0引言

 

　　公路深厚层软土地基的处理方法主要是堆载预压（排水固结法）和水泥土搅拌桩（含干法和湿法）等方法。其中排水固结法不仅加固时间长，而且需要控制路基加载速率，导致施工工期延长；而水泥土搅拌桩法虽然处理效果较好，但是常规机械对于深度大于20m的深厚层软土地基处理效果较差，而且配合比和施工工艺必须根据地质条件及时调整，难以保证处理质量。建设在沿海地区的高速公路工程，大多具有深厚软基，对沉降控制要求高的桥头段软基处理工程，在工期紧张的情况下，采用上述传统方法处理，显然不能满足变形和工期要求。因此有必要研究一种质量可靠，处理深度深，效果好的地基处理方法来替代。PTC管桩由于施工速度快，质量好，造价与水泥土桩基本相当，因此在江浙等地区的高速公路建设中得到日益广泛的应用。

 

　　1概述

 

　　先张法预应力管桩，其功效和优势在建筑工程桩基中已得到肯定，由工厂预制生产，质量可靠，采用静压法或锤击法施工，施工方便，可保证沉桩质量，桩身强度高，最大处理深度可达40m以上。预应力管桩按桩身强度不同可分为PHC桩、PC桩和PTC桩。在高速公路处理深厚层软土地基工程中主要以变形控制为主，只要将地基的工后沉降量控制在允许的范围内即可满足要求，对桩的承载力要求相对较低，因此一般选用PTC桩。为充分发挥刚性桩承载能力高的特点和降低工程造价，充分发挥桩间土的承载作用，在桩的顶部设置桩帽，桩帽和刚性桩现浇连接，同时在桩帽上部铺设碎石垫层垫层，以均化桩顶应力，有效减小桩顶对路堤的刺入量。

 

　　在高速公路拓宽工程中，为了尽量减小新老路基间的差异沉降量，采用了管桩处理深厚软基，根据目前的通车使用情况，处理效果十分理想。观测数据显示：拼宽后老路路堤中心的沉降量控制在3cm以内，而新拼接路基形心的最大沉降量小于10cm，保证了拼接路基的工程质量，控制沉降的效果明显。

 

　　2受力状态分析

 

　　2.1单桩受力状态分析

 

　　上覆荷载通过垫层传递到桩帽顶部，桩帽顶部荷载由桩体和桩帽下土体来共同承担，据有关试验实测，在桩体承载达到极限承载力之前，各单桩桩土荷载分变化较小，桩体是主要承载对象，桩体分担荷载90%以上；当桩体承载达到极限承载力后，桩体发生向下刺入破坏，新增荷载主要由桩帽下的土体承担。

 

　　2.2PTC管桩复合地基受力状态分析

 

　　所谓复合地基是指天然地基中按一定面积比例加入加筋材料的增强体后构成的地基，作用在该地基的垂直荷载由增强体和土共同承担。

 

　　PTC管桩在高速公路工程中实际应用的地基处理形式是PTC管桩复合地基，也就是疏化桩间距，在桩帽顶铺筑一定厚度（一般为40cm）的碎石褥垫层，上覆荷载通过褥垫层的传递作用，桩帽顶和桩帽间土体均承担荷载，桩帽间土体同时起承载作用，从而形成刚性桩复合地基。一般PTC管桩桩径40cm，桩间距2.5m～3.5m左右，桩帽边长为1.2～1.6m左右，由于桩间距比桩帽的尺寸大一倍，因此上覆荷载通过垫层作用，除了主要传递到桩帽顶部外，还有一部分荷载传递到了桩帽间的土体上。路堤底部土体在力学上属于柔性基础形式，在填方荷载和交通荷载作用下，桩帽和桩体会刺入路堤中，桩和桩间土竖向变形不相同，两者之间会有竖向滑移，滑移量受路堤土质、含水量、压实度、路堤的高度、桩间距、桩帽尺寸等多种因素影响，因此通过理论计算确定桩和桩帽间土的受荷比例比较复杂。目前有根据“土拱”原理采用弹塑性力学方法计算桩土分担比等方法。

 

　　根据有关试验实测，复合桩体和桩帽间土体之间沉降差可以通过上部碎石褥垫层的流动来补偿，通过计算和设计，路堤作用下桩土分担比可以较经济地控制在2：1左右，路堤土体板结性越好、路堤高度越高，桩承担的荷载比例越大。

 

　　3沉降分析

 

　　在碎石褥垫层传递上覆荷载的作用下，桩体会产生上刺、下刺的变形现象，这使桩体在桩身范围内的压缩变形与桩周土体的压缩变形不完全一致，在桩体一定深度范围内会出现负摩阻力，桩体一定深度处会出现桩体与桩周土体沉降量相等的等沉面。在等沉面以上，桩周土体将相对桩体向下移动，从而对桩体产生负摩阻力；在等沉面以下，桩体将相对于桩周土体产生向下的移动，土体又对桩体产生正摩擦阻力。

 

　　根据以上分析可知，在荷载小于桩体承载力即桩体未发生向下刺入破坏时，PTC管桩复合地基的沉降主要由以下四部分组成：①碎石褥垫层的受荷压缩量，②桩帽向上向路堤内的刺入量，即桩帽间土相对于桩帽的沉降量，③桩体受荷后自身的竖向压缩量，④桩尖以下土体的压缩量。如桩体已发生向下刺入破坏，则复合地基的总沉降量中还需要计入向下的刺入量。

 

　　刚性桩桩身强度极高，一般可达C60级，在外荷载作用下，桩身压缩量只有几个毫米，所以可以忽略不计。碎石垫层抗压强度较高，沉降量一般也仅为几个毫米，且沉降可在加载瞬间完成，也可以不计。

 

　　桩端以下土体的压缩量，在建筑工程桩基规范中有成熟可靠的计算方法，有压力扩散法、等效实体法、改进的Geddes法等。由于PTC管桩处理深度较深，一般打穿软土层，即使未打穿软弱土层，桩长也至少达到20～30m，而沉降计算时确定的路堤荷载的对地基的影响深度一般在30～40m左右，而且随着深度加深，应力水平衰减较快。所以桩端下卧层的沉降量一般为几个厘米，在PTC管桩复合地基的总沉降中所占比例较小。

 

　　决定管桩复合地基总沉降量大小的主要是桩帽间土相对于桩帽和桩体的沉降，也就是桩帽向上刺入碎石垫层和路堤的位移量。根据上面的分析，桩帽间土承担的荷载比例可以通过计算设计控制在总荷载的1/3左右。因此在设计时可以采用根据桩间土分担荷载通过常规的分层总和法来计算桩间土沉降量的简化方法，计算深度为桩体的长度。事实上管桩沉桩过程中，在地基中将出现超孔隙水压力，超孔隙水压力的产生，将引起桩间土体的再固结，使桩间天然地基土的强度将有较大的提高；同时沉桩过程中，桩对周围土体将产生“挤密”效应，也使得桩间土土体的承载能力提高，所以土体的压缩模量相对于原状土将有所提高，但工程应用中考虑到目前计算方法的不完全可靠，需要留有适当的安全富余量，可以直接采用原状土的压缩指标进行计算。高速公路桥头段一般填土高度较高，同时沉降控制要求较高（工后沉降不得大于10cm），因此对于此类路段需要减小桩间距、增大桩长，以使桩体承担的荷载比例进一步提高，减小沉降量。