黄河冲积平原区高速公路加宽中刚性桩的应用_钟立昌.pdf

-58-钟立昌，谢 波：黄河冲积平原区高速公路加宽中刚性桩的应用黄河冲积平原区高速公路加宽中刚性桩的应用钟立昌，谢 波（山东省交通规划设计院集团有限公司，山东 济南 250101）摘要：为有效减小黄河冲积平原区高速公路加宽时新拼宽部分地基沉降，对各种地基处理方式进行对比分析，选取刚性桩复合地基作为地基处理方式。对刚性桩复合地基的单桩承载力、复合地基承载力、地基沉降计算公式进行分析。选取京台高速德州至齐河加宽段进行计算，结果表明刚性桩复合地基可有效提高基地基承载力，减少地基沉降，证明了刚性桩复合地基在黄河冲积平原区高速公路加宽中应用的可行性。关键词：黄河冲积平原区；高速公路加宽；刚性桩；承载力；沉降中图分类号：U416 文献标识码：B Application of the rigid pile on expressway widening in alluvial plain of the Yellow riverZHONG Lichang,XIE Bo（Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute Group Co.,Ltd.,Shandong Jinan 250101 China）Abstract:In order to reduce the foundation settlement of widening part of expressway in alluvial plain of the yellow river,a variety of foundation treatment methods are compared and analyzed,rigid pile composite foundation is selected as foundation treatment method.Calculation formulas of bearing capacity of single pile,bearing capacity of composite foundation and foundation settlement are analyzed.Beijing-Taipei expressway widening from Dezhou to Qihe is selected as an example to calculate,the results show that rigid pile composite foundation can improve bearing capacity of foundation and reduce foundation settlement.The application of the rigid pile on expressway widening in alluvial plain of the yellow river is proved to be feasible.Key words:rigid pile;alluvial plain of the yellow river;expressway widening;bearing capacity;settlement1 高速公路加宽地基处理方式1.1 黄河冲积平原区高速公路扩建特点黄河冲积平原主要由黄河泥沙冲积形成，地层主要由粉土、粉质黏土、粉砂组成，结构较为松散，压缩性高，固结程度低，局部地区地下水位埋深较浅，在附加应力作用下，易产生较大的沉降。在黄河冲积平原区进行高速公路扩建，老路地基经过长期荷载的作用沉降已经基本完成，新拼宽部分地基在路基荷载及行车荷载下，易产生较大的沉降，新旧地基产生较大的差异沉降，沉降向路基路面反射，最终导致路面产生较大的纵向裂缝，影响行车安全。1.2 高速公路扩建常用的地基处理措施1.2.1 采用地基浅层补强新拼宽部分的地基在振动压路机压实的基础上，采用冲击碾压或者高速液压的方式对新拼宽部分地基进行补强压实。此种处理措施优点是造价低，施工速度快，缺点是对新拼宽部分地基的补强深度较浅，一般在 2 m 以内。当路基高度较高，路基荷载较大，不能有效地解决地基在路基荷载下沉降问题。而平原区高速公路路基较高，且黄河冲积平原区地层以粉土、粉质黏土、粉砂为主，在荷载作用下，沉降较大，难以适应黄河冲积平原区高速公路扩建的要求。1.2.2 强夯处理强夯是通过对地基施加强大的冲击力和振动，提高地基土的强度，降低压缩变形的地基加固方法。强夯随着夯击能的提高，其处理深度随之加深，常规强夯处理深度可达 5 m 以上，可对深层土体进行加固1。强夯对粉土地层加固效果好，施工工艺成熟，造价较低。但在新拼宽部分进行强夯，会对老路路基稳定及老路行车造成较大的影响，不适合高速公路扩建地基处理。1.2.3 采用复合地基根据地基地质情况，采用粒料桩、加固土桩、收稿日期：2022-05-19作者简介：钟立昌（1991），男，山东济宁人，硕士研究生，工程师，研究方向为公路路基工程。2022 年第 6 期山东交通科技-59-水泥粉煤灰碎石桩（CFG 桩）对新拼宽部分进行地基处理。此类措施的优点是应用广泛，施工工艺成熟，缺点是需要在施工现场进行成桩，工期长，时间成本高。高速公路保通要求高，工期要求紧，难以适应高速公路扩建工期短的要求。1.3 刚性桩复合地基刚性桩复合地基是一种组合型复合地基，刚性桩复合地基由桩体、桩帽、加筋垫层组成。桩体可采用预应力钢筋混凝土薄壁管桩（PTC），桩体采用工厂预制，桩帽可现场现浇，也可工厂预制；加筋垫层由加筋材料及垫层共同构成，加筋材料多采用钢塑土工格栅，垫层可选择级配良好的碎石、砂砾、石屑等。采用刚性桩复合地基能较好的调动桩、加筋垫层、桩间土的承载潜力2，具有承载力高、沉降变形小、工期短、施工方便等特点，适合粉土、粉质黏土地层处理，且施工时对老路路基及老路行车基本无影响，适合黄河冲积平原区高速公路改扩建地基处理。2 刚性桩复合地基计算分析2.1 单桩承载力计算刚性桩复合地基中的桩体采用预应力钢筋混凝土薄壁管桩，根据公路软土地基路堤设计与施工技术细则（JTG/T D31-022013）3及建筑桩基技术规范（JGJ 942008）4中有关规定，单桩竖向承载力设计值：pkskspQQR=+（1）式中：R单桩竖向承载力设计值，kN；Qsk、Qpk单桩总极限侧阻力、总极限端阻力标准值，kN；s、p侧阻抗力分项系数和端阻抗分项系数。Qsk、Qpk采用中混凝土空心桩承载力公式进行计算4：skpks kpkjppl1()niiiQQq lqAA=+=+（2）式中：qsik桩侧第 i 层土的极限侧阻力标准值，kPa；qpk极限端阻力标准值，kPa；Aj空心桩桩端净面积，m2；Apl空心桩敞口面积，m2；p桩端土塞效应系数；li第 i 层土的深度，m。单桩承载力应满足规定：R0Fcap（3）式中：0建筑物桩基重要系数，取 1.1；Fcap桩顶荷载压力，kN。Fcap根据公路软土地基路堤设计与施工技术细则（JTG/T D31-022013）3：p1p2capsupp2(1)(1)(1)1KKFSKK=+（4）p2(1)ppsupp221()(1)()2()23232KKKSHSbKK=+（5）式中：su作用在桩间土上的应力，kPa；Kp被动土压力系数，；路堤填料的内摩擦角，（）；路堤填料的重度，kN/m3；S桩间距，相邻两桩的中心距，m；b桩帽宽度，m；桩间土承载力之比，=b/S；H路堤高度，m，宜大于 1.4（S-b）；待定系数，可按222capsu=()+()()S H FSb计算。2.2 复合地基承载力计算根据建筑地基处理技术规范（JGJ 792012）5和复合地基技术规范（GB/T 507832012）6，复合地基承载力特征值：spkapsk/(1)fmRAm f=+（6）式中：fspk复合地基承载力特征值，kPa；m面积置换率；Ap为刚性桩截面面积，m2；单桩承载力发挥系数；桩间土承载力发挥系数；Ra桩身承载力特征值，kN；fsk桩间土承载力特征值，kPa。2.3 沉降计算根据 公路软土地基路堤设计与施工技术细则（JTG/T D31-022013）3，刚性桩采用单向压缩分层总和法计算最终沉降：,p11s,jnmj ij ijij ihSE=（7）式中：S桩基最终沉降，mm；m桩端平面以下压缩层内土层分层的数目；Esj,i桩端平面下第 j 层土第 i 个分层在自重应力至自重应力加附加应力作用段的压缩模量，MPa；nj桩端平面下第 j 层土的计算分层数；hj,i桩端平面下第 j 层土第 i 个分层的厚度，m；j,i桩端平面下第 j 层土第 i 个分层的竖向附加应力，kPa；p桩基沉降计算经验系数，根据工程实测资料确定。3 刚性桩复合地基的应用3.1 方案概述京台高速德州至齐河段处于鲁西北黄河冲积平原，地层为典型的黄河冲积平原区地层，于 1997年建成通车，为山东西北部南北向的交通大动脉。2019 年开工扩建，由四车道拼宽为八车道。为减少对交通的影响，建设工期压缩至 2.5 a。选定刚性桩复合地基作为地基处理方式，选取典型 3 个工点进行计算，见表 1。刚性桩桩体选用 预应力混凝土管桩技术标准钟立昌，谢 波：黄河冲积平原区高速公路加宽中刚性桩的应用-60-（JGJ/T 4062017）中 400（60）A 型号7，桩长10.5 m，混凝土等级为C60，正方形布置，桩间距2.1 m。根据地勘资料，在地勘深度内无岩层，刚性桩为摩擦桩。表 1 典型工点桩号K299+622K299+340K316+677.5路基填高/m4.24.14.6地层情况一般地质软土软土3.2 单桩承载力根据地勘资料，取土的内摩擦角为 30，重度为 18.5 kN/m3，桩间距 2.1 m，帽宽度 1.0 m，桩帽宽度与桩间距比为 0.48，被动土压力系数为 3.0，计算非软土段桩号 K299+622 处与软土段桩号 K299+340、K316+677.5处桩顶荷载压力，计算结果见表2表4，计算值分别为 92 kN、91 kN、98 kN。表 2 K299+622 处桩顶荷载待定系数桩间土上的应力/kPa桩顶荷载压力/kN22sucap()FSb+/kN2S H/kN0.100193.34 14.68 243.40 342.66 0.200175.51 57.25 370.74 342.66 0.300116.85 92.31 431.62 342.66 0.33377.70 77.70 342.67 342.66 0.385-31.78-44.10-182.15 342.66表 3 K299+340 处桩顶荷载待定系数桩间土上的应力/kPa桩顶荷载压力/kN22sucap()FSb+/kN2S H/kN0.100191.4914.54241.07334.500.200173.6656.65366.83334.500.300115.0090.85424.79334.500.33375.8575.85334.51334.500.385-33.63-46.66-192.75334.50表 4 K316+677.5 处桩顶荷载待定系数桩间土上的应力/kPa桩顶荷载压力/kN22sucap()FSb+/kN2S H/kN0.100200.7415.24252.71375.290.200182.9159.67386.37375.290.300124.2598.15458.96375.290.33385.1085.10375.31375.290.385-24.38-33.83-139.74375.29计算非软土段 K299+622 处与软土段 K299+340、K316+677.5 处单桩承载力特征值分别为 367 kN、340 kN 与 337 kN。此处取安全系数为 2.0 规范3要求的分项安全系数 1.65，结果偏安全，满足要求。3.3 复合地