刚柔路基过渡段混凝土桩的应用技术研究.pdf

2 0 1 3年第 8期 8月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 3 No 8 Au g u s t 刚柔路基过渡段混凝土桩的应用技术研究 邓 剑涛 ( 福建省建筑科学研究院， 福州 3 5 0 0 2 5 ) 摘要 ： 在软土路 基加 固中， 采 用混凝土桩能更好地利用持力层的承载力 ， 有效提 高软土路基的稳定性 。通过调 整桩长、 压桩 力等措施 ， 能够使桥 台桩基与软土路基之 间的过渡段形成协调沉 降， 消除桥 头跳 车现 象。提 出了设计 时 采用长而稀的布桩原则、 适 当的桩帽、 改进施工工 艺等措施 ， 可有效减 少挤土效应， 保证施工质量。 关 键 词 ： 软 土 路 基 ： 桥 台过 渡 段 ； 混凝 土桩 Ab s t r a c t ：D u ri n g t h e s t r e n g t h e n i n g o f t h e s o f t s o i l r o a d b e d ， t h e b e a rin g c a p a c i t y o f t h e b e a ri n g l a y e r c a n b e u s e d mo r e s u ff i c i e n t l y w i t h t h e c o n c r e t e p i l e s a n d t h e s t a b i l i t y o f s o f t s o i l r o a d b e d c a n b e i m p r o v e d B y t h e m e t h o d s o f a d j u s t i n g t h e l e n g t h o f p i l e s ， p i l e d ri v i n g p r e s s u r e a n d S O o n ， t h e t r a n s i t i o n s e c t i o n b e t we e n a b u t me n t p i l e f o u n d a t i o n a n d s o ft s o i l r o a d b e d c a n b e c o o r d i n a t e l y s e t t l e d ， a n d t h e p h e n o me n o n o f v e h i c l e d u mp i n g c a n b e e l i mi n a t e d I n a d d i t i o n ， wh e n d e s i g n i n g ， u s i n g the p rin c i p l e s f o r l o n g a n d t h i n p i l e d i s t ri b u t i o n ， a p p r o p ri a t e p i l e c a p s ， i mp r o v e d c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y ， e t c c a n e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e s o i l c o mp a c t i o n e f f e c t a n d e n s u r e the c o n s t r u c t i o n q u a l i t y Ke y wo r d s ： S o ft s o i l r o a d b e d ； T r a n s i t i o n s e c t i o n o f b rid g e a b u t me n t ； C o n c r e t e p i l e s 中图分类号 ： T U 5 2 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 O O O 4 6 3 7 ( 2 O 1 3 ) 0 8 4 0 0 3 0前 言 在软土路段修筑道路桥梁工程 中， 特别是当桥 台与软土路基 的变形特性存 在巨大 的差异 时非 常 容易产生桥头跳车。所以 ， 软基过渡段通常都采用 深层水泥搅拌桩加 固的处理方法。但是水泥搅拌桩 桩端进入持力层有限 当天然土体在有限深度 内存 在较好持力层 时 ，持力层的承载力得不 到充分利 用 ， 降低 了水泥搅拌桩加固的性能 ， 在进行沉降计 算时由于水泥搅拌桩桩身的变形大 ， 也增加了不确 定性 。软土 中一般都富含有机质 ， 也会影响桩身强 度 ， 另外 ， 由于工艺所限 ， 水泥搅拌桩桩身完整性也 较 差 。 为 了克服搅拌桩缺陷 我们引入 了混凝土刚性 桩加固方法。 虽然刚性混凝土桩每 m 造价约为搅拌 桩 的 2倍 ， 但因能够进入持力层一定深度 单桩承 载力 约为搅拌桩 的 3倍 。综合 比较反而节约 了费 用 。 目前 ， 虽然刚性混凝土桩在建筑基础上 已得到 广 泛应用 ， 并制定 了相关的设 计规范 ， 但这些设计 方法基于单桩极限承载力 。 对混凝 土刚性桩复合路 基 的沉降计算 ， 尤其稳定检算 ， 涉及很少。 传统 的复合路基设计采用基于桩土等应变假 定按刚度 比推算荷载分布的柔性桩算法 ， 桩体抗滑 力则按其抗剪强度考虑。在刚度和强度差异巨大的 混凝土桩复合路基中 因存在桩头桩端刺人 ， 等应 40 变假定不合理 ： 因软土约束很弱 。 桩体按剪切破坏验 算稳定也不合理。本文根据混凝土桩复合路基布桩 面积大、 密度高的特点 ， 并结合现场施工试验成果 ， 简单介绍了一种混凝土桩复合路基的简化计算和设 计思路 以及混凝土桩复合路基施工 中存在 的问题 和解决 方 案 。 1 设计 概要 1 1 计算思路 本文所提出的混凝土桩复合路基沉降与稳定的 计算模式不是基于单桩承载力的 。 而是基于桩顶和 桩端的反力与变形关系 ， 基于桩周侧摩阻力与土压 力 的传递关系。本计算模式需要确定桩帽处路堤的 反力系数， 即分布荷载与桩顶刺入量的关系。 复合路基沉降计算关系到桥台软基过渡段的协 调和施工后沉降的控制。路基在上覆填土压力的作 用下 冈 0 性桩桩头刺入使桩的上部出现负摩阻区， 桩 端刺人使桩的下部出现正摩阻区， 而中部则出现桩 土等应变的零摩阻区。 因为采 用 刚性 桩 复合 路 基 的持 力 层 相对 较 强 所以可以忽略下卧持力层和桩身 的压缩变形 刚性 桩复合路基沉降量等于桩头刺入与桩端刺入之和。 为了简化计算 ， 土层竖向附加应力 ， 根据路基填 土荷载面积大的特点， 假定荷载面积无限大 、 土层水 平均质且均匀布桩。在此假定下 ， 我们将桩土复合 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 邓剑涛 刚柔路基过渡段混凝土桩的应用技术研究 层合成若干组剪应力等于零 的对称面 ， 这些对称面 把复合路基分割为各个独立 的柱体单元 ， 如常见 的 梅花形布桩可分割为六边形柱体单元进行计算 。 通过求解计算 ， 可以选择免于刺人破坏的桩径 及 桩帽 ， 可 以确定桩体轴力分布及最大轴力 ( 位于 零摩阻区) 。另外 ， 桩间土层 的压缩模量分别取不排 水 固结和排水固结 的压缩模量 分别计算桩 间土层 的压缩量 ， 两者的差值 即为混凝土桩复合路基 的工 后沉降。 1 2 稳定验算 混凝 土桩复合路基桩体 主要 的抗滑作 用是传 递竖 向荷载 、 能有效 的降低桩 间土竖 向压力 ， 使下 滑力减少 。路基稳定性验算采用传统 的圆弧条分 法 ， 但利用上述 的桩体 内力计算结果 ， 在计 算下滑 力 时应先把竖 向荷载扣除滑动 面处对应 的桩 体轴 力 。在计算桩体水平抗力时采用 弹性地基梁方法 。 并通过原位单桩水平静载试验 ， 直接测试桩体在软 土层中的水平抗力。 为了克服和减小挤 土效应对桩体完整性 的破 坏 ， 设计时必须坚持长而稀 的布桩原则 ， 充分利用 持力层和混凝土桩体 的承载力 。根据填土高度 和路 面活载 。 初步选择桩距 ， 确定 合适的桩径 与混凝 土 等级 ， 确定桩帽直径。在满足沉降要求的基础上 ， 根 据地层结构优化调整桩距和桩长 ， 最后根据路基的 稳定需要确定水平拉筋。 混凝 土桩复合路基的稳定性基本上不会 随着 时间增长 ， 因此 ， 设计和施 工单位必须考虑路堤加 筋耐久性问题。另外 ， 路堤加筋材料应与软土层 中 混凝土桩体 的允许位移协调 ， 以便桩体抗力与加筋 抗力能够同步发挥。 由于刚性桩承担了上部填土的大部分荷载 所 以 ， 一般 ( 除非周围有其他的附加荷载 ) 的稳定性都 是可以满足设计要求的。 上述的持力层应该对桩尖具有稳定 的持力作 用 ， 所 以 ， 对于倾斜大 的岩面持力层 由于桩尖不容 易稳定应该慎用 。 2混 凝土 桩施 工工 艺 混凝土桩基技术仍然是 岩土工程 中应用最广 的一种基础工程技术 ，已被土木工程领域广为关 注。 近几年 ， 应用在软土上修建道路 的工程中。 选择 桩型与工艺 时要因地制宜 ，应对被加固体 的特征 、 地 质 条件 ( 穿 越 土层 、 桩 端 持 力 层) 、 施 工 机 械 特 性 、 施工环境 、 施工队技术水平 、 各种施工法的特征 、 材 料供应 、 造价 、 工期等进行综合性研究分析后 ， 选择 经济合理 、 安全适用的桩型和成桩工艺。 成桩工艺通常采用静压管桩 、沉管灌注桩和旋 钻 孔 压 灌 混 凝 土 成 桩 上 述 三 种方 法 均属 于挤 土 桩 ， 相对其他两种工艺 ， 旋钻孑 L 压灌混凝土成桩的挤 土 效应最 小 。 对于饱和软土，挤土效应将导致工程桩以及周 围构筑物的严重侧移 。导致桩的歪斜断裂和抬起 ， 严重影响工程质量。因此 ， 在施工 中严格遵守从里 到外 、 纵向交织的跳打施工顺序 ， 且路基混凝土桩先 于桥涵基础施工 ，也可以保护桥涵基础不受影响。 对于沉管灌注桩 ， 应控制管 内混凝土高度 以降低充 盈 系数 ， 在条件许可时也可 以采用空管或螺旋取土 灌注桩法来减少挤土效应。 3工 程实例 该工程位于东南沿海滨海相沉积区域。工程桥 台基础采用旋转成孔灌 注桩 软土路基采用排水板 加固。 设计填高 6 m。 桥头过渡段采用静压沉管混凝 土桩 ， 桩间距为 2 2 m， 梅花形布桩。桩长 由施工设备 配重来控制 ，配重 6 0 0 2 0 0 k N，实际桩长约 2 1 2 2 2 6 m不等。桩帽直径从 1 2 0 4 m混凝土等级从 C 2 0 无水泥胶结料的碎石桩 ， 均按排逐渐过渡。 地质 结构 为 ： 耕植土， 灰褐色 ， 厚度约 1 2 m。 软塑淤质粘土， 灰黑色， 包含植物和贝壳碎 屑 ， 厚度 约 1 5 m。 泥质中粗沙 ， 浅黄色， 中密饱和， 呈透镜体， 含水量 7 5 ， 厚度 0 0 8 m。 可塑沙粘土， 浅褐色， 含粗沙， 厚度大于6 m 。 3 1 过 渡段 设计 技术 由于桥台基础与软土路基的变形特性存在着巨 大差异 ， 即使软土路基采用了排水 固结等加固措施 ， 两者之 间的工后沉降差仍然无法避免 ， 从 而引起桥 头路面开裂和产生桥头跳车现象。因此 ， 在桥台与 软 土路基 之 间需要 设 置一个 过 渡段 。 由于沉管灌 注 桩成本低 、 容易操作 ， 所 以， 我们 选择该施工工艺 。 通过控制沉桩 配重和混凝土等级 ， 混凝土沉管桩的 基础刚度 比较容易控制 ， 故混凝土沉管桩用 于加 固 桥台与软土路基之间的搭接过渡段 比较适宜。 在临近桥台的 3排桩的沉桩配重采用设计荷载 的 1 5倍 ， 桩身直径 4 0 0 mm， 混凝土等级采用 C 2 0 ， 并使用钢筋骨架 ， 桩帽面积与路堤填土 的允许承载 力之积等于单桩设计荷载 。显然 ， 按 这样的标准所 设计的沉管桩路基的变形特性基本等同于桥台桩基 础 ， 从而实现混凝土桩复合路基与桥 台基础之间的 沉降协调。 虽然不难实现混凝土桩复合路基与桥 台基础之 一 41 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 8期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 8期 间的沉降协调 。 但如何实现刚性 的混凝土桩复合路 基与软土复合路基 的协调沉降却是个难题 。如果过 渡段混凝土桩复合路基 的整体刚度过大 ， 则过渡段 没有 达到 过渡 的 目的 。 众所周知 混凝土桩复合路基 的沉降如果忽略 了桩 的微小压缩则主要 由桩 顶与路堤 的刺人 与桩 端与天然基础的刺人构成。调整两者的刺人量是实 现路基变形协调 的关键 。它可 以通过减少桩数 ， 缩 小桩帽直径 缩短桩长来调整。因此 ， 混凝土桩复合 路基的沉 降计算模式应基于桩顶和桩端刺入量计 算 同时必须计算桩间土固结所 引起的工后沉降。 计算模式必须能够计算不 同布桩方案 、 桩体尺寸和 桩帽直径下 的桩顶 、桩端刺入量和工后沉降量 ， 否 则 ， 混凝土桩复合路基的沉降协调设计就难以实现。 在设计上我们可 以加大混凝 土桩 复合路 基的 变形系数 ， 即增加基础柔度。但问题是基础刚度降 低后 ， 桩 间土承担的竖 向荷载必将增加 ， 从而导致 了路基抵抗水平滑动力的降低 ， 这就与路基的稳定 性产生了冲突 。因此 ， 混凝土桩复合路基设计还涉 及到基础柔度与基础稳定的关系问题。 为 了解决路基刚柔度 与稳定性 的矛盾 我们考 虑了两种技术解决方案 ： 过渡段路堤采用增加拉 结筋技术 ，本方案对工期没有影响而且技术成熟 、 经济 ； 采用重叠加 固段搭接法 ， 即将采用排水预 压加 固处理的软 土路基延长到混凝土桩复合路基 的过 渡 段 中 ， 如进 入 过渡 段 长度 的 0 3 0 5倍 左 右 ， 这种方案等到排水预压达到预期结果后才开始施工 搭接桩效果会更好 。 3 2施 工工艺 该工程采用了上述两种技术方法 ，桩帽直径逐 渐缩减 ， 混凝 土等级递减 ， 在 预压处理延长段 内的 沉管桩不掺水泥 ， 垫层设置了水平拉筋 。下面具体 说明本试验工点的过渡技术。 该路段的软土路基采用塑料排水板预压加 固处 理 ， 该 加 固段与 过渡段 的重叠 长度 为 1 0 m。 过 渡段 长 度为 3 5 m， 采用静压沉管灌注桩施工， 施工中只有在 灌注混凝土的时候才开动振动器。 施工 中为监 控挤 土效应 对桥 台的影 响 ，我们 在 桥台设置了位移和土压力检测点 ， 当位移水平达到 5 ram时则停止沉管作业 ， 采取空管取土作业来消除 挤土效应 。 当土压力值基本恢复到初始值并且稳定 后再进行下一步的施工。 过渡段 共布 置 了 1 9排桩 ， 桩 问距为 1 9 m。台后 头 3排桩的混凝土等级采用 C 2 0 ，并使用了通长钢 筋骨架 沉管抬架配重为 6 0 0 k N。 4 9排桩的混凝 土 等级采用 C 1 5 ，其中第 4 6排桩的沉管抬架配重为 5 0 0 k N。第 7 1 O排桩每排桩 的沉管抬架配重递减 5 0 k N， 第 1 O排桩 的配重 降低 到 3 0 0 k N， 第 1 O排后 沉管桩的抬架配重保持在 3 0 0 k N，以便桩体能够穿 透淤泥层。1 9排桩的桩帽直径为 1 2 m， 从第 1 O排 起每排桩的桩帽直径递减 0 1 m， 其混凝土的配合 比 按表 1 进行控制。 表 1 第 1 0 1 9排桩混凝土配合 比 第 l 7 1 9排桩实际上相 当于碎石桩和砂桩 ， 完 全可以实现与塑料排水板加固段的沉降协调 施工 中， 采取 的减少挤土效应的措施很好地保 护 了原来 的桥台与基础 ， 工程桩经过检测达到设计 要求 ， 实际 的工程效果很好 ， 满 足了道路 的营运要 求 。很好 地解决 了软土路基上桥 台容易跳车 的现 象 ， 并且在相关 的公路设计 中得到推广应用 。该工 程经过 1 O年的使用未有异常情况。 4结语 ( 1 )在软土路基加 固中混凝土桩能更好地利用 持力层的承载力 ， 有效地提高了软土路基的稳定性。 ( 2 )采用长而稀 的布桩原则 ， 适 当的桩帽及适 一 42一 当的施工工艺能有效地减少挤土效应 ， 保证 了施工 质量 。 ( 3 )通过调整桩长或压桩力等措施 ， 能够使 刚 性的混凝 土桩在桥 台桩基与软土路基之 间的过渡 段形成协调沉降， 消除桥头跳车现象。 ( 4 ) 对于倾斜大的岩面持力层 由于桩尖不容易 稳定应该慎用。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 6 2 7 作者简介 ： 邓剑涛 ( 1 9 6 1 一 ) ， 男 ， 高级工程师 。 通讯地址 ： 福建省福州市杨桥中路 1 6 2号 联 系 电话 ： 1 3 8 0 5 0 5 3 5 3 8 E - ma i l ： f j s j k y s i n a c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m