PST桩在高等级公路软土地基中的应用.pdf

第2 期福建地质Geology of Fujian155PST桩在高等级公路软土地基中的应用王绍平（福建省地质测绘院，福州，3 50 0 11)摘要以福州长乐营滨路提升改建工程2 种不同桩复合地基处理形式为工程实例，对比分析PST桩和CFG桩复合地基的受力性能、沉降变形、经济性和施工质量。结果表明，PST桩的单桩竖向承载力约为CFG桩的1.3 4倍；PST桩桩顶与桩间土的应力比值和变化幅度明显高于CFG桩；CFG桩在软土地基中的沉降量较PST桩的复合地基大；在满足地基承载力和沉降要求的基础上，选用PST桩的经济效益优于CFG桩，且在施工质量与成桩质量上，PST桩更可靠。对比研究认为选用PST桩处置邻海且软土厚度大的高速公路软弱地基更适宜。关键词CFG 桩PST桩公路软土劲性体承载力沉降中图分类号：TU753.3文献标识码：A文章编号：10 0 1-3 9 7 0(2 0 2 3)0 2-0 155-0 6Application of PST Pile in the Soft Soil Foundation of High-class HighwayWang Shaoping(Fujian Geologic Surveying And Mapping Institute,FuZhou,350011)Abstract Two kinds of pile-raft composite foundation treatments in the Yingbin Road upgradingand reconstruction project(Changle,Fuzhou)as engineering examples,the mechanical behavior,settlement deformation,economic effect,and construction quality of the foundation with PTS pile andCFG pile were analyzed and compared.The analysis results indicated that the single-pile vertical bearingcapacity of the PTS pile is about 1.34 times the bearing capacity of the CFG pile.The stress ratio andstress variation range of the plie top and the soil among piles with PST piles were significantly larger thanthe one with CFG piles.The settlement of CFG pile in the soft soil foundation is larger than that of thecomposite foundation of PST pile.In the condition that the requirements of foundation bearing capacityand settlement are satisfied,the economic effect,pile construction quality,and reliability of the PST pileare greater than the CFG pile.It is more appropriate to use PST pile to dispose of the soft foundation ofexpressway with large soft soil thickness.Keywords CFG pile,PST pile,highway soft soil,strong body,bearing capacity,settlement收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 0作者简介：王绍平（19 7 1-），男，高级工程师，主要从事工程勘察设计工作。156对于高等级公路而言，维护路堤稳定和减少工后沉降至关重要。目前，CFG桩由于施工技术较成熟、具备材料利用率也高、可充分发挥天然地基承载力，且经济效益好等优点 1-41，被广泛应用于软基加固。但对于一些特定的软基，如受地下水影响显著的场地，其存在成桩质量难以控制、处理深度有限等短板5，从技术和经济方面都受到了制约。而预制竖向劲性体管桩（PST）能克服上述缺点，实现良好的成桩效果和适宜的经济性。林洽宇 6 通过现场试验和数值模拟获得了劲性体加固高速公路软土地基的关键设计参数，并总结了软土地基设计方法；李波等 7 探讨了PST管桩在具体应用中的施工工艺和质量控制要点；薛岭等 8 通过试验分析劲性体加固在软土地基的受力情况及沉降与时间的变化特征。在福州长乐营滨路提升改建的工程施工中，选取了K4+182K 4+2 8 2 段为试验段，对比了用PST桩和CFG桩处置软土地基下的受力特征、经济性和成桩质量，为今后软土地基处理中CFG桩和PST桩的比选提供技术支持。1工程概况福州长乐营滨路提升改建工程路线全长约为25km，道路建设标准为双向6 车道，设计速度为60km/h，该试验段K4+182K 4+2 8 5为软土填方路段，填方高度为1.41.6 m，路基宽度为3 7.5m。根据野外地质勘察，该实验段土层自上而下分布有杂填土、淤泥、粉质黏土、淤泥质土、卵石。其中杂填土仅局部分布，厚度较小；而淤泥、粉质黏土和淤泥质土厚度较大，土层具高压缩性、工程地质性能差的特征，为场地主要不良工程地质软弱层，试验段地质勘探（图1）。2试验方案2.1试验构件设计和施工软基加固措施考虑采用PST桩和CFG桩复合地基处理技术。其中，为尽可能消除设计参数对试验结果带来的影响，选择了两类桩设计参数最为接近的同一施工段。试验段K4+182K 4+2 3 2 采用PST桩矩形布置，桩间距2.8 m，桩身外径0.4m，壁福建地质Geologyof Fujian0.27.44.60一=-20:225.10_-22:.6327.50-25.4330.30-31-3336.20-36.9341.80(-41.82)46.69图1工程路段试验段（K4+182K4+285）地质勘探图Fig.1 Geological exploration map of the engineeringtest section(K4+182 K4+285)厚6 0 mm，桩长2 1m。采用静压法隔行隔桩将桩体静压至持力层深度后，吊装并连接预制桩帽，随后铺设垫层和土工格栅。试验段K4+232K 4+2 8 2采用CFG桩正三角形布置，桩间距为2.5m，桩径0.5m，桩长2 2 m。采用现浇法将混合料灌注至桩顶设计高程，待混凝土达到一定龄期后，浇筑桩帽，随后铺设褥垫层。2.2试验数据监测此次研究选取K4+210断面和K4+251断面为试验断面，从单桩竖向承载力、桩土应力和沉降变形方面，对比PST桩和CFG桩复合地基处理效果。在断面K4+210和断面K4+251的路基中心和路肩布置土压力盒和沉降管，在路肩布置测斜管，观测仪器埋设布置（图2）。3试验效果对比分析3.1单桩竖向承载力对比分析采用压重平台反力装置分别对成桩2 5d的PST桩和成桩2 8 d的CFG桩进行单桩承载力试验。加载方式为逐级加载，分级荷载宜为最大加载值的1/10，第一级加载量取分级荷载的2 倍。根据“预应力混凝土管桩基础技术规程”9 计算PST桩单第42 卷标高(m)SK184.89SK194.62-3 杂填王1.786.40-1淤泥-3 粉质黏土18:88+23.50-6 卵石-29:182:8-3粉质黏土-2 淤泥质土-3 粉质黏土-6 卵石-32.9837.60-34.8839.50(-39.50)44.12第2 期王绍平：PST桩在高等级公路软土地基中的应用37.5mSP路基填料SSPSP157沉降板（SP）土压力盒（E)测斜管（I)图2 观测仪器埋设布置图Fig.2Layout plan of observation Instrument Embedding桩竖向极限承载力特征值，按公式计算：式中：Qsk、Q k 分别为总极限侧阻力标准值(kN)、极限端阻力标准值（kN)；u、A，分别为桩的横断面周长（m）和桩端面积（m)；1;为桩各层土的厚度（m)；q s i k 为桩周第i层的单位极限侧阻力标准值（kPa)；q p k 为桩底土的单位极限端阻力标准值（kPa）。根据“建筑地基处理技术规范”【10 计算CFG单桩竖向承载力特征值，按公式计算：(2)式中：u、A,桩的横断面周长（m）和桩端面积(m)；l p i 分别为桩各层土的厚度(m)；q s i 为桩周第i层的单位极限侧阻力标准值（kPa)；q,为桩底土的单位极限端阻力标准值（kPa)。a，为桩端天然地基土的承载力折减系数。分别取其单桩竖向抗压承载力特征值的2 倍3 0 3 6 kN、2 2 6 4k N为最大试验荷载。从单桩承载力的试验结果（图3）可知，PST桩在加载3 0 3 6 kN时，桩体沉降量为15.56 mm；完全卸载后桩顶残余沉降量为4.9 6 mm；当加载至3036kN极限荷载时，沉降量均未出现明显变化，说明在此压力下，承载能力还有一定的余量。因此，该PST试验桩的单桩竖向抗压承载力为3 0 3 6 kN。CFG桩在加载2 2 6 4kN时，沉降量均未出现明显变化，桩体沉降量为12.58 mm；完全卸载后桩顶残余沉降为4.12 mm，因此CFG桩的单桩竖向抗压承载力为2 2 6 4kN。对比上述试验结果可知，PST桩的单桩竖向承载力约为CFG桩的1.3 4倍。分析造成此现状的原因主要是：一方面PST桩采用高强混凝土以提高单,+pkA,=1 518 kN(1)桩承载力；另一方面，PST桩施工过程中产生了挤土效应，使得桩周土体更加密实，加大桩周侧向摩阻力，进一步提高了单桩竖向抗压承载力。2 种桩型的沉降趋势一致，且当加载量小于12 0 0 kN时，相同荷载下的2 种桩型沉降量接近，当加载量大于1200kN，小于2 2 6 4kN时，在相同荷载下的PST桩的沉降量明显低于CFG桩。此外，PST桩的最大加载量是CFG桩的1.3 4倍，对应的残余沉降量为1.2倍，说明PST桩的恢复变形能力略高于CFG桩。05000246(uu）8-10-12-14-1618J图3 PST桩和CFG桩单桩载荷试验Q-S曲线Fig.3Q-S curve of single pile load test for PST pileandCFGpile3.2桩土荷载分担特征路基中心处的桩顶压力变化更显著，因此，从2#和4#桩的两种桩顶压力变化曲线（图4）可以看出，PST桩和CFG桩的桩顶土压力变化趋势相同，PST桩的桩顶土压力高于CFG桩；路基填筑过程中上部荷载逐渐增大，PST桩和CFG桩的两种桩顶土加载量(kN)1000150020002500oPST桩CFG30003500158500.7400(300-2001000(edy)体工-100-200-300图4PST桩和CFG桩桩顶压力变化曲线Fig.4Variation curve of pile top Pressure of PSTpile and CFG pile压力也随之增大；在预压堆载阶段，PST桩和CFG桩的桩顶土压力均达到了最大值，分别为40 0 kPa和3 3 5.2 kPa。对比分析采用两种桩型处置的软土地基可知，在相同荷载下，PST桩将承担更多上部荷载，从而减小软弱桩间土应力。福建地质Geologyof Fujian-090一0-PST桩-一CFG桩90180第42 卷200-O-PST桩100-CFG桩0180(edy)体工-100270360270450540360630720时间(d)450时间(d)-200-300J图5PST桩和CFG桩复合地基桩间土压力变化曲线Fig.5 Variation curve of soil pressure between piles ofPST pile and CFG pile composite foundation607504030一O-PST桩-ICFG桩O-O从路基中心处的桩间压力变化曲线（图5）可以看出，PST桩和CFG桩的桩间土压力变化趋势相同；CFG桩的桩间土压力高于PST桩；随着预压荷载增大，土压力也增大，当预压荷载加载完毕后，桩间土压力下降。分析可知，由于土拱效应，桩间土压力不断向传递到桩身，桩顶土压力增大。从桩顶与桩间土的应力比值变化特征（图6）可以看出，CFG桩的桩土应力比为112 1，PST桩的桩土应力比为1550。PST桩桩顶与桩间土的应力比值和变化幅度明显高于CFG桩。用桩荷载分担比来表示在总荷载中桩身承受的荷载占比，如下所示。8=mn/1+m(n-1)式中：n为复合地基应力比；m为复合地基置换率，在此次矩形布置桩中，取值为1.13 倍桩径。通过计算可得，在PST桩和CFG桩复合地基中，桩身荷载分担比分别为0.510.6 9 和0.410.54。即在PST桩复合地基中，桩身承担的荷载远高于桩间土，而CFG桩复合地基中，桩身承担的荷载与桩间土较接近。分析可知，PST桩复合地基的桩间土承受的荷载较小，应用于处置软弱土层更具有优势。20-10-0+0图6 PST桩和CFG桩桩土荷载分担比曲线Fig.6 Pile-soil load sharing ratio curve of PST pileandCFG pile3.3沉降变形分析此次研究从埋设于路堤中心和路肩位置的沉降板提取沉降变化（图7 a、7 b）可以看出，在施加超载预压荷载时，CFG桩在路堤中心处的沉降量变化幅度明显大于PST桩，CFG桩在路肩处的沉降(1)量也大于PST桩；CFG桩的复合地基沉降量均大于PST桩的复合地基，在路堤中心处更显著，在路肩处相差不大。对比分析可知，CFG桩的复合地基对上部荷载具有较大的敏感性，在软土地基中的沉降量较PST桩的复合地基大。从埋设于路堤中心和路肩位置的沉降版沉降速率可以看出，当荷载施加速率较大时，桩向下的沉降速率较大，而当荷载施加速率较小时，则桩向下的沉降量随之减小，甚至有所回弹。无论是CFG桩还是PST桩，桩的沉降速率没有超过0.8 mm/d，O100200时间(d)300400500第2 期250a200-(e)弹工150100-50-50-100-150JFig.7 Settlement amount of the embankment center(a)and settlement amount of the road shoulder(b)of PSTpile and CFG pile远远小于规范及一般经验10 mm/d的稳定控制标准要求（图8 a、8 b）。此外，从图中可以看出无论是在路堤中心，还是在路肩，CFG桩的沉降速率在同等荷载情况下幅值均大于PST桩，表明PST桩在施工中较CFG桩具有较好的稳定性。0.8a0.60.4-(p/ww)率联0.20.0-0.2-0.4-0.6-0.8JFig.8 Settlement rate of the embankment center(a)and shoulder settlement rate(b)of PST pile and CFG pile基本参数工期王绍平：PST桩在高等级公路软土地基中的应用-O-PST桂I-CFG柱时间（d)360450图7 PST桩和CFG桩路堤中心沉降量（a）及路肩沉降（b）4成桩质量对比在满足地基承载力和沉降要求的基础上，为方便对比PST桩与CFG桩质量对比，统计2 种桩施工的质量参数与工期（表1）。3000.8施工荷载0.62000.4100(p/ww)率x2(edy)雄鼎工04400500一0 PST桩沉降速率一CFG桩沉降速率图8 PST桩和CFG桩路堤中心沉降速率（a）路肩沉降速率（b）表1PST桩与CFG桩质量参数对比Table 1Quality parameter comparison of PST pile and CFG pile技术质量参数指标桩径(m)桩长（m)单根荷载(kN)桩总数（根）试桩与检测（d)工程桩施工(d)总天数（d)159250-b200(e工150-10050-0FO-UOFO540630&00700时间(d)-100-200-300-PST桩-0-CFG桩时间(d)0-0-20230-0080000-0-72090C-50-100-150-0.2-0.0-0.2-0.4-0.6-0.8J360b400-OPST桩沉降速率CFG桩沉降速率PST桩CFG桩0.40.5212230362.26424034793425453479450施工荷载200100(ed)雄工0500600时间(d)-100-200-300540700630300160采用PST桩较CFG桩桩间距较大，所需桩总数少，总桩长更小。因此，尽管PST桩的单桩费用较CFG桩高8.9 4%，但总费用较CFG桩低2 4.6 5%。同时，在随着地基承载力和沉降要求的提高，由于CFG桩布桩密度大于PST桩，总桩长必然大于PST桩，总费用的差距将进一步增大。此外，由于PST桩的单位承载标准值费用较CFG桩低12.17%，说明在材料的利用率上，PST桩的性能更优越。从施工成本角度对比两种桩型：采用工厂预制且灵活配筋的PST桩，运至现场后进行桩基就位、吊装落位等施工环节，相对于CFG桩少了泥浆循环、钻孔清孔等现场浇筑环节，大大节省了人工和材料等现场施工成本。从场地适应性角度对比两种桩型：在对CFG桩试桩时，桩身质量合格，然而施工后经质量检测，满足要求的桩基约6 5%。分析造成此现象的原因主要是因为此次营滨路提升改建工程邻海，局部地下水丰富，软土厚度大，淤泥、泥浆处理难度大，造成施工质量不稳定。从施工进度角度对比两种桩型：PST桩在压入7d后，就可以进行试压实验，完成试验段的试桩与检测耗时9 d，施工用时2 5d，总工期为3 4d;而现场浇筑的CFG桩至少需在浇筑完成后的2 8 d进行检测与试压，完成试桩与检测就需要3 4d，施工用时45d，总工期达7 9 d。另外，CFG桩成桩质量受场地软土地基含水量的影响，如果在试桩检测不合格，还需进行方案调整，将造成更大的工期浪费。由此可知，在相同长度的试验段中，与CFG桩的施工工期相比，PST桩的施工工期显著缩短。因此，采用PST桩可大大提升工程进度。对周围环境影响程度对比：在进行制作CFG桩的混合料拌制时，需要征用临时占地，能耗大；成孔之后所产生的废气泥浆易对周围环境造成污染，需进一步静置沉淀。PST桩属于挤土桩，无需钻孔出渣和成孔排浆，采用静压机施工，噪音小，不扰民，对环境影响小。综上所述，在此次营滨路提升改建工程中，在福建地质Geologyof Fujian第42 卷满足地基承载力和沉降要求的基础上，选用PST桩的经济效益优于CFG桩，且在施工质量与成桩质量上，PST桩更可靠。5结论（1）P S T 桩更适合用于处置邻海且软土厚度大的高速公路软弱地基中。（2）由于CFG桩布桩密度大于PST桩，总桩长大于PST桩，PST桩整体经济优于CFG桩。（3）因薄壁高强混凝土的PST桩桩身承载力较CFG桩高，使得桩周软弱土层受荷减小，加上相比于是排土桩的CFG桩，PST桩因是挤土桩，桩周侧向土压力的提高，使得沉降变形进一步减小。参考文献1李传华.CFG桩在桥头软基处理中的应用。湖南交通科技，2 0 16,42(04).2张磊.CFG桩处治山区公路软基变形特性分析.交通世界，2 0 2 2,(33).3李书昌.CFG桩在道路软基处理中的应用建筑技术，2 0 2 2,53(9).4张荣.CFG桩软基处理的数值模拟及变形特性研究北方交通，2021(12).5冯科明，苏长龙，刘利锋基于承压水对CFG桩承载力的影响研究.2 0 18 年全国工程勘察学术大会论文集.2 0 18.6林洽宇预制高强管状劲性体在高速公路软基处理中的应用研究南京：东南大学，2 0 18.7李波，严军，彭耀平.PST管桩在地基处理中的运用北京：中国地质大学（北京），2 0 12.8薛岭，赵明纲，涂圣武劲性体复合地基预制桩帽设计及沉降分析.福建交通科技，2 0 19(0 6).9DGJ32TJ1092010预应力混凝土管桩基础技术规程.10JGJ7092019建筑地基处理技术规范.11沈宇鹏，毛远凤，荆鹏，等.PHC与CFG桩复合地基在高速铁路基底中处理效果试验对比。岩石力学与工程学报，2 0 14,3 3(S2)。