同济大学 上海 200092
[摘 要] 本文章介绍了S31天津滨海新区绕城高速公路津港高速段的软土地基处理方案，研究了采用PTC管桩加固桥头软土地基的沉降计算方法，对复合地基进行了优化设计，为类似设计提供了参考。
[关键词] 软土地基 地基处理 管桩 复合地基 优化设计
1 概述
天津滨海新区绕城高速S31，于2011年开工建设，目前主体工程已基本建成，部分段落已实现开通试运营。其中，津港高速段起于西外环高速，止于秦滨高速，总长约9.5km，采用双向6车道高速公路标准，设计速度100km/h。
全线均为软土地基，广泛分布有淤泥质土，淤泥质土厚度3～9m不等，90％路段穿越大片的盐池，为不影响盐场正常生产，沿线共设置28道横向过水涵洞。如何控制涵洞两侧以及桥头路基不均匀沉降是设计人员需要解决的重点问题。
2 涵洞地基处理方案
工程沿线横向过水构筑物较密，平均间距300m左右一道横向过水涵洞。经过地基沉降计算，在不进行软基处理的情况下，涵洞处路基沉降大于20cm，不满足路基设计规范的要求。
通常情况下，涵洞处软土地基处理方法为排水固结法和复合地基法。但是排水固结法要求的施工时间长，再加上临时排水构筑物的实施，对路基大规模机械化施工很不利，影响路基施工质量；而复合地基法的应用上，考虑到处理方式的经济性，一般采用加固土桩处理软土地基。
采用加固土桩复合地基提高了地基承载力，控制了涵洞下地基固结变形，但造成了涵洞与两侧路基之间的不均匀沉降差，从现状盐场的几条道路通车情况看，行车舒适性很差，涵洞处的跳跃感受非常明显。
前期研究阶段，充分重视基础形式的选择和设计，经过大量周密的计算分析后，规避了打桩的传统基础处理形式，采用了钢筋混凝土板的整体基础形式：首先山皮土换填淤泥，碾压山皮土成型并细料填缝整平，浇筑素砼垫层后整体浇筑40cm厚钢筋混凝土基础，最后，在此基础上施工涵洞结构，基础宽出涵洞结构2m。管涵采用预制成品管节，而箱涵可以不分节，与基础同时受力，实际应用时，涵洞底高程需考虑沉降值的影响。
该处理方案保证了施工过程中的整体稳定性，不会造成沉降值过大引起圆涵洞管节脱开造成的路基冲刷现象，又避免了路、涵之间的工后不均匀沉降，大大降低了工程投资。实际测算投资，相比较传统的复合地基法，节省工程投资额一千多万元。
3 桥头地基处理方案
在沿海软土地区大量采用预应力混凝土管桩加固软土地基的背景下，2000年以后，滨海新区在高速公路的拓宽工程中开始使用管桩控制新老路基搭接的沉降差异。天津滨海新区绕城高速公路跨越整个滨海新区，于2012年开工建设，目前大部分路段已建成通车。在公路沿线地质情况复杂以及软土层较厚的条件下，滨海新区高速公路新建工程中，第一次大规模使用PTC管桩处理桥头地基。
3.2 桥头地基处理长度
桥头软土地基处理段的总长度可以通过沉降引起的道路附加纵坡值确定。附加纵坡值与道路的等级、车速有关，一般取值0.3%~0.5%。由桥头地基两侧的沉降差值除以附加纵坡值即可得出桥头地基处理长度，一般可取值30~60m。
为实现桥头地基不均匀沉降的平稳过渡，需要对地基处理段落划分区区域，划分个数一般为2~3个，每段区域的桩间距不同由桥头往路基逐渐增大。
3.2 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。加固区的沉降s1计算可采用复合模量法，下卧层的沉降s2下卧层沉降量采用分层总和法进行计算。
分层总和法计算下卧层沉降的难点在于附加应力的计算，可以采用应力扩散法和等效实体法，等效实体法加固区的侧摩阻力密度的推求难度较大，应力扩散法的扩散角难以确定。本次采用应力扩散法计算附加应力。
应力扩散法计算简图如图所示。
若复合地基上作用荷载为P，复合地基加固区压力扩散角为β，则作用在下卧土层上的荷载Pb可用下式计算：
式中：B-复合地基上荷载作用宽度；
D-复合地基上荷载作用长度；
h-复合地基加固区厚度。
运用数值模拟方法，利用大型有限元软件ABAQUS建立PTC管桩复合地基模型，复合地基表面设置碎石垫层作为外荷载直接施加对象，提取复合地基的下卧层附加应力后，反算应力扩散角，改变数值模型中的桩长、桩间距、土体参数等因素，建立应力扩散角与不同因素之间的关系，为实际工程中的应用提供依据。
应力扩散角取值与土体内摩擦角（φ）、桩长（h）、桩间距（D）、荷载（P）变化及垫层厚度（m）有较大关系。通过对上述因素的线性回归分析，可得到应力扩散角（β）的表达式如下：
注：上式中的变量均为无量纲数字。
沉降计算理论方法在实际工程中可按以下流程进行应用。
3.3 复合地基优化设计
在满足桥头路段工后沉降控制标准10cm前提下，需要研究桩体、垫层、桩帽等对复合地基沉降的影响，运用数值模拟和理论分析相结合的方对桩长、桩间距、垫层厚度和桩帽尺寸进行优化设计。
数值模拟结果分析结论如下：
随着垫层厚度的增加，同一外荷载作用下沉降减小，当荷载相当于填土高度为5m时，在较软土层里，沉降减小幅度平均值为15.0%；同一沉降控制标准，随着垫层厚度的增加，对应的承载力增加，当沉降控制标准为10cm时，在较软土层中承载力增加幅度平均值为8.4%。推荐实际工程中的垫层厚度为50cm左右，并在碎石垫层中添加土工格栅成为加筋垫层，减小桩与土之间的不均匀沉降，桩土之间的协同受力情况良好。
随着桩帽的增加，同一外荷载作用下沉降减小，当荷载相当于填土高度为5m时，沉降减小幅度平均值为35.5%；同一沉降控制标准，随着垫层厚度的增加，对应的承载力增加，当沉降控制标准为10cm时，承载力增加幅度平均值为12.2%。推荐桩帽尺寸可按0.4倍桩间距进行设计。
对于深厚软土地基来说，管桩长度过小的情况下，桩端阻力越小，桩端会产生下刺现象，桩土协调变形的时间越长，造成复合地基沉降控制失效。因此适当提高桩长是有利的，随着桩长的增加，土体的扩散效应越明显，传递至下卧层的附加应力越小，对应路基沉降较小，但是工程投资提高了，施工击入土体的难度也快速增加。考虑桩长与桩间距的配合，推荐采用16m-24m的桩长，一般为两节管桩，并尽量将桩端进入较好土层3-5倍桩径。
刚性桩复合地基桩间距的变化，桩体和桩周土外部荷载分担比随之变化。若桩间距较小，桩的承载能力无法有效发挥，桩间距过大会造成桩顶应力的集中和复合地基沉降值增加，桩端土出现塑性区，在桩体沉降加剧的过程中，桩土应力比会出现下降的现象。综合考虑附加荷载大小、地基土物理指标、工程经济性、打桩挤土效应，推荐桩间距取值2.0-3.0m。
3.4 其他注意事项
一般情况下桥头段与过渡段的桩长取值相同，为避免过渡段与未处理段发生跳车现象，建议过渡段最后三排管桩逐渐减少桩长。
在无环境敏感点时，推荐采用锤击法施工。施工前需要进行试桩，记录贯入度、锤击数等，对管桩单桩承载力的理论计算值与实测进行比对，根据实验结果可修改最后阵击的贯入度最大值，保证处理效果。
4 结束语
本文介绍了津港高速软土地基的处理方案，并且从建成通车的实际效果来看，很好的达到了设计预期，本工程路面工程铺筑完成到现在已经将近3年的时间，沿主线路基行驶感受不到桥头跳车现象以及涵洞处不均匀沉降带来的颠簸，为以后类似工程提供了一个成功范例。
相比较传统的无机结合料加固土桩，采用管桩处理软土地基方便了施工及质量检测、控制，工程综合造价较低，但是理论计算远远落后于工程实践。本文提出了适用于天津滨海新区高速公路桥头软土地基加固工程的沉降计算方法与相关系数取值范围，并对PTC管桩复合地基设计中的相关尺寸进行了优化设计，对于滨海新区今后类似工程设计具有一定的借鉴意义。
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论文作者:程海波,,赵春风
论文发表刊物:《城镇建设》2019年18期
论文发表时间:2019/11/1
标签：地基论文; 涵洞论文; 荷载论文; 应力论文; 桥头论文; 路基论文; 间距论文; 《城镇建设》2019年18期论文;