现浇X形混凝土桩在四桥接线软土地基中的应用

方萍

摘要：结合工程实例阐述现浇X形混凝土桩在四桥接线软土地基中的应用，为江苏省软土地基处理提供新思路。

关键词：软土地基沉降， 现浇X形混凝土桩 ，工程造价

Abstract: combined with engineering examples cast-in-situ concrete pile in X four bridge connection soft soil foundation, the application of soft ground treatment in jiangsu province to provide new ideas.

Key words: soft soil foundation settlement, cast-in-situ concrete pile of X, project cost

中图分类号：TU471.8文献标识码：A文章编号：

一、概述

南京长江第四大桥接线工程是南京市绕越高速公路重要组成部分，起点为与宁通高速公路相交的横梁互通，跨越长江后与国道312相交于栖霞互通，终于与沪宁高速相交的麒麟枢纽。

现浇X形混凝土桩技术是利用一种截面如字母X形的钢模代替传统的沉管灌注桩圆形钢模，钢模在X形活瓣桩靴的保护下沉入地基中形成X形空腔，灌注混凝土后边振动边拔管，X形活瓣桩靴自动打开，使混凝土进入X形空腔内，形成一种X形状的现浇混凝土桩。与传统灌注桩技术相比，现浇X形混凝土桩具有较大的单位体积材料比表面积，因而可以在不增加工程量的前提下大大提高单桩承载力，使用较少的混凝土方量，以实现低造价、高承载力，从而提高性能价格比。以桩径为426 mm普通混凝土桩为例，在等面积的情况下，X形混凝土桩周长是普通圆形桩截面的165.8 %；在等周长的情况下，X形混凝土桩的截面积仅为普通圆形桩截面的36.4 %，说明在保证侧摩阻力基本不变的条件下，X形混凝土桩的混凝土用量大大减小；如图1所示。

图1 现浇X形混凝土桩

二、施工工艺

现浇X形桩是根据等截面异形周边扩大原理，在传统圆形沉管灌注桩的基础上通过改变截面形式而增大承载力的一种新桩型，即最大程度地发挥地基土（岩）和桩本身的承载能力，充分发挥桩身材料的潜力。现浇X形桩将传统的圆形桩模改为X形桩模(或称为沉管)，并在施工工艺上做了调整，保持了传统沉管灌注桩的优点，目前已经在南京市桥北污水处理厂、南京河西江山大街、南京长江四桥北接线工程等软弱地基处理中推广应用，获得了较好的技术经济效益和社会效益。

现浇X形混凝土桩机械设备主要包括：底盘，卷扬机，控制台，龙门架，振动锤，和桩身模板。在穿越较坚硬的夹层时，依靠桩基的自身重力不能将桩身模板打设到指定标高时，可以开动振动锤，依靠振动锤的激振力穿越夹层。现浇X形桩采用常规振动沉管桩机静压辅助振动，将截面如字母“X”形状的钢模打入地基设计深度，投放填充料、振动拔管、空中补充加填充料，填充料固结成桩；同时可根据设计要求设置钢筋笼。施工流程如图2所示。

图2 现浇X形桩现场施工工艺

三、项目应用情况

本次现浇X形混凝土桩试验段选择在南京长江第四大桥南、北接线，以下着重介绍北接线N3标K9+764～K9+888.3龙袍互通的应用情况。

互通区展布在冲积平原区和长江漫滩区内，地势低平，地面高约3.2～5.0m，河渠纵横交错。场地内主要含水层为①2、②11和②12砂层。勘察期间揭示钻孔稳定地下水位埋深为0.8～1.5m左右。地震基本烈度为Ⅶ度。 互通主线及各匝道均有①1层软土分布，为灰色流塑状态淤泥质（粉质）黏土、淤泥，高压缩性，低抗剪强度，局部含腐植物，[fa0]=60～80kPa，qik=15～20kPa。软土埋深浅，厚度不均，局部可厚达22～23m，为本区主要不良地质地层。

作为一种复合地基路基加固方案，在进行设计时主要从地基承载力及允许工后沉降量两个方面来进行考虑，工后沉降控制标准为：一般路段≤30cm、过渡段≤20cm、桥头段≤10cm。

设计截面现浇X形桩的截面尺寸（图3）由外包方形边长aX、开弧间距sX和模板弧度θX控制。

图3现浇X形桩截面参数

现浇X形桩的截面周长可按下式计算：

现浇X形桩的截面面积可按下式计算：

本项目试验段现浇X形混凝土桩外包方形边长aX=611mm、开弧间距sX=120mm和模板弧度θX=130°，可计算得到截面积为Aps=0.1425m2，截面周长为u=2.218m。

现浇X形混凝土桩复合地基承载力计算

现浇X形桩单桩竖向承载力特征值的取值，应符合下列规定：

（1）当采用单桩静载荷试验时，应按单桩竖向极限承载力的0.5倍取值；

（2）当无单桩载荷试验资料时，对于初步设计可按下式估算：

式中

— 单桩竖向极限承载力特征值（kN）； — 单桩竖向极限承载力标准值（kN）；

K—— 安全系数，取 K＝2；

u——桩身外周长（m）；

n——桩长范围内所划分的土层数；

ξP—— 端阻力修正系数，与持力层厚度、土的性质、桩长和截面尺寸等因素有关，可取0.65～0.9，桩端土为高压缩性土层时取低值，低压缩性土层时取高值；

qsik—— 桩第i层土（岩）的极限侧阻力标准值（kPa）；当无当地经验时，可按现行行业标准《建筑桩基技术规范》JGJ94的规定取值；

qpk—— 极限端阻力标准值（kPa）；当无当地经验时，可按现行行业标准《建筑桩基技术规范》JGJ94的规定取值；

li ——桩穿越第i层土的厚度(m)；

—— 充盈折减系数；

桩身填充料强度应满足桩的设计承载力要求，即：

式中，fc—— 填充料轴心抗压强度设计值(kPa)，按现行国家标准《混凝土结构设计规范》（GB 50010）取值；

Ψc——工作条件系数，取0.6～0.8；

——桩身截面面积（m2）。

现浇X形桩复合地基承载力特征值应通过现场单桩复合地基载荷试验确定，初步设计时也可按下式估算：

mX =d2/

式中fspk—复合地基承载力特征值（kPa）；

mX —— 桩土面积置换率；

d —— 桩身等效圆直径（m）；

de —— 一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径（m），按等边三角形布桩时，de可按1.05d0取值；正方形布桩时，de可按1.13d0取值；矩形布桩时，de可按1.13 取值；d0、d1、d2分别为桩间距、纵向间距和横向间距（m）；

Ra——单桩竖向承载力特征值（kN）；

β—— 桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无经验时可取0.75～0.95，天然地基承载力较高时取大值；

fsk—— 处理后桩间土承载力特征值（kPa），宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值。

试验段加固方案设计

K9+764～K9+888.3段分布有较深厚的淤泥质黏土，深度为20～23 m。K9+764～ K9+794.3一般路段，原设计处理方案为PTC桩，其工后沉降约为2.50 cm，而K9+794.3～ K9+818.3段圆管涵及其过渡段，原设计处理方案为湿喷桩，其工后沉降约为21.4 cm，

差异沉降约为19 cm。K9+818.3～K9+888.3段，软基深度约在12～18 m之间，设计桩长为10 m，其工后沉降约为24.5 cm。工后

工后沉降差较大，对该区段软基处理方案进

表3-1 K9+764～K9+888.3段优化方案

行优化。

为了便于进行施工质量控制，且达到经济高效的目标，优化方案为：K9+764～K9+794.3段，采用现浇X形混凝土桩复合地基进行处理，桩长20 m、桩间距为1.8 m；K9+794.3～K9+818.3段，桩长16～18 m、桩间距为2.0 m； K9+818.3～K9+848.3段，桩长14 m、桩间距为2.2 m；K9+848.3～K9+888.3段，桩长12 m、桩间距为2.2 m。具体经济技术比较如表3-1所示。

由表3-1可知，K9+764～K9+888.3段采用现浇X形混凝土桩加固后，与原设计方案相比，新方案有效的控制整个路段的工后沉降和差异沉降。

现浇X形混凝土桩的现场质量检测

采用低应变检测、静载荷试验和桩头开挖检测三种方法对四桥连接线现浇X形混凝土桩进行质量检测，结果表明：

（1）采用低应变方法对三个标段的263根桩进行检测，被测桩波速正常，未见异常反射，均属于I类桩。

（2）采用静载荷试验对四根单桩和2根单桩复合地基进行了检测，被测桩的承载力都能达到设计要求。单桩竖向抗压极限承载力为最小600kN，试验点单桩复合地基载荷极限承载力为900kN（承压板面积2.8m2）。

（3）现场开挖了3根桩的桩头进行检测，被开挖桩的成形效果良好。

现浇X形混凝土桩复合地基现场监测

现浇X形桩为刚性复合地基，置换率比较小，桩土应力比比较高。路堤填筑初期桩顶和桩间土的沉降均较小，沉降发生的速率较慢，尤其是桩顶几乎不发生沉降，此时荷载主要由桩间土承担；当路堤填筑高度逐渐增大时，桩顶和桩间土沉降速率均有增大的趋势，但桩间土的沉降速率要大于桩顶的沉降速率，路堤荷载在桩顶和桩间土上进行着调整。

对K9+764～K9+888.3的表面沉降、分

层沉降、深层水平位移、孔隙水压力、土压力的监测结果表明，随着填土高度的增加，表面沉降、分层沉降、深层水平位移、孔隙水压力和土压力都逐渐增大。现浇X形混凝土桩表现出刚性桩的受力特性，桩深范围内的土层压缩量主要发生于桩深范围的中上部，桩顶应力比桩间土应力大得多，加固区内孔压的变化不明显。

四、 结论

N3标的前期沉降观测持续到2011年10月30日，最后几期沉降观测的月沉降量基本均在0~2mm之间，月沉降量达到施工路面要求。根据前期沉降实测结果对N3标路基工后沉降进行了预测，见图5。预测工后沉降在K9+780最大，15年工后沉降为21.4cm，满足一般路段工后沉降小于30cm的要求。其余路段的工后沉降均在20cm以下。与原设计方案PTC管桩和湿喷桩方案相比，以相同的工程造价达到了更小的工后沉降，且消除了不同处理方案之间的沉降差异，达到了良好的社会和经济效益。

从现有的试验成果来看，现浇X形桩具有加固机理清晰、施工质量易于控制、成桩质量好、桩体的承载力高、检测方便，检测费用省、经济性优越等优点。考虑到该方法的优越性建议在省内的高速公路建设中予以推广，以期产生更大的社会经济效益！

图4K9+780表面沉降过程线

图5N3标基于实测沉降预测的工后沉降

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。