PHC管桩加筋机场道基承载性状与沉降特性_白乔木.pdf

总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 0 6收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 8第一作者:白乔木(1 9 9 0-),男,硕士,工程师。通信作者:刘海洋(1 9 9 4-),男,博士。P HC管桩加筋机场道基承载性状与沉降特性白乔木1 满 立1 斯碧峰1 刘海洋2(1.上海机场(集团)有限公司上海机场建设指挥部 上海 2 0 1 2 0 7;2.同济大学民航飞行区设施耐久与运行安全重点实验室 上海 2 0 1 8 0 4)摘 要 为探究P HC管桩加筋机场道基的承载性状与沉降特性,文中基于上海市某机场道基处理试验段项目,分析单桩和群桩道基的静载试验结果,监测地表沉降与孔隙水压力变化规律。结果表明,P HC管桩加筋加固可显著提高机场软土道基承载力,单桩和群桩道基承载力特征值均满足设计要求。P HC管桩加筋机场道基沉降量小、收敛速度快,可应用于对工期、沉降要求严格,以及静压或锤击均存在净空问题的机场道基处理工程中,但是管桩施工期“挤土效应”明显,可通过适当增大桩间距加以改善。关键词 P HC管桩 机场道基 承载性状 沉降特性中图分类号 U 4 1 6.1 TU 4 7 3.1 在我国东南沿海地区,通过大规模、高速率填海造陆以满足公路、机场、港口等工程建设用地的案例已有很多1-3。然而,填海造陆形成的地基往往由浅层杂填土和深层淤泥及淤泥质软土组成,具有含水率高、压缩性高、抗剪强度低等工程特点。因此,基于该类土体进行工程建设,必须进行地基处理。根据不同的地基处理深度,地基处理可分为浅层处理和深层处理。学者通过长期沉降观测发现强夯法、冲击碾压法等浅层地基处理方法加固软土地基短期效果明显,但是工后长期沉降较大4。堆载预压法、真空预压法等深层地基处理方法工后沉降控制效果较好,但所需的预压周期较长,且应用于大面积地基处理时效果难以保证5-6。P HC管桩加固软土复合地基因具有施工速度快、成桩质量好、经济环保等优点,在公路软基加固、路基拓宽等工程中已取得广泛应用。林金舜等7研究表明P HC管桩加固路堤工后沉降小,稳定性好,可满足快速施工的要求。杜浩等8研究发现P HC加固对老路基影响较小,可有效控制新老路基差异沉降,满足公路拓宽施工快、工期短的要求。然而,对于机场扩建工程而言,面临新旧场道衔接部位对差异沉降控制更加严格9。同时,存在不停航施工、净空限高,以及特定工期等要素制约1 0。P H C管桩复合地基作为一种较好的地基处理方式,在机场地基处理中却较少见到。因此,本文基于上海某机场道基处理试验段项目,通过单桩和群桩道基静载试验,以及施工过程中的沉降与孔压监测,探究P HC管桩加筋机场道基的承载性状和沉降特性,以便为P HC管桩加筋加固技术在机场道基处理工程中的应用积累经验。1 工程概况1.1 工程背景上海某机场四期扩建项目子项多,分布范围广,地质条件非常复杂。同时,扩建施工受限制因素较多,例如跑道受不停航施工、净空障碍物限制面、导航台站保护区等多因素的影响。基于对上述问题的考虑,道基处理试验段工程中将P HC管桩加筋加固机场软土技术作为道基处理方式之一,P HC管桩加筋机场道基现场照片见图1。图1 P HC管桩加筋机场道基1.2 工程地质条件根据试验区岩土工程勘察报告,场地在深度3 5.4 5m范围内地基土属第四纪沉积物,主要包括黏性土、粉性土及砂土等。各土层分布呈现明显层状特点,表层以黏性土为主,混夹碎石、砖块等建筑垃圾,土性不一,土质不均。浅部层组以粉性土为主,包括粉质黏土、淤泥质粉质黏土和砂质粉土,土质较软弱。深部层组以黏性土为主,具有含水量高、孔隙比大和压缩性高,以及渗透性低的特征。具体土层分布情况及各土层物理力学参数见表1。表1 土层物理力学参数编号土层名称厚度范围/m含水率/%重度/(k Nm-3)液限/%黏聚力c/k P a内摩擦角/()渗透系数/(c ms-1)固结系数/(1 0-3c m2s-1)0吹填土1.13.63 0.71 8.53 6.71 71 8.52.7 62淤泥质粉质黏土1.28.83 7.71 7.83 5.21 31 7.01.2 61 0-61.1 02砂质粉土1.83.82 5.51 9.23 2.58.3 31 0-48.9 0淤泥质黏土6.01 0.44 91 6.84 3.31 41 0.51.7 31 0-70.6 0黏土8.61 1.84 0.21 7.64 1.01 61 1.51.2 71 0-61.9 4粉砂2 2.91 9.73 3.01.3 工程方案P HC管桩加筋机场道基试验主要为扩建工程中的场道小绕滑做准备,试验区域面 积6 0 0m2。综合考虑工程中常用的P HC管桩型号及其抗弯、抗压力学性能,确定本试验中采用管桩桩型为P HC 3 0 0(7 0)A B型。为满足新建绕滑段与既有场道沉降变形协调,取桩长为2 6m,桩端进入第层黏土层,且并未到达粉砂层。为分析布桩间距对地基沉降影响,试验设置为桩间距不同的1 5m2 0m的2块长方形区域Y 1、Y 2,示意见图2,具体参数见表2。此外,为防止桩顶刺入,增加桩体受力面积,在桩顶设置边长1.2m、厚度0.4m正方形钢筋混凝土桩帽,桩帽之间通过截面尺寸为0.6m 0.4m的系梁连接。图2 P HC管桩加筋机场道基试验区表2 P H C管桩加筋机场道基参数m区域桩间距桩长桩径Y 12.52 60.3Y 22.82 60.3 待桩帽及连梁强度达到要求后,铺设5 0c m厚山皮石垫层。在桩帽顶面和顶面向上2 0c m的位置分别铺设一层T G S G 5 0 5 0型双拉塑料格栅,土工格栅铺设时每幅横向搭接不小于2 0c m,纵向搭接不小于5 0c m。垫层顶面土方堆载高度2m,压实度9 3%,模拟道面结构荷载。1.4 测点布设为探究P HC管桩加筋机场道基施工质量以及承载力是否满足要求,依据J G J1 0 6-2 0 1 4 建筑基桩检测技术规范,分别进行了P HC管桩单桩静载试验和群桩道基静载试验,其中布置单桩测点个数3个,编号为D 1D 3。布置群桩道基测点个数6个,编号为F 1F 6。此外,为分析P HC管桩加筋机场道基处理效果以及不同桩间距对地表沉降和孔隙水压力的影响,分别在Y 1和Y 2区域布置地表沉降点各4个,测点之间间距1 0m,编号为S 1S 8。布设孔隙水压力计各1个,编号为K X 1和K X 2,孔压计采用一孔多点的埋设方式,沿埋深每5m设置1个测点,每孔共设置6个测点。试验测点布置位置见图3。图3 P HC管桩加筋机场道基测点布设2 结果分析2.1 静载试验结果建筑基桩静载试验中沉降随荷载变化曲线(Q-s曲线)和沉降随时间对数变化曲线(s-l gt曲线)可综合反映桩基在荷载作用下的变形特性、桩土相互作用规律及破坏模式等,通过对Q-s曲线和s-l gt曲线的综合分析有助于对桩基承载性状的总体把握。本文中单桩和群桩道基静载试验42白乔木等:P HC管桩加筋机场道基承载性状与沉降特性2 0 2 3年第1期Q-s曲线和s-l gt曲线分别见图4图7,静载试验数据结果见表3。图4 单桩Q-s曲线图5 单桩s-l gt曲线(以D 1为例)图6 群桩道基Q-s曲线图7 群桩道基s-l gt曲线(以F 4为例)表3 静载试验结果测点最大加载量/k N累积沉降/mm回弹量/mm残余沉降量/mm回弹率/%残余沉降率/%D 19 9 01 0 4.1 11 9.4 18 4.7 01 8.6 48 1.3 6D 29 9 01 0 2.4 82 0.2 68 2.2 21 9.7 78 0.2 3D 310 8 01 0 5.1 51 6.6 48 8.5 11 5.8 38 4.1 7F 16 5 02 5.7 21 1.6 01 4.1 24 5.1 05 4.9 0F 26 5 02 7.5 59.3 11 8.2 43 3.7 96 6.2 1F 36 5 03 0.3 81 0.4 01 9.9 83 4.2 36 5.7 7F 46 5 03 2.5 76.3 62 6.2 11 9.5 38 0.4 7F 56 5 03 4.4 11 9.6 61 4.7 55 7.1 34 2.8 7F 66 5 04 1.0 81 4.3 92 6.6 93 5.0 36 4.9 7 由图4可见,由于各试桩施工时间、打入深度以及所处的地质条件基本相同,各桩的Q-s曲线变化规律也基本一致。在荷载施加初期,沉降随荷载增加呈线性增加趋势,且沉降量变化较小,此时主要为桩身弹性变形。当荷载接近或超过某一荷载时,桩顶沉降突然急剧增加,承载力明显减小。此外,图5所示D 1测点单桩沉降随时间对数变化曲线同样可看出,在前几级荷载作用下,沉降曲线变化均较平坦,而当荷载增加到9 9 0k N后,沉降随时间发生明显向下偏转,表明承载力显著减小。根据J G J1 0 6-2 0 1 4 建筑基桩检测技术规范 可判定本文中各单桩Q-s曲线均为陡降型。因此,取Q-s曲线发生明显陡降的起始点对应的荷载值为单桩竖向抗压极限承载力,最终确定D 1D 3的极限承载力值分别为9 0 0,9 0 0,9 9 0k N,对应沉降量分别为2 9.9 3,3 5.7 9,2 8.8 6mm,进而确定本文试验区单桩承载力特征值为4 5 0k N。此外,由表3可见,3根试桩残余沉降量占总沉降量比例均大于8 0%,在卸载过程中,桩顶发生一定回弹,但总体回弹率小于2 0%,表明试桩塑性变形较为明显。结合本文桩长及桩端位置分析可知,影响桩顶沉降的主要因素为桩端土体变形。因为桩端位于黏土层,其抗压模量远远小于P HC管桩的抗压模量,所以桩端土层压缩变形远远大于桩身压缩变形。而当荷载超过极限荷载时,桩端土体塑性变形较大,不可逆变形超限,发生冲切破坏,因此桩顶沉降急剧增加,承载力明显下降。由图6可见,群桩道基Q-s曲线明显不同于单桩Q-s曲线,在荷载施加阶段,随着荷载增加,沉降增加速率由慢到快,变化曲线较平缓且光滑,没有出现沉降突增现象,呈现出典型的“抛物线”形状。此外,图7所示F 4测点群桩道基沉降随时间对数变化曲线显示,各级荷载作用下的沉降变化均较平坦,未出现向下偏转现象。根据J G J522 0 2 3年第1期白乔木等:P HC管桩加筋机场道基承载性状与沉降特性1 0 6-2 0 1 4 建筑基桩检测技术规范 可判定本文中群桩道基Q-s曲线为缓变型。采用极限承载力不低于6 5 0k P a确定F 1F 6对应沉降量分别为2 5.7 2,2 7.5 5,3 0.3 8,3 2.5 7,3 4.4 1,4 1.0 8mm,进而判定本文P HC管桩加筋机场道基承载力特征值不低于3 2 5k N,且加固后的机场道基具有一定的安全储备。此外,同样由表3可见,P HC管桩加筋机场道基残余沉降量占总沉降量平均比例约为6 0%,在卸载过程中,地表沉降回弹率约为4 0%,表明机场道基抗变形模量有所提高。对比Y 1区域和Y 2区域可知,相同的荷载等级下,Y 2区域的累积沉降更大,表明减小桩间距可增大机场道基承载力。2.2 沉降监测结果为更直观地反映P HC管桩加筋机场道基加固机场软土的效果,对比分析了同一地质条件下P HC管桩加筋加固和堆载预压、真空预压处理后地表沉降监测结果,其中堆载预压试验堆载高度为6m,真空预压试验真空度为8 1k P a。Y 1和Y 2区域地表沉降量和沉降速率随时间发展情况分别见图8图1 1。图8 Y 1区域沉降量随时间变化图9 Y 2区域沉降量随时间变化图1 0 Y 1区域沉降速率随时间变化图1 1 Y 2区域沉降速率随时间变化由图8图1 1