小构件预制桩在路基工程中的应用

摘 要：本文简要介绍了从建筑桩基引伸出小构件预制桩的应用。在山区道路建设中，沟槽谷地中发育的软土、淤泥质粘土；设计阶段不易发现；天然地基承载力大约在30kPa～90kPa的特殊软基地段；由于专门的打桩机械难于到达，用小构件钢筋混凝土预制桩进行加固挡墙、涵洞等基础的方法。

关键词：小构件桩；复合地基；挤密桩基；软弱地基加固应用；

1概述

在山区道路建设中，沟槽谷地中发育的软土、淤泥质粘土；冲洪积扇区及冰碛斜坡地带发育的淤泥质粘土；碳酸盐岩（石灰岩）地区发育的高液限红粘土；第三系地层发育的膨胀土等特殊地质地段，基坑一经开挖就经常出现坍方，并且经常伴随地下水渗出。这些地段的显著特点就是：①分布在一些山涧谷地、山麓坡脚、河流两侧的平缓地段；②范围较小，一般长20～50米；③不均匀性，即软弱层厚度不均，一般厚2～7米；④设计阶段不易发现；⑤地下水位较高，地面有间断性流水渗出；⑥软土底部往往有一倾斜面，有的可能与路线平行，有的可能与路线斜交；⑦天然地基承载力较低，一般约30kPa～90kPa；⑧路基基地一般采用换填即可解决问题。

由于软基地段分布在路线低洼处，道路通过时，多为路堤或半填半挖路基；而这些地段一般交通不便，大型机械难于进场，在选择处理方案时受到限制；因此，要想解决此类问题，只有另辟蹊径。中国古代建筑，几千年来一直采用木桩加固。但是，现代用木桩加固预未着要砍伐森林，破坏环境，另外木桩埋在土里易腐蚀，耐久性难于保证。因此，拓宽思路，采用建筑桩基础中短桩改成小型短桩来处理此类问题。经过工程实践，取得了良好效果。（见图一）

图一小构件桩加固路堑挡墙、路堤挡墙基础

一般我们把这种小型的钢筋混凝土预制桩取名为“小构件桩”是因为：第一，此类桩与普通建筑桩基础桩相比，桩长短、桩径小、不需要专门打桩机施工；第二，与微型桩相比也存在成桩材料不同、施工方法不同、使用范围不同、受力机理不同的特点。（见对比表一）

小构件桩桩长一般在2～6m范围，有圆桩和方桩之分。圆桩直径一般在150～250mm之间、方桩尺寸B一般在150～250mm之间，它属于预制静压桩范畴。小构件桩主要处理3～6米深的软基，施工方法简单，不需要特殊机械，用挖机即可静压施工，基础处理后能满足抗滑挡墙、涵洞等建筑结构承载力要求。小构件桩可广泛用于房屋建筑、涵洞、湖岸、河岸护岸、挡墙等基础加固。

2 小构件桩的加固机理与计算理论

小构件桩加固的地基就是桩基础地基，因此，桩基础理论适用小构件桩基。小构件桩加固的机理为：①挤密作用；②置换作用；③承载作用（桩端承力和桩周摩阻力）。根据不同的情况可采用不同的计算理论，如软弱层不深，桩直接穿透的端承桩，可用刚性桩基础理论计算；如未穿透软弱层的为摩擦桩，此种情况小构件桩仍采用复合地基理论，按刚性桩复合地基理论计算。一方面，刚性桩复合地基，与黏体材料（CFG桩）、散体材料（水泥搅拌桩、碎石桩）桩复合地基不同的是刚性桩复合地基中的桩，同一般桩基础中的桩一样具有桩的性状，可全桩长发挥侧阻力和桩端阻力。另一方面，刚性桩复合地基是一种桩土体系，与复合桩基一样由桩同承担荷载。但由于褥垫层的作用，刚性桩复合地基与复合桩基具有不同的受力特点（如图二a）。而其它桩型（CFG桩、水泥搅拌桩及碎石桩）复合桩基，桩土反力发展过程有“桩受力在先，桩间土受力滞后”的特点（如图二 b）。

在复合地基中小构件桩与微型桩一样，由于桩径小，桩周摩阻力远远大于端阻力，端阻力只相当于桩周摩阻力的1%还不到，故其端承力可以忽略不计。只有在粘性土中，桩穿透软基层时的才考虑端阻力作用。小构件桩基础通常是布置比较紧密的群桩，因小构件桩的打入，对周围土体的挤压作用使土体中的有效应力增加，反而在桩土体系中产生正的群桩效应。

3 小构件桩复合地基设计计算

小构件桩用于软基层较厚地段时可按复合地基计算，当底层有持力层时按端承桩计算。

3.1按刚性桩复合地基计算

刚性桩复合地基承载力可按桩土相互作用理论计算，复合地基承载力可以按一般复合地基理论进行计算，其承载力特征值为：

fspk ＝m Ra/Ap＋β(1－m)fsk ①

式中：fspk为刚性桩复合地基承载力特征值(kPa)；

m为面积置换率；

β为桩间土承载力折减系数，一般可取0.75～1.0，天然地基承载力较高时取大值；

fsk为加固后桩间土承载力特征值(kPa)，一般可取天然地基承载力特征值。

3.2面积置换率及桩数计算

刚性桩复合地基承载力特征值应通过现场载荷试验确定。有工程经验时也可按式①估算。由式①转换，可以得到刚性桩面积置换率的计算公式为：

m=(fspk -βfsk)/( Ra/Ap -βfsk) ②

式中：各符号意义同前。

刚性桩复合地基所需桩数可由下式计算确定：

n=mA/ Ap ③

式中：n为桩数；m为面积置换率；A为基础面积(m2)；Ap为单桩横截面积(m2)。

3.3 小构件桩用作挤密桩时可按下式计算式：

S=0.95d④

n=A/AP ⑤

S桩的间距（m）

d桩径（m）

e0挤密前土的天然孔隙比

e1挤密后作要求达到的孔隙比，可按地基所需的承载力设计值再根据《建筑地基基础设计规范》附录五附表5－3或5－4确定。

n每m2桩的根数

A每m2地基所需挤密桩面积，A=( e0- e1)/(1+ e0)

AP单桩横截面积（m2）

4 小构件桩处理软弱地基的适用条件

从工程建设的实践经验来看，软土地基设计之前必须认真进行工程地质勘察和土工试验。施工中发现软基，应采用钢钎探查清楚软基深度和范围，并用轻型触探仪获取基底天然承载力。一般软土厚度小于7m时较为适宜用小构件桩来处理。为了便于打桩，桩长不宜超过6m。实践证明，小构件桩处理软弱地基时，可避免大量的土方开挖，施工方便、经济效益明显。

①天然地基承载力：从淤泥及软塑地基施工经验来看，当天然地基承载力为0～30KPa时，表象为淤泥，采用抛石挤淤处理；当天然地基承载力为30～60KPa时，表象为软塑状，采用小构件桩挤密桩加固；当天然地基承载力为60～90KPa时，表象为软塑至硬塑状，适用小构件桩复合地基加固；当天然地基承载力90～150KPa时采用片石或碎石换填即可。

②桩径：小构件桩不论圆桩还是方桩桩径都宜小。一般桩径不大于300mm，不小于150mm，桩径过大施工阻力大，需要专门机械施工，这就违背了小构件桩的方便施工的宗旨，也就失去了小构件桩的优势。常用桩径一般为150mm，180mm，200mm，220mm，250mm。桩径在200mm～300mm的多用于复合地基；如涵洞基础等独立的建筑物、较大面积的方形基础；桩径在150mm～200mm的多用于挤密桩；如挡墙等条形基础。

③桩长：小构件桩桩长由地质情况及加固地基决定，但不论圆桩还是方桩都不宜过长，一般2.5m～6m。主要是施工方便，不需要专门施工机械。

④配筋：小构件桩配筋，《按建筑桩基技术规范》配置。

5 使用效果

小构件桩，使用于中松二级公路冰碛淤泥质粘土路堑挡墙基础加固，桩大小为180×180mm方桩，挤密桩设计，桩间距80cm×80cm。中松公路竣工通车8年，通过使用和观测证明，结构稳定安全，挡墙稳固，加固效果良好。另外使用于曲罗公路K28+300段膨胀土路堑坍方抗滑挡墙基础加固，桩大小为150×150mm方桩，挤密桩设计，桩间距80cm×80cm。曲罗公路竣工通车5年，通过使用和观测证明，结构稳定安全，挡墙稳固，加固效果良好。

下图为盘龙江护岸墙基础加固，采用7米长弱电电杆现场挖机打入，按复合地基加固设计，电杆尺寸大头D=300mm，小头D=150mm。为典型的小构件桩。护岸墙已竣工2年，通过使用和观测证明，结构稳定安全，挡墙稳固，加固效果良好。

6 结束语

本文简要介绍了从建筑桩基引伸出小构件预制桩的应用。小构件桩不需要特殊机械、不受场地限制、现场预制简单、施工方法简便快捷，即现场采用挖机即可进行静压施工。小构件桩的应用弥补了其它类型桩不方便使用的山间软基工点，填补抗滑桩、CFG桩、深搅桩等桩基处理的空白区域。

参考文献

[1] 中华人民共和国行业标准《建筑桩基技术规范》（JGJ94－94），中国建筑工业出版社，北京，1995年。

[2] 中华人民共和国行业标准《建筑地基基础设计规范》（GB50007－2002），中国建筑工业出版社，北京，2002年。

[3] 阎明礼、张东刚主编《CFG桩复合地基技术及工程实践》，中国水利水电出版社，北京，1996年。

[4] 李彰明主编 ，中国电力出版社，2006年。

[5] 吴永红《刚性桩复合地基理论及其在天津软土地区的应用》。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。