预应力混凝土管桩在软土地基中的应用

             1引言 

　　近年来，随着我国船舶修造业的快速发展，在东南沿海地区快速地建造起了一批现代化的工业厂房但由于这些地区分布着深厚的软土层，给船厂的建设带来了不同程度的危害 虽然厂房的主体结构可以通过桩基解决沉降问题，但厂房室内地坪由于面积大所受荷载重等特点，按刚性桩基础或化学加固法来处理的话，建设成本将会极高且进度缓慢。为此，本文提出采用预应力混凝土管桩来加固软土地 基，从而提高地坪承载力，减小地坪的沉降。 

　　2 软土中预应力混凝土管桩复合地基设计原理 

　　2. 1 软土及软土地基 

　　2.1.1软土 

　　工程上将淤泥和淤泥质土称为软土，软土是以黏粒为主的土在静水或非常缓慢的流水环境中沉积而成 软土含水量大压缩性高透水性小承载力低，呈软塑-流塑状态，这种土多分布于我国东南沿海沿江和湖泊地区 

　　2.1.2软土地基 

　　软土地基主要由黏土和粉土等细微颗粒含量多的松软土孔隙大的有机质土泥炭以及松散砂等土层构成，具有地下水位高，其上土体及构造物稳定性差的特点，且易发生较大沉降的地基 

　　2. 2管桩复合地基桩土共同作用的原理 

　　管桩复合地基在竖向荷载的作用下，加载初期褥垫层发生一定的弹性变形，为管桩提供一向上刺入量，将荷载分别传给管桩和桩间土由于桩间土较管桩变形模量小，首先产生一定的压缩对桩间土产生压应力，而压应力通过桩体四周的土体对桩产生侧摩擦力按照力的相互作用原理可知，该侧摩擦力对桩体四周的土体产生了一个向上的反作用力，使得桩间土的承载力得到提高随着荷载的逐步增加，垫层材料不断调整，将所传来的大部分荷载传至管桩上，将小部分荷载传给桩间土，使管桩与桩间土永远共同参与工作在加载过程中，桩土应力比其实并不是一个常数，而是随着荷载的增加，桩土应力比也逐渐增大 这是因为管桩的变形模量大，沉降小，桩间土变形模量小，变形较大，而这中间正是褥垫层的存在，使荷载逐步向桩体集中。此外，由于管桩的挤密效应以及管桩在软土中架构起骨骼的作用，使土体侧向位移得到一定控制，这些都将提高土体的承载力 

　　2. 3 预应力混凝土管桩复合地基承载力计算公式分析 

　　预应力混凝土管桩复合地基是根据管桩的刚性和土体柔性的特点来进行设计的管桩桩间土和褥垫层一起形成复合地基，桩体和桩间土共同承担上 

　　部结构通过基础和垫层传递的荷载是复合地基的一个基本特征假设钢筋混凝土地坪是刚性的，预应力混凝土管桩的刚度要比桩周围的黏性土的刚度要大的多，地坪下的应力按两者的刚性进行分配，大部分应力将由预应力混凝土管桩承担 复合地基的承载力可以看成是由桩体的承载力与桩间土的承载力两部分组成。

式中，为复合地基的承载力标准值，kPa；为桩体单位截面面积承载力标准值，kPa；为桩间土承载力标准值，kPa；A为预应力混凝土管桩所承担的加固面积，m2；Ap为预应力混凝土管桩外围水平投影面积，m² 。

　　如用桩土应力比及面积比代 入上式,则可改写为

　　从此公式中可以看出，采用预应力混凝土管桩后的软土地基承载力明显提升，同时由于桩间土的附加应力减小，而使软土的压缩变形减小。 

　　3 管桩复合地基在具体工程中的应用实例 

　　3. 1工程概况 

　　本工程位于浙江舟山沿海地区，场地主要是由山体开采下来的塘渣填海而成，绝对黄海标高是3.0m左右 厂房主体结构为大跨度网架钢结构，长 

　　348m，宽182.3 m，单跨跨度45 m，总共4跨，柱距12m，总建筑面积为64 566m2，基础采用PHC-AB600型预应力混凝土管桩 地坪做法：塘渣分层压实100mm厚C15混凝土垫层300mm厚C30钢筋混凝土地坪工程地质各层自上而下概述：1层素填土，主要由块石碎石组成，层厚1.5m~9.0m，近期人工堆填而成 2层含黏性土粉砂，层厚0.6 m ~4.2m，ak =70kPa,近期人工吹填而成 层淤泥质粉质黏土，高压缩性，性质差，层厚15.2m~25.7m,ak=55kPa 层粗砂，稍密~中密，颗粒级配良好，层厚0.7m~3.2m，局部分布，ak=170kPa 层粉质黏土，中压缩性，性质较好，层厚0.7m~13.5 m，ak=210kPa 层含角砾粉质黏土，中压缩性，性质较好，层厚0.5m~15.5 m，ak=230kPa 1层全风化含角砾玻屑凝灰岩，岩石风化强烈，裂隙发育，层厚0.6m~6.9m，ak=280kPa 2层强风化含角砾玻屑凝灰岩，岩石风化强烈，裂隙极发育，层厚0.3m~3.6m，ak=400kPa 3层中等风化含角砾玻屑凝灰岩，岩质坚硬，成分主要为石英 长石，ak=1800kPa 由于厂房内主要生产船体分段，平均负荷约50kPa，因此地坪不能出现严重的不均匀沉降，否则将会对分段生产带来严重影响。 

　　3. 2 预应混凝土管桩减小软土地基沉降方案的提出 

　　由于本厂房是建在经塘渣回填的滩涂上，而且是边回填边建设，再加上厂房对地坪不均匀沉降的要求特别高，因此，如何减小地坪沉隆量的现实问题则摆在我们面前 通过对地质勘察报告中的各土层物理力学性质指标统计成果表分析，发现层淤泥质粉质黏土由于其压缩系数 高达1.17远远大于 

0.5MP -1，且孔隙比 也达到了1.374，属于高压缩性软土并且这一层土几乎在整个厂房都有分布，最大厚度达到25.7m 针对这种情况，提出了以下几种方案： 

　　1）机械压实法（影响深度有限，且不适用于饱和软土层）； 

　　2）排水固结法（施工时间长，影响钢结构安装）； 

　　3）化学加固法（施工时间长，工程造价高）； 

　　4）预应力混凝土管桩复合地基 

　　最终通过综合分析认为，预应力混凝土管桩复合地基具备施工进度快，工程造价较低，地坪承载力高，施工现场干净等优点，决定采用预应力混凝土管桩复合地基 

　　3. 3管桩复合地基施工方案 

　　1）在滩涂回填之前先吹填1.0 m左右砂层，既有利于减少塘渣回填量，更重要的是能使淤泥质黏土中孔隙水能顺利排出，加速土体固结，减小工后沉降 

　　2）塘渣回填应遵循由一边向另一边齐头并进堆填，对在会合处拱起的淤泥不可继续堆填，要及时清除 塘渣回填高度应按设计标高另加前期土体固结沉降高度，本工程取值为淤泥质黏土平均厚度的1.5%即20 1.5%=0.3m 

　　3）根据本工程的地质资料，为使地坪不产生较大沉降，必须要求管桩穿入淤泥质黏土底部，离第层粉质黏土1.0m~0.5m之间 当然如若管桩穿入承载力持力层，将会使管桩成为真正的刚性桩，桩土应力比会大幅度提高，桩顶处容易形成应力集中，使地坪提前破坏，因此，地坪桩桩长应根据地质情况及压桩力的大小及时进行调整 

　　4）管桩平面布置（见图1）及褥垫层桩承台的设计。

　　5）由于复合基础管桩数量多，桩距紧，大面积施工时会产生很大挤土效应，如若工程桩在其之前已施工完毕的话，则将会使结构工程桩发生较大偏位和影响桩体的完整性因此，复合地基管桩应按厂房逐跨先行打压，可由中间轴线向两边施工，当其中一跨地坪桩施工完毕后方可施工结构工程桩 当地坪桩承台 褥垫层施工完成后应用压路机分3次碾压密实。 

　　3. 4 管桩复合地基技术经济评价 

　　3.4.1天然地基与复合地基沉降比较 

　　经过管桩处理后所形成的复合地基在使用半年后每跨地坪中心点位置平均沉降64mm，符合设计要求，不影响厂正常使用而厂房外未经处理的天然地基道路或堆场，它们的最大沉降达到了640mm，最小的也有332mm 可见管桩复合地基的处理效果是非常明显的。 

　　3.4.2管桩复合地基与高压喷桩的造价比较 

　　根据管桩平面布置方案可知，每一枚管桩所加固的地坪面积是9m²，而一枚30m 400mm管桩及承台的成本造价约是4 500元，即复合地基地坪处理成本500元/ m²而若采用30m 800mm高压喷桩按3m桩距计算则每一枚高压旋喷桩的成本造价是8540元，即高压旋喷处理成本造价是949元/m2，经比较管桩复合地基处理成本比高压旋桩节约949元/m²~500元/m²=449元/m²，节约率为47.3% ，总造价节约64566m²*449元/m²=2900万元，经济价值明显。 

　　4结语 

　　通过以上分析和工程实践可知，预应力混凝土管桩通过桩桩间土及褥垫层的共同作用，有效地提高了软土地基的承载力，减小了地基沉降量，从而保证了地坪的正常使用 另外管桩复合地基在工程造价上明显优于其他桩基处理方案，且工程造价节约率高达40%多由于管桩施工进度快，施工现场环境清洁卫生，因此也具有良好的社会价值。