用于高速公路软土地基处理中的刚柔性长短桩复合地基.pdf

本发明公开了一种用于高速公路软土地基处理中的刚柔性长短桩复合地基，包括刚性桩和柔性桩及褥垫层，其特征在于：刚性桩和柔性桩在路面地基上交替分布设置；刚性桩为长桩，刚性桩上端设置承台；柔性桩为短桩；在刚性桩和柔性桩之上铺设褥垫层。本发明地基集合了长桩的控沉和短桩的挤密、置换作用，既满足了工后沉降控制要求，又大大降低了工程造价，尤其是在对工后沉降控制要求较高的桥头地段其优势更加明显。

1.  一种用于高速公路软土地基处理中的刚柔性长短桩复合地基，包括刚性桩和柔性桩及褥垫层，其特征在于：刚性桩和柔性桩在路面地基上交替分布设置；刚性桩为长桩，刚性桩上端设置承台；柔性桩为短桩；在刚性桩和柔性桩之上铺设褥垫层。

2.  根据权利要求1所述的用于高速公路软土地基处理中的刚柔性长短桩复合地基，其特征是：所述刚性桩和柔性桩在路面地基上交替分布设置，具体为桩位纵横等间距设置，隔排设刚性桩且同排的刚性桩与柔性桩相互间隔设置。

3.  根据权利要求1所述的用于高速公路软土地基处理中的刚柔性长短桩复合地基，其特征是：所述刚性桩和柔性桩的桩径为30～50cm，桩位间距按桩径的3～6倍确定。

4.  根据权利要求1所述的用于高速公路软土地基处理中的刚柔性长短桩复合地基，其特征是：所述柔性桩桩长为10～20m，若在此深度内有硬夹层土，则桩长至硬夹层土。

5.  根据权利要求1所述的用于高速公路软土地基处理中的刚柔性长短桩复合地基，其特征是：所述柔性桩为水泥搅拌桩、二灰土桩、石灰土桩或碎石桩。

6.  根据权利要求1所述的用于高速公路软土地基处理中的刚柔性长短桩复合地基，其特征是：所述刚性桩为预应力薄壁管桩、低强度混凝土灌注桩或CFG桩。

7.  根据权利要求1所述的用于高速公路软土地基处理中的刚柔性长短桩复合地基，其特征是：所述褥垫层，其材料采用中粗砂或碎石，厚度为30～50cm。

用于高速公路软土地基处理中的刚柔性长短桩复合地基
技术领域
本发明涉及一种高速公路地基处理，尤其是软土地基处理中的桩体复合地基。
背景技术
目前，高速公路软土地基处理中所采用的桩体复合地基基本上分为三类：散体材料复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。散体材料复合地基，如碎石桩、灰土桩、砂石桩复合地基，其桩体是由散体材料组成，单独不能形成桩体，只能依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体，承受竖向传来的荷载；柔性桩符合地基是以深层搅拌桩为桩体的复合地基；刚性桩复合地基有，CFG桩、低强度混凝土桩、预应力管桩复合地基等。
在传统的桩体复合地基中，散体材料复合地基施工工艺复杂，而且无法很好满足高速公路软土地基处理工后沉降的要求；单纯深层搅拌桩柔性桩复合地基由于其搅拌桩处理深度的限制，在深厚软基处理中同样不能满足高速公路软基处理工后沉降的要求；刚性桩复合地基如CFG桩、低强度混凝土桩复合地基，由于施工工艺的缺陷，对软土地基影响较大，施工质量也不能完全有保障；而预应力管桩刚性桩复合地基在深厚软基处理中能满足高速公路软基处理工后沉降的要求，但是其造价过高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种用于高速公路软土地基处理中的刚柔性长短桩复合地基，既可满足高速公路软基处理工后沉降的要求，又可减小工程造价。
本发明用于高速公路软土地基处理中的刚柔性长短桩复合地基，包括刚性桩和柔性桩及褥垫层，其特征在于：刚性桩和柔性桩在路面地基上交替分布设置；刚性桩为长桩，作为控沉桩控制沉降，刚性桩上端设置承台(桩帽)；柔性桩为短桩，用于处理浅层软弱土；在刚性桩和柔性桩之上设置褥垫层，调整和改善桩土应力分担比。
所述刚性桩和柔性桩在路面地基上交替分布设置，具体为桩位纵横等间距设置，隔排设刚性桩且同排的刚性桩与柔性桩相互间隔设置。
所述刚性桩和柔性桩的桩径为30～50cm，桩位间距按桩径的3～6倍确定。
所述柔性桩桩长为10～20m，若在此深度内有硬夹层土，则桩长至硬夹层土。
所述柔性桩可选用现有技术中的水泥搅拌桩、二灰土桩、石灰土桩或碎石桩。
所述刚性桩可选用现有技术中的预应力薄壁管桩，低强度混凝土灌注桩桩，CFG桩。
所述褥垫层，其材料采用中粗砂或碎石，厚度为30～50cm。
褥垫层设置的主要作用包括：a.保证桩、桩间土共同承担荷载；b.调整桩、土荷载分担比；c.减小基础底面的应力集中；d.调整桩、土水平荷载的分担。长短桩复合地基的承载力计算方法：
对于长短桩复合地基的承载力的计算可参照同一桩长复合地基承载力计算公式，按照短桩加固后的复合地基视为长桩复合地基的“桩间土”来进行，长桩和天然地基形成的复合地基承载力特征值为：
$f_{\mathrm{sp},k_1}=m_1\frac{R_1}{A_{p1}}+{\mathrm{\β}}_0{\mathrm{\β}}_1{\mathrm{\β}}_2(1-m_1)f_{s,k}$
式中：
f_sp，k1为短桩复合地基承载力标准值，kPa；
f_s，k为桩间土天然地基承载力标准值，kPa；
A_P1为短桩单桩截面面积，m²；
R₁为短桩单桩承载力特征值，kN；
β₀为桩端土体承载力影响系数，根据下卧层土体的强度取值，β₁为基础刚度影响系数，当基础为刚性时，β₁＝1；当基础为柔性时，建议根据填土模量的大小，在1.2～2.0之间取值，模量大者取小值，模量小者取大值，β₂为桩间土承载力提高系数，建议根据复合地基置换率大小在1.1～1.6范围取值，其余符号意义同前；
m₁分别为短桩面积置换率。
长桩再与承载力特征值为f_sp，k1的等效天然地基复合后的承载力即为多桩型复合地基承载力，即
$f_{\mathrm{sp},k}=m_2\frac{R_2}{A_{p2}}+{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2(1-m_2)f_{\mathrm{sp},k1}=$
$m_2\frac{R_2}{A_{p2}}+{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\α}}_1{m}_1(1-m_2)\frac{R_1}{A_{p1}}+{\mathrm{\α}}_1{{\mathrm{\α}}_2\mathrm{\β}}_0{\mathrm{\β}}_1{\mathrm{\β}}_2(1-2m_2+m_1{m}_2)f_{\mathrm{ak}}$
f_sp，k为多元复合地基承载力标准值(kPa)；m₂为长桩面积置换率；R₂为长桩单桩承载力特征值(kN)；A_p2为长桩的桩截面积(m²)；α₁、α₂为长桩的桩间土与桩端土发挥系数，一般取α₁＝0.75～1.0，对高压缩性土，α₁＝0.75～1.0，对中压缩性及低压缩性土α₁＝1.0～1.2。
长、短桩单桩的承载力标准值，可由载荷试验或由下两式中计算中的小值确定：
R_k＝η f_cuk A_p
$R_k=U_p\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i{l}_i+\mathrm{\ξ}{A}_p{q}_p$
式中f_cuk为与搅拌桩水泥土配方相同的立方体试块(边长为0.7mm或50mm)在室内无侧限抗压强度平均值；1_i，U_p，分别为桩在不同土层中的长度及桩周长；q_si，q_p分别为土层桩周土的摩阻力及桩端土地基承载力特征值，单位为kPa，η，ζ为折减系数。
长短桩复合地基的设计原则：
桩型号的确定：
长短桩复合地基中，短桩的主要目的是提高浅层地基土的承载力，可选用水泥土桩、二灰土桩、石灰土桩、碎石桩等，由于在我国东南沿海的软基处理中，水泥土桩大量使用，成本低，技术相对成熟，设计和施工人员都积累了一定的丰富经验，建议首选水泥土桩。对于长桩的选取，在深厚软土区，从地质条件看，软土埋深大，强度低，路堤荷载一般较小，采用摩擦桩，可采用强度较低的预应力薄壁管桩，低强度混凝土灌注桩桩，CFG桩等。
桩长的确定：
长短桩加固深厚软弱土层时，选用的短桩，其桩长一般在10～20米，若浅层有硬夹层土，短桩的桩端放在硬夹层上比较理想，此时，短桩的长度可以按硬夹层土上层面的埋深为控制标准；由于以控制沉降为主要目的，长桩的桩长与现有技术中的桩长确定方法相同，应满足沉降变形要求并结合地基地层情况合理选用，原则上桩体应穿透软弱土层达到持力层，对于深厚软土，长桩按沉降控制指标按照现行的桩长计算方法来确定，可不打穿软土。
桩径的确定方法：
在高速公路软土地基的路堤填土工程中由于荷载较小，桩径一般取30～40cm，壁厚可取6～7cm。
桩间距的确定方法：
目前，路堤下复合地基的桩间距一般套用工业与民用建筑方面的设计，桩间距取3～5D(D为桩径)，路堤下刚性桩的设计中，为了充分发挥刚性桩的作用，多在刚性桩的桩顶上设置一块1.0m²～1.5m²的承台板，这样大大扩大了刚性长桩的处理范围，同时，根据本文前面分析，建议路堤下长短桩的桩间距可放大到6D(D为桩径)。
褥垫层的设计：
对于长短桩复合地基，褥垫层的设置能够充分发挥地基土和柔性桩的承载力，而刚性桩则起着控制工后沉降和长期安全储备的作用。垫层材料可取中粗砂、碎石等，由于路堤的刚度不太大(与碎石垫层的刚度较接近)，在深厚软土地基上的垫层厚度建议不宜太厚，以30～50cm为宜。
与现有天然地基、全柔性桩复合地基、全刚性桩复合地基相比，本发明用于高速公路软土地基处理中的刚柔性长短桩复合地基处理的路堤下深厚软土路基的最大沉降量比前两者小得多，比全刚性桩复合地基略大，但完全可以满足高速公路路基沉降的控制要求。本发明集合了长桩的控沉和短桩的挤密、置换作用，即满足了工后沉降控制要求，又大大降低了工程造价，尤其是在对工后沉降控制要求较高的桥头地段其优势更加明显。
附图说明
图1、是本发明用于高速公路软土地基处理中的刚柔性长短桩复合地基桩位设置示意图；
图2、是本发明刚柔桩施工流程示意图。图中，箭头为施工顺序。
具体实施方式
实施例1、用于高速公路软土地基处理中的刚柔性长短桩复合地基，包括刚性桩(长桩)和柔性桩(短桩)及褥垫层，刚性桩和柔性桩桩位纵横等间距设置，隔排设刚性桩且同排的刚性桩与柔性桩相互间隔设置(如图1所示)，长短桩在平面上呈正方形布置，桩间距2.1m(长桩之间的间距为4.2m)，在正方形的四根桩内一根为预应力管桩，三根为水泥搅拌桩，横向布置到坡脚。在刚性桩和柔性桩之上设置褥垫层，调整和改善桩土应力分担比。柔性桩为水泥搅拌桩，桩径50cm，桩长16m。。刚性桩选用预应力薄壁管桩(PTC-AB400(55)-12)，桩直径40cm，壁厚65mm，打入持力层，作为控沉桩控制沉降。管桩顶部设置100cm×100cm×30cm钢筋混凝土承台。在桩的上部铺设50cm厚的碎石褥垫层，用于调整和改善桩土应力分担比。
施工工艺：
施工顺序：长桩(预应力管桩)→短桩(水泥搅拌桩)→长桩承台(桩帽)→褥垫层。
预应力管桩施工方法：
如图2所示，管桩施工采用“先里后外，先中间后两边”进行施工，从路中纵向隔桩跳打，向两侧外移，循回进行。左幅采用锤击成桩，纵向退打1排移向第2排后(先打1.3.5.7.9，然后打8.6.4.2移向第2排依次沉桩)，右幅静力压桩开始成桩，两机逐渐向两侧外移，减小互相干扰。
水泥搅拌桩施工方法：
技术参数
1)水泥采用海螺袋装32.5复合硅酸盐水泥，水泥用量52kg/m，水灰比采用0.55，灰浆比重1.75；
2)下沉搅拌速度V≤1.5m/min；
3)提升喷浆速度V≤1.0m/min；
4)下沉复搅速度V≤1.5m/min；
5)复搅提升速度V≤1.5m/min；
6)供浆时的管道压力：0.4Mpa＜p＜0.6Mpa；
7)钻杆速度为92R/min；
施工方法
水泥搅拌桩位间隔布置在管桩之间，横向布置至路基坡脚。采用“先里后外，先中间后两边”进行施工，从路中纵向顺序施打，向两侧外移。
施工工艺
采用四搅一喷的施工工艺方法，具体过程如下：
1)预搅下沉
启动搅拌机电机，放松起重链条，使搅拌机沿导向架切土搅拌下沉，严格控制下沉速度应(V≤1.5m/min)，使土体充分搅拌破碎。
2)制备水泥浆液
搅拌机下沉时，后台应根据要求(52kg/m的水泥用量及水灰比0.55)配制水泥浆液，每根桩配制二桶浆液。配制时每桶先加水228.8kg(在搅拌桶上24cm处做好刻度)，然后加入416kg水泥(先加入8袋水泥，再用台秤称取16kg)。
3)喷浆搅拌提升
搅拌机下沉将要到达设计桩底标高前，开启灰浆泵，提前送浆，提前时间应根据输浆线路长度按流速0.9m/s计算，浆液到达钻头进入土中后，此时应座底喷浆30s，此后边喷浆边搅拌提升，使喷浆速度与搅拌提升速度同步进行，提升速度V≤1.0m/min。
4)重复搅拌下沉
搅拌机边喷浆边搅拌提升至地面标高以下50cm后(二桶配制水泥浆应正好排空)，使软土和水泥浆搅拌均匀，进行重复搅拌下沉至设计桩底标高，下沉速度V≤1.5m/min。
5)重复搅拌提升
搅拌机下沉至设计桩底标高后，进行搅拌提升至设计桩顶标高(提升速度V≤1.5m/min)，使钻头搅拌出地面，然后人工压实桩头，成桩结束。
管桩承台施工方法：
管桩顶部设置100cm×100cm×30cm钢筋混凝土承台，调整桩土荷载分担比，充分发挥管桩的高承载能力的特点。在水泥搅拌桩施工完成28天后开始进行承台施工。
承台施工承台置好以后，再在桩顶铺设30～50cm厚的碎石褥垫层。