高速公路拓宽工程地基处理方法探讨

高速公路拓宽工程地基处理方法探讨
摘要依托安阳至新乡高速公路改扩建项目工程,对常用的几种地基处理方式进行了探讨,通过比较PTC管桩不仅具有造价优势,而且加固区内沉降较小,可以满足高速公路拓宽工程要求。

关键词拓宽工程;PTC管桩;沉降
高速公路拓宽改造过程中,新填筑路基势必对老路产生附加应力,与旧路附加应力叠加产生新的附加沉降,当填土较高、地基条件稍差时难以保证新老路面不开裂。

因此,选择经济适用的地基处理方法是本文探讨的重点。

1拓宽工程中常用地基处理方法介绍
1.1 水泥搅拌桩
1.1.1 加固机理
由于水泥的加入,发生水化反应,生成强度较高水化物的同时,析出大量钙离子与土中的矿物质进行化学反应,逐渐生成不溶于水的结晶化合物,增加土的强度。

水泥水化物中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳反应生成不溶于水的碳酸钙,进一步提高土体强度。

1.1.2 缺点及不足
1)它是一种半刚性桩体,对地基强度提高有限;
2)存在临界桩长,一般不超过12m;
3)加固区范围内仍有明显沉降。

1.2 碎石挤密桩
1.2.1 加固机理
碎石挤密桩是通过成桩过程中使周围土体获得加密效果;设置的碎石挤密桩增强体,本身又是一个良好的排水通道,不仅有利于地基中超空隙水压力的消散,有效增强土体抗液化能力,而且在荷载的作用下,碎石挤密桩增强体配合其上垫层与桩间土形成复合地基。

1.2.2 缺点及不足
1)是一种柔性桩体,当地基强度较低时,强度恢复期较长;
2)缩短了排水路径,加快了排水固结,引起地基内水位变化,不利于老路稳定;
3)施工时需结合等载或超载预压,加快地基排水固结,需增加额外土方。

1.3 灰土挤密桩
1.3.1 加固机理
生石灰吸水消解经化学反应后膨胀,桩间土脱水,桩周围的土被挤压后土壤密实度逐渐增大,使地基强度提高。

1.3.2 缺点及不足
1)提高强度有限;
2)桩长一般不超过15m;
3)加固区内仍有明显的沉降量。

以上3种桩型除碎石挤密桩不宜在拓宽工程中应用以外,剩余两种桩型均可在拓宽工程中应用,但普遍存在地基强度提高有限、存在有效桩长、加固区内仍存在明显沉降等缺点,当地基土强度较差、路基填土较高时,新填筑路基将对老路产生更大的附加沉降,采用以上桩型将不能满足拓宽工程工后沉降要求。

而采用桩身强度高的预应力管桩配合其上砼桩帽及加筋碎石垫层,将使地基强度得到显著提高、控沉作用明显。

以安阳至新乡高速公路改扩建工程为例进行预应力管桩的设计。

场地处在黄(河)卫(河)冲洪积平原,地下水位4m~5m。

上部10m范围内均为软弱土,孔隙比较大,压缩系数较高。

选择较典型的K104+154钻孔资料进行分析。

2 预应力管桩设计
2.1 刚性疏桩复合地基受力机理
由于在桩的顶部设置桩帽,其受力模式与一般的复合地基不同,首先桩帽和桩帽以下的土体以及桩体之间构成组合单桩,同时在桩帽顶部设置碎石加筋垫层,它又与桩帽之间的土体构成复合地基。

而对于组合单桩来说,如果间距大于6倍桩径,则可按疏桩基础中的组合单桩的受力模式来考虑,对于整个地基则按复合地基的受力模式进行考虑。

在加荷时,桩间土和桩同时受力并发生变形,桩侧摩阻力形成并起主要作用,桩端阻力未充分发挥,桩身处于弹性压缩阶段;由于桩与桩间土刚度不同,发生变形不协调,在加筋垫层的作用下,桩所分配的荷载逐渐增大,进而桩开始下沉;如此往复,最终达到桩土变形协调,沉降稳定。

2.2 控沉疏桩基础的设计
2.2.1 桩型、间距及垫层厚度初定
一般采用摩擦型桩方形布桩。

1)桩型确定。

对于摩擦型桩,桩型可采用PTC预应力空心薄壁管桩。

2)桩长。

桩长原则上应穿透软弱土层到达强度相对较高的土层,同时按满足超过危险滑弧的位置条件确定,以满足地基承载力和变形要求,设计采用11m桩长。

3)桩径。

桩径则按桩长的比值,考虑细长比可按D:L≥1%确定,取桩径为40cm,壁厚取为6cm。

4)间距、桩帽大小。

桩间距和桩帽大小按控制沉降量和承载力为原则选取,初定桩距为2.5m~2.8m,桩帽大小1.2m×1.2m,厚度根据设计荷载和抗剪强度验算取30cm。

5)垫层。

为充分发挥桩土共同工作,在桩帽的顶部设置30cm的碎石垫层,为加强垫层的整体刚度,在垫层中间铺一层钢塑土工格栅,形成强度较大的桩网垫层复合地基。

2.2.2 复合地基承载力验算
1)单桩承载力
桩的规格为PTC400(60),由规范可查得竖向承载力设计值:1230kN。

由桩侧土强度计算:
式中:为桩的设计承载力,kN;u为桩周长,m;Ap为管桩截面积,m2;qR为桩端承载能力,kN/m2;qsi为桩周第层土的极限摩阻力,kN/m2;li为桩周第层土分层厚度,m;α为折减系数,取0.45;γR为荷载分项系数,取为1.45。

由于桩帽的存在,桩上部的摩擦阻力会受到削弱,其影响深度根据以往桩基静载试验取 1.5倍B。

在进行桩极限承载力验算时不应计入,得单桩承载力为313.31kN。

2)置换率
组合单桩与整个复合地基的置换率(正方形布桩);
单根桩与复合地基置换率:
式中:Ap为桩的截面积,m2;A1为桩帽的面积,m2;A=l2,l为桩间距,m。

按组合单桩与整个复合地基计算置换率(采用正方形布桩)为:
按单根桩与复合地基计算置换率为:
3)复合地基承载力验算
式中:fsp为复合地基承载力,kPa;β为桩间土应力发挥系数,取0.9;fsk为天然地基承载力,kPa,根据试验设计值取为135kPa;其余符号意义同前。

当m取为m1 时,则有:
=167.25kPa
当m取为m2 时,则为162.29 kPa
两者计算值基本接近,取fsp=162.29kPa。

本工程路堤高度7m,路堤土的压实容重按18kN/m3,路面结构厚度为78cm,其设计长期荷载为129.12kPa<fsp=162.29kPa,满足要求。

2.2.3 复合地基沉降计算
复合地基的沉降包括两部分,一是加固区的沉降S1;二是下卧层的沉降S2。

沉降计算采用复合模量法。

当已知复合地基置换率m和各土层的压缩模量Es后,可按下式进行计算加固区的复合模量Esp:
式中:m,Esp取值方法同前。

下卧层沉降量采用一般的分层总和法进行计算,见下式:
式中:n1为加固区的土层数;n2为总土层数;△Pi,△Pj分别为各土层的附加应力,kPa;△hi为各土层的分层厚度,m;Ψ为沉降修正系数,按实测值求得,一般取1.0~1.3。

计算结果表明,加固区沉降S1很小,可忽略不计。

根据表1地质资料按上式进行计算,压缩层厚度按附加应力是自重应力的0.1
倍考虑。

计算求得下卧层总沉降为8.58cm。

2.3 经济性分析
以水泥搅拌桩、灰土桩、PTC管桩为例进行比较。

其中水泥搅拌桩、灰土桩按正三角形布桩,PTC管桩按正方形布桩。

从表2中可以看出,采用PTC管桩,较水泥搅拌桩、灰土桩约节约造价15.5%和23.5%。

3 有限元分析结果
1)根据有限元分析,在老路基基本完成沉降的情况下,引发的沉降增量对原地基而言呈反盆形分布,原路基面中心最小,拓宽部分断面形心垂线处最大,形心垂线位置至加宽后的新堤脚间逐渐减小。

图中:1为原路基形成的沉降分布,2为新拼接形成的沉降分布图
2)根据有限元分析,新拼接路基形心处的沉降量约是路肩部位沉降量的3.3倍,只要能将拼接路基沉降量控制好,就能够保证新老路基在路肩处不产生裂缝。

通过对以上地基进行管桩处理,总沉降控制在8.58cm,新老路面结合处最大沉降为2.6cm,满足5cm设计要求。

3)在原路堤高度较高时,拓宽部分在老路边坡上的荷载在总荷载中占有相当大的比重,在边坡上应根据路堤高度的大小进行适当的布桩。

4 预应力管桩断面布置原则
1)管桩布置在保证减小沉降的同时,减少不必要的新边坡下处理工程量,降低工程造价;
2)对于填土较低的路基(填高4m以下),因拼宽部分荷载大部分作用在新地基上,在需处理时,可不在老路边坡上布桩。

3)对于填土较高的路基(填高6m以上),因拼宽部分荷载大部分作用在老路边坡上,可尽量多地老路边坡上布桩,减少不必要的新拼宽边坡桩。

4) 对于填土高度4m~6m的路基,在需处理时,可根据车道位置适当设置老路边坡桩,适当减少新拼宽边坡桩。

5 结论
1)对于拼宽工程,鉴于沉降指标要求较高,不宜采用桩身强度较低、加固区沉降明显的水泥搅拌桩及灰土桩;
2)采用PTC疏桩设计,配合桩帽及加筋碎石垫层,加固区沉降较小,可忽略不计,造价较水泥搅拌桩、灰土桩节省15.5%和23.5%,经济效益明显;
3)具体设计时应结合地质条件、路堤高度、拼宽宽度合理布桩,保证桩土共同作用,减少不必要的处理量。

参考文献
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