预应力混凝土桩联合搅拌桩处理高速公路软土地基技术.docx

预应力混凝土桩联合搅拌桩处理高速公路软土地基技术.docx

《预应力混凝土桩联合搅拌桩处理高速公路软土地基技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《预应力混凝土桩联合搅拌桩处理高速公路软土地基技术.docx（10页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

预应力混凝土桩联合搅拌桩处理高速公路软土地基技术

１前言

近年来，预应力管桩因施工方法较简单、施工速度较快、污染较小、造价相对桩基较经济等原因，被广泛地运用到工业民用建筑的桩基设计当中，但作为疏桩方案的复合地基新技术应用于高速公路软基处理在国内才刚刚兴起，

预应力管桩复合地基用于处理高速公路软基路段时，管桩与桩间土能共同分担上部荷载，能有效地提高路基的承载力、

减少总沉降量、降低工后沉降、防止桥头“跳车”等问题。

但若对软土地区预应力管桩的应用条件认识不清，对使用方法掌握不当，也容易出现预应力管桩的偏位、倾斜甚至断裂等各类施工质量问题。

２预应力管桩复合地基设计

２．１预应力混凝土管桩的特点

（１）节能、环保且桩身质量好。

由于桩是工厂化制造，其生产已经工业化、程序化，材料经过严格筛选，管桩经过离心成型及高温养护，制造工艺先进，质量检验完善，是现场制作的其他桩型所不具备的。

（２）沉桩施工工艺简单，质量易控制，施工进度快。

管桩运输吊桩方便，接桩快捷，可根据不同配桩控制桩长以适应不同地质情况，同时成桩后不要养护时间，可大大缩短施工工期。

（３）与其他软土地基处理方法相比，单桩承载力高，处理深度大。

（４）在高速公路软土地基处理中应用，工程安全风险小，工后沉降控制有效。

２．２预应力管桩复合地基的经济性分析

目前，软土地基处理的方法很多，其中采用复合地基进行软土地基处理的主要方法有：

柔性桩法（水泥土桩、石灰土桩、二灰土桩等）、散体粒料桩法（沉管碎、砂石桩，振冲碎、砂石桩）、低强度混凝土桩法（ＣＦＧ桩、素混凝土桩）及高强度预应力管桩法。

每一种方法都有它的适用范围，都有其优越性，也有其局限性，在满足地基处理工程质量的前提下，影响工程造价的因素主要有：

桩材、桩长、桩的密度。

预应力管桩疏桩方案的复合地基是刚性摩擦桩复合地基，由于路基为柔性基础，而预应力管桩为一刚性桩，为了控制刚性桩“上刺”入路堤的量值.

设计中在预［４］ 尉希成，

周美玲．支档结构设计手册［Ｍ］．４版．北京：

中国建筑工业出版社，２００４．

［５］李海光，等．新型支挡结构设计与工程实例［Ｍ］．北京：

人民交通出版社，２００４．

［６］姜健，罗战友，汤捷．建筑用砂混合轻量土制备技术及正交试验研究［Ｊ］．中外公路，２０１０（２）．

应力管桩顶部设置了桩帽，在桩帽的顶部设置了褥垫层，以便于路基荷载的应力扩散，同时利用大桩距（疏桩方案）与垫层作用调整桩、土荷载分担比，最大程度地将“桩”和“土”的作用予以发挥，来提高地基处理效果。

由于预应力管桩疏桩方案的复合地基承载力及路基的沉降计算尚无行业标准，工程中关心的是桩间距和桩帽大小的选择问题。

桩间距过大，桩帽过小，桩间土承受荷载太大，桩顶和桩间土差异沉降超出允许范围，路堤顶面会起伏不平，影响正常使用；反之，桩间距过小，采用桩基计算理论，则工程费用过高，达不到应有的经济效果。

武汉某高速公路途径湖塘地区，其下覆淤泥及淤泥质土分布有上下两层，埋深２０ｍ左右，软土的强度低、透水性差、压缩性大、灵敏度高、变形稳定时间长，设计中为达到优化、验证、完善软基设计、指导施工、提高工程质量、

降低工程造价、节约运营维修费用之目的，对该项目进行了软基处理专题研究试验工作。

设计中在满足设计要求的条件下，从桩土共同工作控制沉降量的原理出发，对预应力管桩疏桩方案与ＣＦＧ桩、水泥搅拌桩复合地基进行造价比较，其中管桩桩间距采用３．０ｍ，正方形排列，桩径０．４０ｍ，壁厚７０ｍｍ，桩帽大小为１．４ｍ×１．４ｍ×０．３５ｍ；ＣＦＧ桩桩径０．４０ｍ，梅花形布桩。

水泥搅拌桩桩径０．５０ｍ，梅花形布桩。

表１为３种方案的造价分析检验结果。

表１ ３种类型桩造价对比分析

桩长／ｍ管桩／（元·ｍ－２）

桩距Ｌ＝３．０ｍ

桩距Ｌ＝１．８ｍ

ＣＦＧ桩／（元·ｍ－２）桩距Ｌ＝１．５ｍ

桩距Ｌ＝１．８ｍ

水泥搅拌桩／（元·ｍ－２）桩距Ｌ＝１．３ｍ

桩距Ｌ＝１．２ｍ

８．０ ２４５ １７０ ２１９ １９２ ２４２ ２７６９．０ ２５７ １８５ ２４０ ２１０ ２６６ ３０４１０．０ ２６９ ２００ ２６１ ２２７ ２９０ ３３２１１．０ ２８０ ２１４ ２８２ ２４５ ３１４ ３６０１２．０ ２９２ ２２９ ３０３ ２６２ ３３８ ３８８１３．０ ３０４ ２４４ ３２４ ２８０ ３６１ ４１６１４．０ ３１５ ２５９ ３４５ ２９７ ３８５ ４４４１５．０ ３２７ ２７３ ３６６ ３１５ ４０９ ４７２１６．０ ３３９ ２８８ ３８７ ３３２ ４３３ ５００１７．０ ３５０ ３０３ ４０７ ３５０ ４５７ ５２８１８．０ ３６２ ３１８ ４２８ ３６７ ４８０ ５５６１９．０ ３７４ ３３２ ４４９ ３８５ ５０４ ５８４２０．０ ３８５ ３４７ ４７０ ４０２ ５２８ ６１２２１．０ ３９７ ３６２ ４９１－－－２２．０ ４０９ ３７７ ５１２－－－２３．０ ４２０ ３９１ ５３３－－－２４．０ ４３２ ４０６ ５５４－－－２５．０ ４４４ ４２１ ５７５－－－２６．０ ４５５ ４３６ ５９６－－－２７．０ ４６７ ４５１ ６１７－－－２８．０ ４７９ ４６５ ６３７－－－２９．０ ４９０ ４８０ ６５８－－－３０．０ 

５０２ 

４９５ 

６７９

从表１可以看出，３种桩型随处理深度的变化造价呈不同幅度增长，其中管桩疏桩方案增幅最小，ＣＦＧ桩增幅次之，水泥搅拌桩增幅最大，当处理深度达到２０ｍ以上时，管桩疏桩方案较ＣＦＧ桩、

水泥搅拌桩不仅在技术上因其桩身质量可靠，

克服了水泥搅拌桩在大深度条件下的质量不稳定，施工困难等缺点；同时也克服了ＣＦＧ桩成桩缩颈等质量问题，其工程造价也因其疏桩方案而经济性优势愈发明显。

２．３预应力管桩复合地基设计主要内容及工程实例  预应力管桩复合地基设计，

主要是通过调整桩体中心间距来改变复合地基的置换率，通过调整桩帽尺寸，

来改变桩体及桩间土体所承担荷载的大小及桩土应力比，从而使复合地基的稳定及沉降满足公路规范的相关要求，其设计内容主要有：

１）预应力管桩桩型的选择及其布桩方式的选择；２）桩间距、桩帽尺寸的选择；３）桩长的确定；４）垫层材料的选择及厚度的确定；５）复合地基稳定及沉降量计算。

由于预应力管桩复合地基用于处理高速公路软基路段时，

可改善复合地基的整体工作性能，提高复合地基的承载力，增加土基稳定性，提高地基处理效果，达到经济合理优化设计的目的。

武汉某高速公路处理深厚（深度大于２０ｍ）软基路段时，通过对预应力管桩疏桩方案与ＣＦＧ桩、水泥搅拌桩复合地基进行经济技术比较，最终推荐采用了预应力管桩复合地基设计方案，该方案选用４０ｃｍ，厚７ｃｍ的预应力管桩，

根据不同的工况条件与地层组合，经过计算，桩间距分别采用３００ｃｍ和２５０ｃｍ，桩帽尺寸采用１４０ｃｍ×１４０ｃｍ×３５ｃｍ，单桩顶部设桩帽及８０ｃｍ碎石垫层，复合地基中管桩的桩土应力比ｎ＝９０～１２０，相比较，水泥搅拌桩ｎ＝５～１０，ＣＦＧ桩ｎ＝２０～５０，管桩桩体承载作用明显，桩帽能更好地发挥桩土的共同作用，大幅提高了复合地基的承载力，

较好地体现了沉降控制的疏桩设计思想，经测算，经济效益明显。

当然，在项目实施过程中，个别标段的管桩处理也曾出现过一些问题（如未重视试桩导致桩长普遍加大，造成不必要的浪费；未重视构筑物两侧及构筑物自身管桩处理面的一致性，导致反开挖时形成人为基坑，因重型施工机械的行走碾压，造成管桩的偏位、倾斜；未重视管桩地基处理段落前后的填土施工顺序，形成人为边坡，造成管桩的偏位、倾斜等），但经现场及时纠偏处理，总的来说，效果不错，通过建成后近３年来的项目运行观测，采用预应力管桩处理的软基路段，其路基整体稳定，行车平稳，达到了预期的效果。

２．４预应力管桩复合地基设计需注意的关键问题  通过武汉某高速公路软基处理专题研究试验工作中的经验和教训，提出以下几个预应力管桩复合地基设计中需注意的关键问题。

（１）重视桩间距的确定采用预应力管桩复合地基加固地区，

地基土工程性质一般较差，处理深度较大，其设计核心思想是让桩体承担更多路堤荷载来有效地减少沉降，

但过小的桩间距会使桩侧摩阻力以及桩间土的承载力不能得到充分发挥，适当地增加桩间距对发挥地基土的承载能力是有益的，也是经济的。

从这个角度来讲采用较大的桩间距是合理的，但桩间距过大会使桩顶应力相对集中，从而产生过大的沉降，达不到地基处理的目的。

（２）重视桩帽置换率的确定桩帽的作用主要体现在将更多的荷载通过桩帽传递到桩体上，使得预应力管桩的承载能力得到更充分的发挥，随着桩帽尺寸的逐渐增大，复合地基的沉降量将逐渐减小，这是因为随着桩帽尺寸的增大，复合地基的置换率便在逐步提高，而桩间土所承担的荷载也在逐步减小，同时桩帽大小的调整还可以改变桩顶的应力集中程度，桩帽越大桩体向上顶起的上刺量就越小，桩与土的不均匀沉降就越小。

但桩帽尺寸太大则不经济（其极限就是桩阀基础），桩帽尺寸太小则土拱效应不足，相同的桩间距因桩帽尺寸较小，则桩间土承担荷载相对较多，地基土发生破坏或剪应力穿透整个路堤的可能性就越大，路堤顶面就越容易出现不均匀沉降。

因此，如何合理确定桩间距和桩帽尺寸是预应力管桩复合地基设计的主要内容之一。

由于桩间距和桩帽置换率的确定，与路基的填土高度、填料性质、下覆软土的物理力学性质密切相关，设计时宜根据具体断面情况反复试算，通过不断调整桩间距的大小及桩帽尺寸的大小，来组合试算复合地基的稳定性及沉降量大小，使得管桩复合地基加固方案既能满足公路规范的相关要求，又安全经济合理，试算前，可参照表２拟定参数。

表２ 管桩复合地基拟定参数

桩间距／ｍ桩帽大小／（ｍ×ｍ×ｍ）适用堤高／ｍ

１．８ ０．６×０．６×０．２０ １２．０以上２．０ ０．８×０．８×０．２０ １２．０以下２．５ １．２×１．２×０．２５ ８．０以下３．０ １．４×１．４×０．３０ ６．０以下３．５ 

１．８×１．８×０．３５ 

３．０以下

（３）重视褥垫层的确定由于复合地基中褥垫层的厚度大小直接影响到复合地基的力学性能。

设置一定厚度的褥垫层不仅可以使桩身应力分布更加均匀，

而且可协调桩与桩间土的整体变形，但褥垫层厚度设置过小时，常常会出现桩体应力集中的现象，使桩间土的承载能力得不到很好的发挥；反之，若褥垫层厚度设置过大，桩间土的承载能力虽然可以得到充分发挥，但桩体的承载能力却因过厚的垫层扩散作用而得不到充分的利用，从而影响复合地基的作用。

经研究表明：

褥垫层的厚度与桩间距大小密切相关，设计中褥垫层的厚度一般为３００～８００ｍｍ，初拟厚度可取桩间距的１／４～１／５。

（４）重视桩长的确定对于深厚软土地基，只要桩长穿过软土层到达相对较硬的土层，通常就可较好地控制地基的沉降变形，桩长的确定宜以打穿软土层为主，不一味地追求桩长到达很硬的土层，在一般路段的桩长设计中，桩长的具体取值应根据软基的沉降稳定性计算确定。

初步设计阶段或没有试验参数时，

也可参照以下经验取值：

即桩端进入下卧硬土层的深度，对于粘性土、粉土，一般不宜小于２倍桩径；对于砂性土，一般不宜小于１．５倍桩径；对于碎石类土，一般不宜小于１倍桩径。

（５）重视涵洞段落的管桩处理设计由于涵洞考虑排水原因，基础一般埋藏较深，若涵洞两侧也采用管桩处理，原则上应尽量考虑地基处理面与涵洞基础下地基处理面保持一致，若两侧处理段落较长、

开挖工程量较大，则不宜采用涵洞基础下地基处理高程面，

但采用不同的地基处理高程面时，应考虑一次性送桩，

反开挖做桩帽，由于管桩抗剪性较差，为避免倒桩、歪桩，反开挖时应考虑支护设计的工程量，以免漏项。

３ 预应力管桩复合地基施工需注意的几个关键问题

（１）重视试桩工作试桩是为了给大范围的沉桩作业提供第一手施工参数资料，

如通过打桩检查桩位的地质条件是否与设计地质情况一致，以确定桩长是否增加或减短；通过选定的打桩机械类型，确定落距，终锤标准，有效桩长等打桩参数；通过试桩结果检查是否满足相关规范和设计要求，及时提出改进措施，以指导施工。

如：

前文工程实例中２标段一开始未重视试桩，使用１０ｔ的桩锤，表层淤泥０～１锤／ｍ，中部粘土及亚粘土１～４锤／ｍ，深层淤泥１～２锤／ｍ，下部砂层５～１０锤／ｍ，

由于锤击数差异变化不大，不便复核地层，致使实际施工桩长普遍比设计桩长加长５～８ｍ，

改用设计要求的４ｔ的桩锤、严格控制落距，每处试桩要求不少于５根，梅花形布置摸清地层纵横向变化与锤击数的关系，经测试，表层淤泥１～３锤／ｍ，中部粘土及亚粘土６～１０锤／ｍ，深层淤泥３～６锤／ｍ，下部砂层１５～４０锤／ｍ，较好地复核了地层，最后以进入设计持力层的锤击数作为终锤标准，较好地控制了桩长普遍增长的现象。

（２）重视施工顺序由于在管桩沉桩过程中产生较大的超孔隙水压力，因此为保证管桩的正常施工，施工时应采取有利于孔隙水压力消散的由内而外的施工顺序。

为使管桩在施工过程中产生的超孔隙水压力快速消散，可在管桩施工区域打设一定数量的塑料排水板，从而加快超孔隙水压力的消散和土体的固结，进一步提高土体的强度，减小地基的工后沉降量。

（３）重视桥涵构筑物处的施工在桥头段落，应先进行预应力管桩的施工，待施工结束地基由于管桩施工而发生扰动后重新固结稳定后再进行桥头钻孔灌注桩的施工，防止由于管桩施工而使已做好的桥头钻孔灌注桩发生偏位，影响其施工和耐久性。

在涵洞段落，由于涵洞考虑排水，基础一般埋藏较深，通常涵洞下部与两侧管桩处理高程面不一致，涵洞施工过程中反开挖施工桩帽或基础时，若重型施工机械在基坑侧未采取措施而行走碾压；亦或基坑开挖方法采用不当（如一次性开挖深度太大）等，均易使基坑侧的桩体承受较大的侧向土压力，从而出现预应力管桩的偏位、倾斜甚至断裂等各类施工质量问题。

如：

前文介绍工程中２标段Ｋ４＋７０３处机耕通道，反开挖时未采取任何防护措施，当一次性开挖深度达３ｍ时，由于基坑顶的施工机械碾压及主动土压力引发的基坑两侧土体的重力滑动作用，致使通道底部外侧两排管桩分别向中心桩倾斜０．５～１ｍ不等，出现问题后，经协商，在倾斜一侧及时抢做围护，并加固、补桩纠偏，以保持桩基两侧土压力平衡，使问题桩得以解决。

因此，反开挖施工桩帽或桩顶承台时，必须根据基坑深度、侧压力大小等采取相应的围护措施，或采用钢板桩临时支护，或采取基坑两侧卸土减小侧压力，或采取基坑分层均匀开挖，防止基坑侧土体的侧向滑移，确保管桩的桩身不致偏位、倾斜乃至断裂。

（４）重视管桩地基处理段前后的填土施工顺序由于管桩抗剪性较差，施工时应尽量避免人为产生过大的侧向土压力，因此，管桩地基处理段的填土施工顺序，应先填筑管桩地基处理范围内，再填筑两侧，避免从管桩地基处理段一侧向另一侧填筑，如６标段Ｋ３２＋３７８处涵洞，由于施工单位未与当地村镇达成电线杆迁移问题，进场以来一直未进行该涵洞基础处理施工，但两侧插板预压路基照常施工至路床标高，１年后方才进行涵洞及其过渡段管桩地基处理施工，但在进行基底开挖施工时，由于未采取任何支护措施，开挖后发现两侧土体向涵洞开挖段滑移，基底两侧桩位不同程度地向中心轴线倾斜，桩身最大水平位移达３．０ｍ，部分桩身被剪断，涵洞两侧路基填土坡体局部开裂。

经卸土减载、对偏位小于５０ｃｍ的桩进行纠偏处理、对断桩进行补强处理、桩顶设置格子梁，以确保斜桩处于稳定状态等措施处理后，现该段运行良好。

（５）重视预应力管桩施工质量问题的善后处理在软土地区若对预应力管桩的应用条件认识不清，对使用方法掌握不当，极易出现预应力管桩的偏位、倾斜甚至断裂等问题。

当出现预应力管桩的偏位、倾斜甚至断裂等各类施工质量问题后，首先必须对现有问题桩进行低应变动测，并对所有管桩的偏位、倾斜程度、断桩情况做一详细统计；再根据桩型、地质条件、工程质量问题产生的原因、低应变动测结果、倾斜偏位统计情况等综合判断分析；在此基础上，针对不同情况制定处理原则。

一般可按以下基本处理步骤执行：

１）立即停止施工，加强监控，做好应急准备；

２）卸土减载；

３）倾斜一侧及时抢做围护，并加固、补桩纠偏，保持桩基两侧土压力平衡；

４）对倾斜程度小的管桩，可采用灌芯补强和纠偏后灌芯补强处理；

５）对倾斜程度较大的桩，可在桩顶设置格子梁或将桩帽现浇成整板，以确保斜桩处于稳定状态；

６）对断桩，宜废弃并重新补桩。

４结论

（１）对于深度２０ｍ以上的软基处理，预应力管桩疏桩方案具有技术质量和经济效益上的优势，主要在于其施工工艺简单，施工进度快，单桩承载力高，桩身质量可靠，处理深度大，工后沉降控制有效。

克服了水泥搅拌桩在大深度条件下的质量不稳定，施工困难等缺点，同时较ＣＦＧ桩等半刚性桩经济合理，对于沿江沿海的深厚软基处理有着良好的发展前景。

（２）由于预应力管桩抗压性好、抗剪性较差，设计施工时应扬长避短，克服“预应力管桩质量容易控制”的麻痹思想，尽量做好管桩地基处理段落与非管桩地基处理段落的施工组织安排，确保桩基两侧土压力平衡，避免出现较大的人为基坑或人为边坡。

参考文献：

［１］雷金波，徐泽中，

殷宗泽．带帽ＰＴＣ管桩在深厚软土地基处理中的应用［Ｊ］．路基工程，２００６（６）．

［２］陈志芳．

高速公路ＰＴＣ疏桩复合地基试验研究和优化设计方法［Ｄ］．河海大学硕士学位论文，２００５．

［３］朱筱嘉．

带帽刚性疏桩复合地基数值分析和优化设计研究［Ｄ］．河海大学硕士学位论文，２００７．

［４］高华．

预应力管桩的作用机理及其在软土地基中的应用［Ｊ］江苏交通科技，２００４（２）．

［５］沈建良．

管桩在公路工程的应用研究［Ｊ］．重庆交通学院学报，２００６（４）．

［６］颜治平，

薛伟强．管桩复合地基在高速公路软基处理中的应用［Ｊ］．西部探矿工程，２００５（１１）．

［７］许国平．

预应力混凝土管桩设计与施工中应注意的问题［Ｊ］．建筑技术开发，２００３（１２）．

［８］岑仰润．

预应力管桩施工质量问题的处理［Ｊ］．浙江建筑，２００５