预应力管桩在软土地基处理中的应用

预应力管桩在软土地基处理中的应用

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，哈尔滨，150001）摘要：新建客运专线路基地段多为软土，在确保技术可行的前提下，经经济比较，本段路基采用预应力管桩基础进行加固。

关键词：松软土地基处理、桩基计算、地基沉降计算、工后沉降控制

1.概况

1.1工程地质及水文地质概况

新建**客运专线，地处冲海积平原区，地势宽广平坦，地表水系发育，河塘密布，域内排涝沟渠纵横，沿线多为软土路基。现选取DK10+007～DK10+200段软土路基为例，进行分析。

工点内地层由新至老描述如下：

②31粉土（Q4al1）：黄褐色，潮湿-饱和，稍密，主要由粉粒组成，土质不均匀，夹薄层粉质黏土，Ⅰ级松土，σ0=120kPa，层厚2.8m，天然重度γ=18.8 kN/m3，内摩擦角φ=25.1°，压缩模量Es=6.69Mpa，侧阻q si=13Kpa。

⑤71粉砂（Q4mc4）：灰褐色，松散-稍密，饱和，砂质不均匀，局部夹粉土，Ⅰ级松土，σ0=90kPa，层厚8.4m，天然重度γ=18.0 kN/m3，内摩擦角φ=26°，压缩模量Es=6.0Mpa，侧阻q si=12Kpa。

⑤72粉砂（Q4mc4）：灰色、深灰色，中密，饱和，颗粒较均匀，砂质不纯，含少量云母及贝壳碎屑，局部夹粉土薄层，Ⅰ级松土，σ0=110kPa，层厚10.8m，天然重度γ=19.0 kN/m3，内摩擦角φ=28°，压缩模量Es=10.0Mpa，侧阻q si=24Kpa。

⑤72粉质黏土与粉土互层(Q4mc1)：灰色，硬塑，含千层饼状粉土，呈互层状，Ⅱ级普通土，σ0=110kPa，层厚1.46m，天然重度γ=19.0 kN/m3，内摩擦角φ=28°，压缩模量Es=12.0Mpa，侧阻q si=24Kpa。

⑤231粉质黏土与粉土互层(Q4mc1)：灰色，硬塑，含千层饼状粉土，呈互层状，Ⅱ级普通土，σ0=140kPa，层厚29.07m，天然重度γ=17.9 kN/m3，内摩擦角φ=19.2°，压缩模量Es=10.3Mpa。

⑥71粉砂(Q3al4)：灰色，密实，饱和，含千层饼状粉质黏土，呈互层状，Ⅰ级松土，σ=90kPa，层厚10.0m，天然重度γ=20.0kN/m3，内摩擦角φ=30°，压缩模量Es=11.2Mpa。0

工点内地下水主要为第四系孔隙潜水和承压水，孔隙潜水主要赋存于第四系全新统粉土中，水位埋深0.7～2.2m。

1.2技术要求

设计行车速度350km/h，轨道类型为无砟，工后沉降控制标准：无砟轨道路基工后沉降不宜大于15mm，路基与桥梁、隧道或横向构筑物交界处的工后沉降差不应大于5mm。

2.桩基设计计算

2.1单桩承载力设计

2.1.1路基填高及列车荷载

路基填高5.7m，路基面总宽度15m，填料重度γ=19KN/m3，列车与轨道荷载应力扩散角23°，路基边坡坡率1:1.5，预压土柱高度3.0m；轨道、列车荷载分布宽度3.4m，轨道荷载17.3 KN/m2，两个，列车荷载36.8 KN/m2，两个，线间荷载分布宽度1.2m，线间荷载10.7 KN/m2, 列车与轨道荷载扩散至路基基底分布宽b=13.21m，路基基底底面宽度B=31.98m。

2.1.2基底应力

高速铁路软土地基处理，重在工后沉降的控制，为此需求得不同工况下的基底应力。有荷载时为列车+轨道+路基填土，无荷载时仅为填土荷载。根据上述计算模型，采用γh 法求得有荷基底应力F 有=136.37Kpa ，采用《路基手册法》求得F 有=137.71Kpa ，无荷基底应力F 无=107.54Kpa ；堆载预压时基地应力F 预=132.24Kpa 。

2.1.3单桩承载力的确定

地基处理拟采用，外径0.5m ，内径0.3m ，桩间距S=2.4m ，采用正方形布置的预应力管桩进行加固。依据基底应力，需管桩提供的单桩承载力设计值R a =F 有*S 2=785.5 KPa 。单桩承载力受控于桩身材料强度及桩周土所能提供的抗力，分别求得各自设计值R a1、R a2取两者小值，并应大于R a 。

①按桩身材料强度计算时：R a1=Ψ*f c *A p

f c ：空心桩混凝土极限轴心抗压强度设计值，单位KPa ，C80混凝土取35.9Mpa ，C60混凝土取27.5Mpa （本工点中f c 取27.5 Mpa ），A p ：桩端面积，Ψ：成桩工艺系数，PHC 桩取0.70，PC 桩取0.75，（本工点中Ψ取0.70），带入相应参数求得R a1=1210 KN 。

②按桩周土、桩端土的抗力提供强度计算时：R a2=u ∑αi *q si *li+α*q pk (A j +λp *A pi ) l i ：第i 层土的厚度，单位：m ，q si ：第i 层土的桩侧摩阻力特征值，单位：KPa ，q pk ：桩端土的端阻力特征值，单位：KPa ，αi 、α：桩第i 层土侧摩阻力及桩端阻力修正系数，u ：桩周长，A j ：桩端净面积，λp ：桩端土塞效应系数，A pi ：空心装敞口面积，带入相应的参数求得R a2=808 KN 时，桩长为22m ，桩端位于第四层的粉质粘土与粉土互层，显然该工点的单桩承载力设计值应该取R a =808 KN 。

2.2管桩下卧层按等效附加应力计算沉降 桩底面处的附加应力按应力扩散法计算)

tan 2)(tan L 2(ββσ⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅=L D B F B D z F ：复合地基上基底压应力，单位KPa ，D:复合地基上作用长度，单位m ，B:复合地基上作用宽度，单位m （该计算模型为31.98m ），L ：复合地基加固区厚度，单位m ，β：应力扩散角，可取桩侧各土层内摩擦角加权平均值的1/4计。

带入相应的参数求得应力扩散后桩底附加应力：σ有荷=118.51KPa ，σ无荷=92.54KPa ，σ预压=113.80KPa 。

3.下卧层总沉降计算及工后沉降控制

预应力管桩为刚性桩，沉降计算时可忽略加固区的沉降量，主要计算加固区以下地层的沉降量，计算时仍采用分层总和法进行计算。主固结沉降i n i si i c h E p S ∆∆=∑=1 式中E si ：第i

层土的压缩模量（Mpa ），∆p i ：第i 层土中点的附加应力（Kpa ），∆h i ：第i 层土的厚度（m ）。

3.1下卧层地基固结沉降计算

高速铁路地基压缩层的计算深度应满足σz =0.1σt 即沉降计算深度Z 处的地基垂直附加应力等于0.1倍的地基自重应力，按该式确定的计算深度以下有软土层时，应继续增加计算深度。在满足沉降计算深度要求得前提下，求得不同工况下下卧层地基土的沉降量为：有荷载情况下，采用分层总和法计算得桩端以下23m 处的固结总沉降量为S=15.12cm ；无荷载情况下，采用分层总和法计算得桩端以下20m 处的固结总沉降量为S T1=8.84cm ；堆载预压土柱高度 3.0m 时，采用分层总和法计算得桩端以下24m 处的固结总沉降量为S T2=15.02cm 。

3.2工后沉降控制

无堆载预压的情况下，工后沉降量S r =S-S T1=6.28cm ，S r >15mm ，显然不能满足高速铁