劉 華， 張?zhí)祝?李國生

(1.濟(jì)南市城市建設(shè)投資服務(wù)中心有限公司 濟(jì)南市 250013； 2.濟(jì)南城建集團(tuán)有限公司 濟(jì)南市 250031)

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁因具有施工工藝簡單、施工速度快以及質(zhì)量可靠等特點在軟土地基加固方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]，為了更加深刻地了解預(yù)應(yīng)力混凝土管樁加固軟土地基特性和樁體參數(shù)影響，進(jìn)行了詳細(xì)地研究分析。近年來，國內(nèi)學(xué)者對此進(jìn)行了一些研究，主要有：王麗云等[5]以某工程為例，介紹了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁復(fù)合地基承載力和沉降量的計算方法，并提出了相關(guān)施工工藝。俞帆等[6]以某高速公路軟基處理為研究對象，分析了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁加筋路堤的地基變形規(guī)律。張新生和張潔等[7-8]以鐵路路基加固為研究對象，采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁進(jìn)行加固，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，驗證了該加固方法的有效性。采用數(shù)值模擬的方法分析預(yù)應(yīng)力混凝土管樁加固軟土路基效果，并對相關(guān)參數(shù)影響進(jìn)行了分析，研究結(jié)果可為軟基處理提供參考和借鑒。

1 工程概況

濟(jì)南市濟(jì)鋼片區(qū)市政道路建設(shè)一期工程開源中路位于濟(jì)南市歷城區(qū)濟(jì)鋼片區(qū)，全長約2927m。根據(jù)地質(zhì)報告顯示，在靠近南側(cè)與橋梁引橋銜接區(qū)段，為道路填方段，原始地表以下存在較厚的充填區(qū)，地質(zhì)條件較差，擬采用預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基加固處理橋頭，以避免產(chǎn)生過量沉降。地基從上到下土層依次為填土、碎石墊層、粉土①、粉砂①、粉土②、粉砂②、粉質(zhì)黏土①和粉土③，厚度依次為5m、0.5m、16m、1.8m、3.9m、2.2m、3.5m和2.6m。路基的頂部寬度和填土高度分別為40m和5m，其中砂石墊層厚度為0.5m，坡率為1∶1.5，施工時采用分層鋪填碾壓的方法，按照每層1.0m進(jìn)行分層碾壓，共碾壓5次完成。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁設(shè)計樁長為14m，樁徑為0.5m，樁間距為2.0m，同時在樁頂設(shè)置樁帽。

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立

如圖1所示，采用有限元軟件Plaxis建立的數(shù)值模型圖。由于路基的對稱性，取右半幅進(jìn)行建模分析，半幅路基的頂部寬度和填土高度分別為20m和5m，坡率為1∶1.5。模型整體寬度為90m，模型整體高度為37.5m，砂石墊層厚度為0.5m。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁長為14m，樁徑為0.5m，樁間距為2.0m。采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型模擬分析，除上邊界外，模型其他邊界均進(jìn)行位移約束。

圖1 數(shù)值模型圖

表1為土層物理力學(xué)參數(shù)，表2為管樁和樁帽的物理力學(xué)參數(shù)。

表1 土層的物理力學(xué)參數(shù)

表2 管樁和樁帽的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

為了驗證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，在模擬計算過程中對分層填筑的路基頂部中心沉降值進(jìn)行監(jiān)測，如表3所示，給出了數(shù)值模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測值，由表3可知，隨著填筑高度的增大，路基最大沉降增大，分層填筑過程中數(shù)值模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差均在10%以內(nèi)，說明數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

表3 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析表

3 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁加固路基前后對比分析

為了分析預(yù)應(yīng)力混凝土管樁加固軟土路基效果，主要對加固前后的地基沉降和水平位移進(jìn)行分析。

3.1 沉降分析

如圖2所示，給出了管樁處理地基前后的路基沉降云圖，由圖可知，在處理加固之前，路基沉降比較集中，其中以路基中心頂部沉降最大，往路基兩側(cè)和往地基深度方向沉降減小。在管樁加固處理之后，路基沉降分布比較分散，說明管樁起到了有效地加固作用。

圖2 管樁處理前后路基沉降云圖

為了更加直接地得出預(yù)應(yīng)力混凝土管樁加固軟土路基效果，如圖3所示，給出了管樁處理前后地基沉降對比曲線，由圖3可知，采用管樁加固之后，在加固區(qū)域地基沉降明顯減小，尤其在地基中心沉降減小最為明顯，管樁處理前地基最大沉降值為127.4mm，管樁處理后地基最大沉降值為76.8mm，管樁處理后最大沉降減小了39.7%。

圖3 管樁處理前后地基沉降對比曲線

3.2 水平位移分析

如圖4所示，給出了管樁處理地基前后的路基水平位移云圖，由圖4可知，在處理加固之前，路基水平位移較大值集中在路基坡腳處，在管樁加固處理之后，路基水平位移較大值集中區(qū)下降到管樁樁底下部區(qū)域，說明采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁加固之后路堤坡腳水平位移明顯減小，有效保證了路堤安全。

圖4 管樁處理前后路基水平位移云圖

如圖5所示，給出了管樁處理前后地基水平位移對比曲線，由圖5可知，采用管樁加固之后，地基水平位移明顯減小，尤其在靠近坡腳位置地基水平位移減小最為明顯，管樁處理前地基最大水平位移值為72.3mm，管樁處理后地基最大水平位移值為26.4mm，管樁處理后最大水平位移值減小了63.5%。

圖5 管樁處理前后地基水平位移對比曲線

4 管樁參數(shù)影響分析

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁參數(shù)的變化勢必對軟土地基加固效果產(chǎn)生影響，為了對管樁取值參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，主要通過改變樁長、樁間距和樁帽來分析其規(guī)律。

如圖6所示，給出了樁長對路堤沉降影響曲線，樁長分別取12m、14m和16m進(jìn)行分析，樁間距取2.0m且不變，設(shè)置樁帽。由圖6可知，通過增大樁長，可以減小路基沉降，其中路基中心沉降降低最大。樁長取12m、14m和16m時對應(yīng)的路基最大沉降分別為85.9mm、76.4mm和68.6mm，樁長取14m和16m時比樁長取12m時路基最大沉降分別減小了11.1%和20.1%。

圖6 樁長對路堤沉降影響曲線

如圖7所示，給出了樁間距對路堤沉降影響曲線，樁間距分別取2.5m、2.0m和1.5m進(jìn)行分析，樁長取14m且不變，設(shè)置樁帽。由圖7可知，通過減小樁間距，可以減小路基沉降。樁間距分別取2.5m、2.0m和1.5m時對應(yīng)的路基最大沉降分別為86.2mm、76.4mm和67.8mm，樁間距取2.0m和1.5m比樁間距取2.5m時路基最大沉降分別減了11.4%和21.3%。

圖7 樁間距對路堤沉降影響曲線

綜上可知，通過增大樁長和減小樁間距均可以有效降低路基沉降，但在實際工程中，這種降低沉降是有限的，當(dāng)樁長過長或樁間距過小時，不僅路基沉降減小不明顯，還會嚴(yán)重降低樁間土的承載性能，同時增大施工成本、施工周期和難度，設(shè)計和施工過程中要根據(jù)地質(zhì)和工程條件合理設(shè)計參數(shù)。

如圖8所示，給出了樁帽對路堤沉降影響曲線，分別取設(shè)置樁帽和不設(shè)置樁帽兩種工況，樁長取14m且不變，樁間距取2.0m且不變。由圖8可知，通過設(shè)置樁帽，可以減小路基沉降。設(shè)置樁帽和不設(shè)置樁帽對應(yīng)的路基最大沉降分別為85.5mm和76.4mm，即設(shè)置樁帽相比于不設(shè)置樁帽路基最大沉降減小了10.6%。這是由于樁帽的設(shè)置，使得樁體承載能力增大，降低了樁間土分擔(dān)荷載，更有效地發(fā)揮了樁體承載能力。

圖8 樁帽對路堤沉降影響曲線

5 結(jié)論

采用數(shù)值模擬的方法分析預(yù)應(yīng)力混凝土管樁加固軟土路基效果，并對相關(guān)參數(shù)影響進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

(1)分層填筑過程中數(shù)值模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差均在10%以內(nèi)，說明數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

(2)加固前路基沉降比較集中，路基水平位移較大值集中在路基坡腳處；加固后地基沉降大幅度降低，路堤坡腳水平位移明顯減小，保證了路堤的安全。

(3)增大樁長和減小樁間距均可以有效降低路基沉降，但這種降低沉降是有限的，當(dāng)樁長過長或樁間距過小時，不僅路基沉降減小不明顯，還會嚴(yán)重降低樁間土的承載性能，同時增大施工成本、施工周期和難度，設(shè)計和施工過程中要根據(jù)地質(zhì)和工程條件合理設(shè)計參數(shù)。

(4)通過設(shè)置樁帽，增強了發(fā)樁體承載能力，降低了樁間土分擔(dān)荷載，有效地發(fā)揮了樁體承載能力，減小了路基沉降。