X型截面现浇混凝土桩在软土上的公路施工性能

周鹏飞 （安徽建工集团投资管理公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

目前各种桩用于支撑公路施工路堤，以抵抗车辆荷载力，如PCC 桩、土工格栅包裹石柱、深层搅拌柱、喷射灌浆桩和石柱。上述桩通常设计为圆形或环形截面，与周围的软粘土相互作用，从而产生侧阻力以满足实际工程要求。根据摩擦力理论，轴周围的侧阻力与桩的周长有关。与多边形截面桩相比，传统圆桩在相同截面积时周长较小，说明多边形截面桩对上述路堤具有较大的侧阻力。为了在软粘土上桩支撑路堤的设计中具有实际的经济意义，因此需要桩提供较高的侧阻力，可以通过增加桩与其周围软土之间的接触面积来实现。目前已有学者指出XCC 桩可有效增加侧阻力，同时XCC 桩因为其承载力显著且沉降量少，目前已有在砂土上的成功应用。但在打桩过程中会对周围土壤进行扰动，如土壤位移较大、过量的孔隙水压力。在XCC 桩支撑路堤的载荷安装过程中，由于多边形段和桩的干扰作用，周围土壤会发生不同位移，这与传统圆桩施工过程中的相应变化不同，且XCC 桩的性能现场试验结果在文献中很少。

基于此，本文首先介绍了工程实用的XCC 桩，包括其物理特性、桩安装设备、成桩过程和安装机制。然后，进行现场试验，以评估XCC 桩安装过程中的软土响应，并评估XCC 桩承护路堤在垂直荷载下的性能。

1 XCC桩性能

1.1 XCC桩物理特性

XCC 桩的截面尺寸可由3 个参数确定，如图1 所示，圆直径a、圆弧端点b 和圆弧角θ。工程实践中采用的断面尺寸参数范围为a=500～1000mm，b=100～250mm，θ=90°～130°。在周长相同的情况下，XCC 桩的经济成本比圆截面桩低。

1.2 XCC桩安装设备

XCC 桩作为一种新型的截面桩，必须设计专用的打桩设备来安装，以满足实际使用的需要。XCC桩安装设备如图2 所示，包括底盘、控制台、提升机、门架、钢模、斗、锤、桩脚。底盘由H 型钢制成，具有较大的刚度和相当的稳定性，为上部设备提供了平台。控制台控制机器的运动、设备的开关、锤的振动频率和桩模的拉速。提升机是动力系统的核心装置，为移动打桩机、拉起桩模提供动力。门架为桩模和锤提供支撑。桩模具由x型钢模具、料斗、法兰板和x 型钢桩脚组成，是整个设备中最重要的部分。料斗为浇筑混凝土提供容器。锤提供振动力来驱动桩模。桩脚由四个拱形阀组成，其垂直投影为X 形。用法兰板连接锤和桩模。

图2 XCC桩安装设备

1.3 XCC桩安装

试验设定长12～22m 的XCC桩进行现场浇筑，分成6 段。每根XCC 桩的施工步骤相同，桩截面控制为a=610mm，b=120mm，θ=130°。本文选取一桩深约12m 的原位浇筑XCC 桩，研究桩身安装过程中的土体响应。XCC桩周土体提前设置测量目标，监测土层径向位移、水孔压力和土体应力。将三个倾斜仪安装到15m 的深度，并牢固地嵌入到粉质砂中，以监测土壤的径向位移。在6m 和9m 深度的预钻孔中安装6 个孔水压力表，测量孔水压力的变化。将土压力传感器固定在预制钢筋框架上，然后通过在预钻孔中推动预制钢筋框架，将压力传感器安装到目标深度3m 和6m。在此过程中，保证这些压力单元的法线方向指向桩心。

1.4 XCC桩成型工艺

在施工现场定位桩模。将桩模打入地面前，关闭阀门桩尖。通过锤在桩模顶部施加载荷，将模具打入软黏土中。阀门桩头应保持关闭，以防止周围的土壤在此过程中进入模具，将混凝土填入预埋模具，混凝土由靠近桩模顶部的漏斗填充到钢壳中，在每次退出前，套管必须振动30s，提取钢模。桩模通过振动拉起，一般速度范围为1.2～1.5m/min。对于软土层，拉拔速度设置在0.8～1.0m/min之间为宜。随后，每抽拔0.5～1.0m，应暂时停止拉拔，使套管振动5～10s，以保证完全抽拔并压实混凝土桩。

2 结果与讨论

2.1 表面径向位移

图3为XCC 桩安装过程中在不同半径处测得的地表位移。使用SSPM（浅应变路径法）对不同半径的圆形桩进行相应预测。为预测末端封闭桩安装所引起的地表位移，按相同格式绘制与现场实测位移进行对比，进一步明确XCC 桩安装过程中的地面响应。由图可知，地表位移随半径r 的增大而减小。测量的表面径向位移明显低于R=Rou的预测值。当XCC 桩为封闭式圆形桩，即R=Req（给封闭式圆形桩相同体积的位移土壤）时，测量的表面径向位移通常高于R=Req要求的预测值。这说明XCC 桩的安装往往会产生较大的位移变化，这可能是由于桩的多边形性质所致。

图3 表面径向位移

2.2 孔隙水压力

由图4 可知，孔隙水压力在桩端接近测压高度时达到最大，随着桩端深入，孔隙压力逐渐减小。由垂直有效应力σv0归一化得到的1m、3m、6m 和9m 处孔隙压力Δu的径向分布如图4所示。

图4 不同深度下孔隙水压力变化

2.3 分层沉降

图5 为软土层沿深度的分层沉降。在施工阶段，随着路堤高度的增加，沉降有增加的趋势。在2m 处沉降量最大，在2m、4m、6m、8m 和10m 处沉降量分别为412.0mm、371.5mm、316.5mm、236.0mm 和212.5mm，沿深度逐渐减小。并且与路堤填筑过程相比，路堤的沉降是延迟的，这可能是固结过程和固结系数减小的原因。在施工阶段，土层沉降位移变化幅度较小，最大沉降达到200mm，且随深度增加，沉降量呈降低趋势，这主要是由于随深度增加，土体在自重应力作用下，土体内部孔隙逐渐减少，进一步加大颗粒间的接触面积，提高土体密实度。在施工阶段完成后，不同深度下软土层沉降位移较大，主要由于施工阶段时间较短，土体沉降未完全开始，因此在施工结束后软土层在土体自重应力及外荷载作用下会产生较大位移。随着沉降时间增长，不同深度下土体沉降位移趋于稳定，变化幅度逐渐降低。究其原因为随着时间增加，土体在自重应力下，软土内部孔隙率减少，密实度得到提高。

图5 不同深度沉降

实测的桩顶沉降和两桩间土体表面沉降如图6 所示。可以看出，施工阶段（约140d）沉降有所增加。然而，即使填筑完毕，沉降仍在持续增加，直到约200d。这可能与软粘土固结沉降有关。位于路堤中心、左右边缘桩的沉降量分别为438mm、404mm 和377mm。同时可观察到，XCC 桩附近的土沉降始终大于桩的沉降，这就有可能造成土拱和应力集中。由于土拱效应和应力集中，大部分荷载可能由土工格栅加筋垫层和桩传递，桩间土体承担的荷载较少。

图6 桩顶沉降

2.4 土壤和桩之间的荷载分布

XCC桩头及其周围土壤的垂直应力分布如图7 所示。测量到的桩头应力与其周围土壤（即应力浓度）之间存在明显差异，这归因于差异结算，桩头的应力随着路堤高度的增加而增加，直到施工后软粘土固结完成。桩间土应力随填筑过程的变化不大。

图7 桩头和桩间土壤中的应力

2.5 横向位移

施工阶段沿XCC 桩支撑路堤深度的横向位移如图8 所示。可以看出，最大的横向位移位于软层的地表。这种横向位移在路堤的施工阶段迅速增加。相比之下，当XCC 桩施工完成后，横向变形速度相对较慢。因为施工后的变形主要依赖于软土的固结，而不是所施加的压力。且可观察到横向位移随深度增加呈非线性增加趋势。随监测时间增长，横向位移变化幅度呈先上升后下降趋势，在监测281d 时，横向位移达到最大（5.4m）。监测36d 时，横向位移为1.7m，较监测17d 有较大变化，主要由于其桩周土较为松散，在土压力及负摩阻力的作用下，土体在前期会产生较大位移。

图8 不同深度的横向位移

图9 桩头与桩间土的表面沉降

2.6 地表沉降

实测的桩顶沉降和两桩间土体表面沉降如图9 所示。可以看出，施工阶段（约140d）沉降有所增加。然而，即使填筑完毕，沉降仍在持续增加，直到约200d，这可能与软粘土固结沉降有关。位于路堤中心、左右边缘桩的沉降量分别为438mm、404mm 和377mm。且可观察到，XCC 桩附近的土沉降始终大于桩的沉降，这就有可能造成土拱和应力集中。由于土拱效应和应力集中，大部分荷载可能由土工格栅加筋垫层和桩传递，桩间土体承担的荷载较少。

3 结论

本文介绍了X 型断面混凝土灌注桩处理路堤软层的新技术，包括相应的打桩设备、加固原理和施工工艺。为研究XCC 桩在安装过程中的土体响应，研究单桩和桩筏的承载力，开展了大规模的XCC 桩路基现场试验，主要研究结果如下。

①在R=Req条件下，XCC 桩安装过程中的径向位移大于圆形桩，而在R=Rou条件下，XCC 桩的径向位移小于圆形桩。XCC桩安装过程中孔压增量小于封闭式钢管桩和开放式混凝土管桩。

②由于XCC 桩与周围土体的沉降差异引起的拱效应，使XCC 桩顶的应力分布增大。XCC桩基础的应力集中比随路堤高度的增大而增大。在路堤施工阶段，土拱系数减小。