预应力管桩复合地基在高等级公路软基处理中的试验研究
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第 2 9 卷第 4 期 2 0 0 9年 8月 中 外公路 3 5 文章编号:1 6 7 1 2 5 7 9(2 0 0 9)0 4-0 0 3 5-0 5 预应力管桩复合地基在高等级公路 软基处理中的试验研究 王爱 军(r-东省佛 山市交通工程质量监督站,广东 佛 山5 2 8 0 4 1)摘要:以具体试验为背景,对 预应力管桩 在高等级 公路软基处 理中的应用进 行了研 究。通过分析管桩复合地基中的静土压力、表面沉降、孔隙水压力、侧 向位移随时问及荷载 的 变化规律,探讨了预应力管桩复合地基的加 固过程、加 固机理和加 固效果。研究表明,采用预 应力管桩复合地基方案,处理效果 明显,质量可靠,可为相关工程提供参考。关键词:高等级公路;预应力管桩;剐性桩复合地基;加固效果;软基处理 修建在深厚软土层上的高等级公路,目前常采用 的深层搅拌桩、碎石桩 等柔性桩复合 地基等处 理方法,难 以满足变形 要求,桩 身范 围多表 现为鼓胀破 坏,同时 处理深度有限,一般不超过 2 0 m。预应力管桩作为采 用先张法预应力工艺和离心成型法制成的一种空心细 长混凝土预制构件,它具有单桩承载力高、对桩端持力 层起伏变化 大的地 质条件适应性 强、施工速 度快、工效 高、工期短、抗弯性好、成桩质量可靠等优点,可应用于 处理高等级公路软基路段。本文以佛山市环城公路主 干线软基 处理研究 试验 段 为基础,根 据现 场监 测 成果 分析管桩复合地基处理软土路基 的机理及效果,为该 处理方法在软弱路基处理中的推广应用提供参考。1 工 程 概 况 德辖 区境 内,路线 呈 东西 走 向。在地 貌单 元 上属 珠 江 三角 洲冲积平 原,地势较平 坦,区内水 系大 多 由北 向南 流,水网交错,鱼塘、水沟遍布。地层主要 由第四系填 土层、冲积层 组成。按 静力触探资料,地基 土 自上 而下 分为:填筑土:灰黄灰色,由碎石、砂及粘土组成,已压实。厚度:1 0 2 8 m,锥尖阻力0 4 3 6 3 2 7 5 MP a;侧 摩阻力 2 O 4 2 0 k P a。耕 填土:黄褐灰 褐 色,由粘 粒组成,含 少量植物根茎,软可塑。厚度:0 6 2 6 m,平均 0 9 9 m;层底标高:一3 2 0 一0 7 0 m,平 均 一 1 1 7 m;层 底 埋 深:0 6 O 3 2 0 m,平 均 1 1 4 m;锥 尖 阻 力 0 2 0 4 1 0 3 5 MP a,平 均 0 4 7 9 MP a;侧摩阻力 4 O 5 6 0 k P a,平均 1 8 0 k P a。以下 各层为天然地基,具体指标见表 1,其中第、层为 主要压缩层。试验段地处珠江三角洲腹地,位于佛 山市南侧顺 表 1 土层的物理力学指标 喜 至 雩 度 液 隈W1 含水ZVo量 锥尖阻 名称 编号 m 指数 L g度 a m一 效MP口1a-1 粘c 聚k P力a 2MfP,收稿 日期:2 O O 9 一O 4 一O 5(g-改稿)作者简介:王爱军,男,大学本科,工程师 E-ma i l:y u h a n g l 9 7 9 0 8 1 2 5 0 1 3(1 2 6 c o m 3 6 中 外公路 第 2 9卷 2 处理 方 案 本次试验的预应力管桩主要设计参数如下:(1)采用 P HCA4 0 0 9 5型 预应 力 管桩,正 方 形布设,间距为 2 4 m。右半幅采用短桩,左半幅采用 长短桩。短桩 1 2 m,长桩 3 2 m,分别 以穿透第一层、第二层软土进入硬土层 2、1 m为准。(2)为了减 小管 桩 的 挤 土效 应,加 快 软 土 固结 速 度,在管桩施工前先施工 B型塑料排水板,间距 1 2 m,正方形 布置,板 长 1 0 m(图 1)。图 1 管桩与塑料排水板布置平面图(3)每根桩顶设 置一 块 1 0 0 c mX 1 0 0 c m3 5 c m (厚)托板,其 混凝 土型号 为 C 2 5,托板 内设 置 一层 钢筋 网 1 o 1 0 0 mm 1 0 0 mm。桩 顶 托 板 上 设 置 一 块 4 0 0 mm X 4 0 0 mm X 4 mm 的 钢 板。托 板 顶 填 筑 3 O c m 土后,铺设一层 C AT T 6 O钢 塑土工 格栅,左半 幅 加 铺一层 3 0 k N m 的机织 土工 布。(4)砂 垫层厚 0 3 m,采用 含泥量小 于 5 的中粗 砂,渗 透系数 大于 5 1 0 _。c m s。3试验结果与分析(1)管桩检 测数 据分 析 本试验段管桩 区共打设管桩 1 0 9 4根,共挑选了 8 5根工程桩 进行检 测,I类桩 占所测桩 数 的 1 0 0 ,桩 身完整。另外,挑选了 1 5根桩进行了高应变测试,以 判定桩的承载力和评价桩身完整性,1 2 m长管桩承载 力 为 4 3 4 9 6 0 k N,平均 为 6 0 0 k N;3 2 m 长 管桩 承载 力为1 7 3 0 3 9 3 2 k N,平均为 2 6 9 6 k N。长短管桩承 载力均以摩阻力为主,其中 1 2 m 长管桩摩阻力 占总 承载力 的4 5 1 9 6 9 6 7 ,平 均 7 1 1 ;而 3 2 m 长 管桩摩 阻力 占总承 载力 的 8 0 5 9 2 9 ,平 均 8 8 8 。(2)静 土压力 本试验段在管桩区路基左右幅中心位置各设置了 3 层 静 土压 力 盒,共 1 6个。第 1层 位 于管 桩托 板 下,第 2层位于托板上,第 3层位于 C A TT6 0钢塑格栅 上,在铺设土工格栅前,先填筑 3 0 c m的细砂。左幅选 用长桩的托板埋设,右幅选用短桩板埋设。其埋设情 况详见图 2,左幅管桩静土压力与时 间荷载关系 曲线 见 图 3。6 。8 I 图 2 管桩(左右幅)静土压力盒布 置示意图 恒 螽 刊 时间,d 图 3左 幅 雷 桩 静 土 压 力 一 时 间 一 荷载 关 系 图 由图 3可知:随着填砂高度 的增加,不同位置 处 的静 土压 力均有 不 同幅度 的增长;不 同位 置桩 问 土压 力数值 小,增 幅也小,并 且在等 载期 间均有不 同幅 度的下降;托板上的土压力随着填砂高度的增加快 速增长,在等载期 间随着沉降 的增大而缓慢增长;格栅上托板边的土压力在等载后期逐渐下降,而其他 位 置处 的土 压力则 没有 相 应 的变 化,可 能 是 由于 随着 等载 时间 的延 长,桩 土沉 降差逐 渐增 大,致使该 土压力 盒 的位 置发 生 了偏 转,造 成测 试数据 不准 的缘故。(3)表 面沉降 本试验段管桩区路线 中心、左右 幅管桩顶和管桩 间分别设置了沉降观测点,共 6 个,如图 4所示。管桩 区表面沉降一时间一荷载关系曲线见图 5。由图 5可知,桩 间土沉降为 9 9 1 1 3 mm,平均 1 0 8 mm,推算总沉降为 1 2 4 3 mm。桩顶沉降为 4 8 7 7 mm,平均 6 3 mm,推算总沉降为 7 4 3 mm,管桩复 合地基 的沉降量较小。桩顶沉降量约为桩间土沉降的 6 O 9 6,这与搅拌桩复合地基有明显区别,路堤下管桩复 合地基不能做到变形协调,说明刚性管桩作用机理既 与桩 基础 作用 机理不 同,也 与常规 的复合 地基作用机 如 。卯 姗 瑚 2 0 0 9年 第 4 期 王爱 军:预 应力管桩 复合地基在 高等级公路软 基处理 中的试验研 究 3 7 碴 g 螽 吕 g 遵 好:酶 (c)管桩 区沉降板布置平面 图 图 4 管桩区沉降板布置 示意图 一桩顶右+累计填土高度 _*-桩间左+桩问中 _ 0 _桩问右 图 5管桩 区表面沉 降一时间一荷载关系曲线图 理不同,管桩复合地基的受力和变形特征介于桩基础 和常规复合地基之间,不能完全按常规复合地基处理 设计理论进行设计。随着填土荷载的增加,沉降量不 断增 大。在预 压期沉 降仍 然在 发 展,在 超载 预 压 1个 月后,桩顶及桩间土的沉降基本趋于稳定。路基左幅 的桩顶沉降大于路基右侧的沉降;路基左侧桩间土沉 降小于路基右侧桩问土的沉降。造成这种现象的原因 一方面是 因为路基过宽以及软土沿路基横向分布不 均;另 一方面是左 幅的管桩是 长短桩,长桩施 工 对第 2 层软土产生施工扰动,加大了第 2层软土的压缩量。(4)格栅应 变 本试验段在管桩区左右幅的长短桩分别设置了应 变片以便了解管桩区土工格栅的工作状态,埋设方法 同塑料排水板区。其埋设情况详见图 6。格栅延伸率 的变化情况见图 7、8。从图 7、8可看出:管桩 区格栅应变的测试数据不 稳定,但基本上还是能反映出格栅应变变化 的一些情 况。管桩区左幅桩间土处格栅较桩顶处格栅的延伸率 大,其中桩顶及托板边缘处格栅的延伸率在 3 以内,剖面图 平面图 图 6 管桩 区格栅应变片埋设示意图 嚣 蠢 蔷 累计时间,d r 3 0 6 0 9 0 1 2 O 1 5 O 1 一桩顶 *一托板边缘 一 问+埴+匿 序 图 7 管桩区左侧格栅 延伸率一荷载关系曲线图 喜 蔷 J 累计时间,d r 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 一 图 8 管桩区右侧格栅 延伸率一荷载关系曲线图 而桩间土上的格栅延伸率接近 9 fr o。表明桩间土处格 栅的拉应力大于托板上格栅的拉应力,这主要是由于 左幅管桩是长短桩,承载力很高,桩间土处格栅向桩顶 转移的荷载较大所引起的。托板边缘处格栅延伸率较 大,在 1 O 左右,桩间土处格栅延伸率在 5 fr o 左右,而 桩顶处格栅的延伸率处于两者之间。结合管桩区的沉 降数据,右幅桩顶与桩间土的差异沉降较大,接近 7 O mm。正是由于桩顶与桩间土的差异沉降导致托板边 缘格栅产生了较大的延伸率。虽然沉降已经稳定,但 管桩区土工格栅的延伸率尚不足 1 。(5)孔 隙水 压力 试验段在路中线、左右两幅中部分别埋设了孔隙 水压力计,孔隙水压力测点布置见图 9。图 1 0为管桩 施工过 程 中路基左 幅位置 处孔隙水压力 变化过程 图。6 3 O 3 6 9 眨 6 3 O 3 6 9 2 3 8 中 外公路 第 2 9 卷 心孔隙水压力测点 地质柱状图 图 9 管桩区孔隙水压力测点布置 示意 图(单位:m)*一3 5m I+5 8I n o 一 7 8111+填土厚度 口 2 0 雹0 2 0 40 歪 6 0 8 0 1 0 0 点 图 l 0臂 桩 区左 幅打 桩 过 程 中 孔 隙水 压 力变 化 曲线 图 由图 1 O可 知,在 管 桩 打设 过程 中,不 同深 度处 孔 隙水 压力均 有不 同幅度 的增 长,孔 隙水压 力 的增 量 为 3 7 1 8 6 k P a,挤 土效应很 明显。孔压 最大增量 发 生在 路基左侧 5 m 深度 处,该 处 为 软 土 层,说 明 软 土层 中 管桩 的挤 土效应 最明显。此外,由图 1 O还可 以看 出打 桩引起 的超孔压 消散 较快,主要 是 由于本 区软 土 层 含 砂量较高,渗透性较好,另外还设置 了 1 0 m 长的塑料 排水板,增加 了软土层 的排水 速率。图 1 1、1 2为管桩施工及路基填筑过程 中路基左、中位置处孔隙水压力变化过程 图。6 0 童 3 0 0 3 0 量 6 0 9 0 1 2 0 图 l l 管桩区孔隙水压 力一时间一荷载关 系曲线图(左)由图 l 1、1 2可知,在填砂期间,不同深度处孔隙水 压力亦有不 同幅 度的增 长,但在 填 土间 歇期,孔 隙水 压 力消散得很快,表明塑料排水板起到了很好的排水固结 作用。在后期的等载预压期,孔隙水压力基本保持不变。6 0 童 3 0 0 3 0 量 6 0 言 9 0 1 2 0 图 1 2管桩 区孔 隙水压力 一时 间一荷载关系曲线图(中)(6)侧 向位移 试验段在路基坡脚埋设 了测斜管,用于监测管桩 施工、路基填筑过程地基土的变形情况,测斜管布置见 图 1 3。图 1 4是管桩施工过程中侧 向位移情况。图 l 3 管桩 区测斜管布置示意图 位移 m m 一5 0 5 l 5 2 5 3 5 u i+5 1 O l 5 2 o 2 5 3 0 图 1 4 管桩施工过程中侧 向位移曲线 图 由图 1 4可以看 出:管桩 的施工使深度 2 4 m 以上 的土体均发生了不同程度的侧 向变形,最大侧 向位移 发生在深度 1 8 5 m处和 5 m处,分别为 2 6 6 4 mm和 3 3 1 7 mm。据勘察资料,这两个深度范围分布的正是 淤泥质土层,这也说明了不同土层受管桩挤土效应 的 影响程度不一样,软土的挤土效应最明显。监测表明,随着管桩施工距离增大,挤土效应明显减弱,当距离大 O,=V H 0 f r 0 7 2 H 专 Z 2 2 2 2 0 0 9 年 第 4期 王爱军:预应力管桩复合地基在高等级公路软基处理中的试验研究 3 9 于 1 0 m 时,挤 土效应基本 可以忽略不计。图 1 5为管桩路基左边坡坡脚处侧 向位移变化过 程 图。s mm 图 l 5管 桩 区侧 向位移 曲线 图 由图 1 5可 知:管 桩 区 最 大侧 向位 移 很 小,为 3 3 mm,发生在深度 5 m处;侧向位移主要 由管桩打设过 程中的挤土效应引起,在路基填砂及等载预压期间,路 基几 乎没有发生侧 向变形。这说 明了路堤填 土荷载 主 要 由管桩承担,桩 间土承担 的荷 载较小。选择合理的打桩顺序可以有效地减少挤土效应,在挤土效应 明显 的情况下,管桩施 工顺序可 为:从桥 头 等结构物路段到普通路段、从路基中心到路基两侧、跳 桩或隔排施工。4 结 论 本文通过具体的工程实例,对预应力管桩在高等 级公路软基处理 中的应用做了试 验分析,得到如下 结论:(1)试验成 果 表 明,管桩 复合 地基 可 以有 效减 少 沉降 量,可以用 于填 土高、软 土厚度 大的路段。(2)路堤荷 载 下管 桩 与桩 问土 沉 降不 协 调,桩 间 土沉降远大于桩顶沉降,管桩加固区内桩间土发生不 可忽略的压缩量,桩身上部出现负摩擦,不可 以按照刚 性承台(基础)下的复合地基理论进行管桩复合地基 设计。(3)土工格栅 的设置有助于桩土应力分担比的调 节,有利于降低桩土沉降差。根据经验确定桩土应力 比或桩土荷载 比,根据桩土应力比或桩土荷载 比确定 桩顶荷载和桩间土荷载。验算管桩承载力时,软土层 底面以上为负摩擦。(4)管桩施 工 时挤 土 效应 明 显,在 软 粘土 层 中引 起较大的超静孔隙水压力;为减小挤土效应,在软土深 厚时,应先施工竖向排水体(如袋装砂井或塑料排水 板),再施打管桩;管桩应跳桩施工,宜分 2 3次施工 完成,以便管桩 打入过 程 中产 生 的超静 孔 隙水 压力 的 消散。(5)管桩复合地基在经过一个月的超载预压后,可 以取得更好 的加 固效 果。参考 文献:1-1 J G J 9 4 9 4,建 筑桩基技术规范 S 2 曾国熙,等 桩基工程手册 M 北京:中国建筑 工业出版 社,1 9 9 5 3 刘金励,等 桩基 工程技术 M 北京:中国建材工业出版 社,1 9 9 6 4 龚晓南 复合 地基设计 和施工指南 M 北京:人 民交通 出版社,2 0 0 3 5 3 马时冬 关 于预 应力 高强 混凝 土管 桩 的桩体 上 浮问题 口 工业建筑,2 0 0 3(3)6 陈安,彭振斌 拱理 论下 的桩土共 同作用探讨 J 广东 土木与建筑,2 0 0 3(4)7 周德泉 桩顶垫层 的受 压破坏模式与 上刺入阶段应力 比 的变化 J 中外公路,2 0 0 6(1)8 赵娟芳,王桂尧,李虹,等 粉喷桩与薄壁管桩处理软土 地基沉降比较及分析 J 中外公路,2 0 0 6(3)9 3 苗英豪,王秉纲 土工格栅加筋路堤研究进展 i-J 中外公 路,2 0 0 7(3)1 o 广东省航盛工程有限公司 佛山市北涪至乐从公路主干 线软基处理研究段总结报告 R,2 0 0 4
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