0 引言

　　随着经济发展，我国越来越多路基和桥台需在近海滞洪区深厚软弱淤泥层中施工，因桩网复合地基具有沉降小、工期短等优点^[1]，近年来在铁路、公路应用增多^[2,3]。

　　桩网复合地基支承路堤结构包括(由上至下)路基填土、加筋垫层、桩间土、桩及桩帽、桩尖持力层;其作用机理主要有4个方面，即桩与土形成的土拱效应、加筋垫层的隔膜效应、桩体的置换挤密土体作用及群桩效应^[4]。目前国内常采用假定土和桩在圆弧滑动面上发生剪切破坏传统的复合地基稳定分析方法对桩体加固路堤的稳定性进行计算分析，求得的地基综合抗剪强度和整体稳定性随着桩体置换率和抗剪强度的增大而增大;研究表明，刚性桩复合地基的失稳破坏是桩的弯曲、倾覆、桩间土绕流破坏中的一种或几种同时发生引起，而不是由桩的剪切破坏引起^[5]。故运用传统方法分析刚性桩复合地基的稳定性得出的计算值过高。国内外基于土拱效应的理论对桩网复合地基支承路堤的受力机理和设计方法做了大量研究，陈云敏等^[6]研究得出桩体荷载分担比的计算方法，并通过实践验证其适用性。目前桩网复合地基支承路堤主要的设计思路是通过桩承担大部分上部荷载、使桩间土的受力满足地基承载力要求，同时设置加筋褥垫层限制桩和路基外侧土体侧移，达到路基整体稳定。桩基采用CFG桩、PHC桩居多。本文介绍的宁德核电进厂公路桥台路段在达41m厚的淤泥中采取PTC桩网复合地基支承路堤是一次新的尝试，工程设计与施工难度大，工程成功实施具有重要意义。

　　1 工程概况

　　1.1 工程地质水文条件

　　宁德核电进厂公路以路基和马屿大桥通过近海滞洪区，0号桥台及台后路基区段常年泡水，各岩土层从上至下为表层浮淤、淤泥、砾卵石、砂质黏性土、强风化花岗岩。表层浮淤>1m，淤泥厚41m，为海相沉积，灰色，滑腻，干强度高，流塑，饱和，含水量高(ω=40%～76%)、孔隙比大(e=1.3～2.1)、压缩性高(C_c=0.25～0.72)、渗透性差(k=10^-7～10^-9cm/s)，地基承载力基本容许值为18.5k Pa。

　　1.2 工程设计特点

　　马屿大桥0号桥台结构为钻孔灌注桩基础、肋板式桥台，台后路堤高8m。软基原设计为真空联合堆载预压处理，卸载后再施工桥台，设计要求桥台过渡段工后沉降量≤10cm。而当地已有软基道路使用真空联合堆载法处理建成后的工后沉降达50cm，且处理软基工期1年以上，无法满足设计及工期要求，决定桥台段60m长度范围采用PTC桩网复合地基处理软基，结构如图1所示。

　　

　　图1 桩网复合地基支承路堤立面  

　　 

　　2 工程问题分析及解决方案

　　2.1 存在的问题

　　1)桩网复合地基支承路堤的机理是桩间形成土拱，通过土拱作用把桩间土以上的路基荷载部分转移到桩上，减少桩间土的受力，达到桩土共同受力。目前型号PTC-C70-400-65(混凝土强度等级C70、管径400mm，壁厚65mm)PTC桩的单桩竖向极限承载力设计值可达1 400kN，正常情况下桩的竖向承载力不存在问题。通过调整桩网土结构设计可在一定范围调整桩土荷载分担比，但理论分析和实践经验表明，软弱淤泥条件下桩间土地基承载力不足问题突出。

　　2)由于淤泥为流塑状、含水量大、透水性差、颗粒细小、滑腻，在路基荷载作用下产生超孔隙水压力，易发生桩间土绕桩流动，引起地基失稳。

　　3)深厚的饱和淤泥在施工过程中及工后会发生较大的固结沉降，易出现桩帽底面及加筋褥垫层与原地面之间脱空现象，且工程处于水位变动区，在地下水流作用下土拱颗粒流失破坏，引起地基失稳。

　　4)PTC桩须穿过41m厚淤泥，为超细长杆件，由于软弱淤泥对桩侧的约束较小，存在管桩弯曲破坏或倾覆破坏风险。

　　2.2 解决方案

　　1)研究桩体荷载分担比可取的高值及条件，达到减小桩间土应力的目的。通过减少桩间距、增大桩帽宽度、增大路基填料内摩擦角以求增大桩网支承路堤的桩体荷载分担比^[6]。

　　2)采取真空预压和表层换填预加固地基。

　　3)对桩网结构采取适当加强设计。

　　3 桩体荷载分担比取高值与条件研究及桩间土应力计算

　　3.1 桩型、桩间距及桩帽宽度取值

　　工程采用PTC桩，常用桩径30～60cm，选用PTC-C80-600-65桩型，增大桩径以减小桩的净间距，提高管桩在淤泥中的抗弯能力和挤密土作用。

　　按正方形布桩，桩间距s可取5～8倍桩径^[7]，即s可取300～480cm，结合经验s取小值200cm。

　　桩帽采用正方形，其面积置换率和桩体荷载分担比随桩帽宽度b增大而增大，但b取值太大时不经济。桩帽面积与单桩处理面积之比推荐值为15%～25%^[7]，根据经验可取10%～30%，即，则b取大值100cm。

　　3.2 桩体荷载分担比E取值及填料选取研究

　　3.2.1 E和填料内摩擦角的关系分析及取值

　　陈云敏等^[6]通过建立空间土拱模型，推导得出桩体荷载分担比E的计算公式，其中涉及路堤高度h、桩间距s、桩帽宽度b、路基填土内摩擦角φ，具体公式不再赘述。根据其计算方法，对s/h=2m/8m=0.3,b/s=0.5，内摩擦角φ为20°～45°范围的E值进行计算，如表1所示，可知φ由20°增大至45°时，E值由0.65增大至0.91;由相邻角度的E值的差值ΔE可知，E随φ的增长先快后慢，即增幅先大后小，由20°增大至30°时，E值由0.65增大至0.85，效果显著，而φ由30°增大至45°时，E值由0.85增大至0.91，仅增长0.06，效果不明显，所以，当φ达到30°时再追求提高φ值意义不大。考虑到安全性和经济性，E取0.85，φ取值范围为30°～35°。

　　  

　　表1 E值和ΔE对比分析 

　　 

　　 

　　

　　表1 E值和ΔE对比分析

　　3.2.2 路基填料选取及内摩擦角范围

　　影响土的内摩擦角因素主要为:(1)孔隙比增大或含水量增大，φ减小;(2)材料的棱角多、颗粒表面粗糙度大、填料的级配良好时，φ相对大。研究统计表明:黏性土的φ低于24°、砂性土的φ达到25°～32°，砂粒、粗砂粒、砂砾的φ达到30°～35°^[8]。对工程所在地可利用的土类进行试验，结果表明沙性砂砾、开山土石的φ取30°～36°，可作为路基备选填料。

　　3.2.3 路基填料选择与等沉面及水位的关系

　　桩网复合地基支承路堤中桩顶完全土拱形成后路基中会出现等沉面，等沉面以下的填土直接影响土拱效应的发挥，当填土内摩擦角增大时等沉面高度减小，研究表明，等沉面的高度位于2.7～3.7倍的桩净间距处^[9,10]。考虑安全取桩顶以上4m的高度为控制线，其下路基填料的内摩擦角要求达到30°以上。

　　同时，因桥台位置最高水位为桩顶以上3m处，综合考虑填料的内摩擦角和水稳定性要求及取材的便利性，桩顶以上4m高度以内填料选用沙性砂砾，以上采用黏性土。

　　3.2.4 路基压实度与内摩擦角关系

　　路基填料内摩擦角随着压实度增大而有所增长^[11]，因填料压实后土体更密实，土颗粒间咬合增强，摩擦力增大。现场试验数据显示沙性砂砾填料的压实度达到85%,90%,93%时，内摩擦角分别为28°～34°，30°～35°，31°～36°。因此，在桩帽顶以上填料的压实度控制值≥93%。

　　3.3 桩间土应力计算

　　通过以上研究，工程设计参数取值为h=8m,s=2m,b=1m，φ=30°，E=0.85，填料重度γ=18.2kN/m³，可得桩顶荷载P_p=Es²hγ=495kN，桩顶的应力平均值σ_p=P_p/b²=495kPa，桩间土的平均应力值σ_p=(s²hγ-P_p)/(s²-b²)=29kPa，大于地基承载力基本容许值18.5kPa。理论上褥垫层中土工格栅通过张拉力将其承受的部分竖向荷载传递到桩帽上，可减小桩间土应力，考虑工程复杂性，计算未考虑此作用。

　　4 地基预加固处理

　　为快速提高地基承载力，采用真空预压和换填法预加固地基。加固方案为:(1)采用中粗砂换填浮淤，高出水面50cm;(2)采用真空预压法处理软基，主要工序为插排水板(正三角形布置、间距0.9m、长20m)、铺中粗砂层、铺土工膜、抽真空(真空度90kPa)75d、卸载;(3)地面沉降采用砂补填。

　　处理结果:(1)原地面沉降值120～170cm，换填砂层厚约2m;(2)淤泥含水量降为21%～50%，孔隙比降为0.8～1.6，地基承载力特征值提高到45k Pa>29kPa，满足桩间土受力要求;(3)起到土体加固、减少沉降效果。

　　5 桩网复合地基支承路堤具体结构优化设计

　　5.1 具体结构设计

　　对设计进行多项优化与加强，具体结构优化设计如下。

　　1)PTC桩型号为C80-PTC-600，壁厚6.5cm，管径60cm，桩长约42m，桩距2m，正方形布置，路基坡脚线外增加1排桩。单桩竖向极限承载力≥1 700kN，桩尖进入持力层(卵石层)≥50cm。

　　2)桩帽与地连梁桩帽为正方形，宽100cm，高35cm。根据以上计算单个桩帽顶面最大竖向力取值为495kN，按均布荷载计算，桩帽设置上、下2层双向钢筋25@100。管桩顶部150cm内填充C40微膨胀混凝土，钢筋笼主筋620、箍筋10@150，钢筋笼伸入桩帽，起连接作用。在外围3排桩的桩帽之间增设纵、横向C40钢筋混凝土连梁，宽70cm，高35cm，顶面和底面纵筋为525@150，箍筋为12@200，以增加外侧PTC管桩的稳定性。

　　3)加筋褥垫层厚60cm，土工格栅设置3层，每铺1层土工格栅后填20cm碎石层。垫层采用级配碎石，颗粒尺寸在5～40mm，其中25～40mm含量≥50%，要求土工格栅上的材料不漏过网格。土工格栅抗拉强度≥120kN/m。

　　4)褥垫层以上底部5m高度路基内设5层土工格栅，每填土1m设1层土工格栅。

　　5)工程具体结构设计如图2,3所示。由上可知，桩和桩间土的竖向承载力满足要求，地基预加固处理后桩间土强度增大、流动性降低;根据经验，一般路堤的褥垫层中设置1层土工格栅，考虑到工程的特殊性，褥垫层中设置3层土工格栅，使不抗拉的褥垫层具备较强的抗拉性，同时在路基填土中设置5层土工格栅，可使路基外侧土体和桩的侧向位移得到有效限制;另外，外围桩帽之间地连梁也增加了桩和路基的稳定性。

　　

　　图2 桩网结构复合地基平面  

　　 

　　

　　图3 桩网复合地基支承路堤断面  

　　 

　　5.2 桩网复合地基支承路堤整体稳定性分析

　　该工程稳定性计算除不考虑外围桩帽之间地连梁外，其他结构同5.1节所述，路基和地基岩土层主要物理力学性能如表2所示。

　　  

　　表2 路基和地基岩土层物理力学性能 

　　 

　　 

　　

　　表2 路基和地基岩土层物理力学性能

　　处理后的路基整体稳定性采用圆弧滑动法计算，加固区复合地基的抗剪强度为桩间土和桩体抗剪强度的复合值，PTC桩为胶结材料桩体，其抗剪强度指标按桩体断裂后滑动面材料的摩擦性能确定^[7]，混凝土桩体材料摩擦系数取0.55，折算成内摩擦角取29°^[12]。计算结果如图4所示，稳定安全系数1.322>1.3，整体稳定性满足要求。

　　

　　图4 桩网复合地基支承路堤稳定性计算结果  

　　 

　　当地基无PTC桩加固时，路基整体稳定性计算结果为稳定安全系数0.951，不满足整体稳定性要求，可见PTC桩加固的重要性。

　　5.3 桩网复合地基沉降预测

　　桩网复合地基沉降包括加固区沉降S₁和下卧层沉降S₂。

　　1)加固区沉降分析加固区沉降S_p1主要包括PTC桩桩身压缩量S_sp1和桩底刺入变形S_sp2。按承载力设计桩基础时，桩底刺入变形很小，可忽略不计^[13]，且该工程中桩底为砂卵层，故S_sp2取为0。

　　P桩身压缩按公式计算，则SA_sp1=495×_pE_p42÷[3.14×(0.6×0.6-0.47×0.47)÷4×38 000]=5mm，可得S_p1=5mm。

　　2)下卧层沉降分析下卧层的沉降考虑桩底的砂卵层和黏土层的沉降，利用分层总和法计算，附加应力采用扩散法，扩散角取22°，沉降采用公式计算^[14]，可得S_p2=30mm。

　　则沉降预测S=S_p1+S_p2=35mm。该值与实测值非常接近。

　　6 施工与监测

　　6.1 施工方法与工期

　　总体施工顺序:先对桥台承台周边的4排PTC桩进行沉桩，完成后即可进行桥台钻孔桩施工，使桥台施工与地基处理基本同步进行。PTC桩施工顺序为先中间后四周，使用静压桩机压桩。路基填土采取填料内摩擦角和压实度双控法施工，分层填筑，采用机械打夯机和压路机压实。

　　软基处理和桥梁施工耗时210d，相比于真空联合堆载法处理软基后再反开挖施工桥台的测算工期450d，工期优势明显。

　　6.2 施工监测及分析

　　工程实施过程中对桩帽和桩间土的沉降与土压力及路基坡脚侧向位移进行监测，监测点布置如图3所示，道路通车后对路面沉降位移进行连续监测。

　　1)桩帽和桩间土沉降监测结果分析采取在桩帽顶和褥垫层底埋设沉降板和接长沉降观测杆的方法对桩帽及桩间土的沉降进行监测。依据监测数据绘制的变形曲线如图5所示，表明:(1)随着填土厚度增加，桩间土沉降先快后慢。(2)填土厚度300cm后桩间土沉降缓慢，沉降最大值308mm;管桩桩帽最大沉降28mm，与理论分析的桩网复合地基沉降预测值35mm接近。路基处于稳定状态。

　　

　　图5 桩帽、桩间土沉降变形曲线  

　　 

　　2)土压力监测结果及分析通过在桩帽顶面和褥垫层底面埋设土压力盒对桩帽顶面和桩间土压力进行监测。根据监测数据绘制的土压力曲线如图6所示，结果表明:(1)桩间土的压力值增长先快后慢，当填土高度达到3m后变化很小;桩帽的土压力先慢后快，随填土增高持续增大;可见，随着桩顶完整土拱形成，填土荷载被转移到桩上，桩间土分担荷载减少，可判定土拱完全形成后路基等沉面的高度在桩顶以上3m高度左右，验证了设计与施工中控制桩顶以上4m范围内填料质量的合理性。(2)在路基填筑到顶面时，桩帽顶压应力为519kPa、桩间土压应力为32.8k Pa，实测值与理论计算值相近，验证了理论计算方法的适用性，地基承载力满足要求。

　　

　　图6 土压力变化曲线  

　　 

　　3)路基坡脚及路面沉降位移监测结果施工过程中路基坡脚处最大沉降45mm、最大侧向水平位移值30mm，路基处于稳定状态。建成通车后连续监测5年，路面总沉降28～31mm，前2年路面沉降26～28mm，工后沉降很小，路面不均匀沉降极小。

　　7 结语

　　1)本工程采用桩体荷载分担比0.85的高值用于设计、施工，并采取表层换填砂和真空预压的地基预加固技术，监测验证了设计合理性，形成了一整套在近海软弱淤泥>40m的淤泥条件下施工PTC桩网复合地基支承路堤的关键技术。

　　2)研究与实践表明，桩体荷载分担比取0.85的高值时填料内摩擦角合适的范围为30°～35°，施工中应重点控制桩顶以上4m高度范围内填料的内摩擦角指标。

　　3)桩网复合地基支承路堤中因桩体荷载分担比受填料内摩擦角影响大，特别是在桩体荷载分担比取高值时填料选择至关重要，但一般的施工人员无从知道，建议设计图明确提出填料内摩擦角要求，并采用内摩擦角和压实度双控法施工。