工程問題，平面應變問題和軸對稱問題；本計算為平面應變問題。

計算斷面取自原地面以下深30 m，影響寬度65 m；路基頂寬度B=26 m，長度L=50 m，路堤填土高度H=7.5 m。PCC樁地基處理方案布置為：設計樁徑1 000 mm，壁厚100 mm，混凝土強度為C20，采用樁中心間距為3.5 m，樁長13.0 m，正三角形布置。

土層參數(shù)詳見地勘報告，計算結(jié)果如圖1、圖2、圖3所示。

通過數(shù)值分析結(jié)果可見，最終沉降量約13.8 cm，與規(guī)范公式計算結(jié)果14.1 cm相比偏差不大，且均滿足沉降變形要求；同時，路堤荷載大部分由樁基承擔，并可較好的傳遞到下臥層， 與理論公式計算的結(jié)果相比吻合性較好。

圖1 沉降變形云圖

圖2 應力變化示意圖

圖3 平均應力云圖

8 結(jié) 論

PCC樁是一種剛性樁地基，PCC樁可全樁發(fā)揮其摩阻力和端阻力，可以有效地提高復合地基的承載力和減小復合地基沉降及工后沉降，較好的滿足規(guī)范要求。PCC樁復合地基的沉降和壓縮變形主要發(fā)生在下臥層和表層樁間土內(nèi)，影響深度淺，深層土壓縮變形小，限制了軟土的側(cè)向變形，防止路基失穩(wěn)，可以大大提高填筑速度，縮短施工周期。故K37+075.5段樂園村1#中橋橋臺兩端軟土地基處理中應用PCC樁技術(shù)是可行的。