刘志明，肖雄杰，付 炜

（中国市政工程中南设计研究总院，湖北武汉430010）

1 概述

宁波市南外环路东段（世纪大道-东外环路）工程位于宁波市区南部，南侧紧靠杭甬高速公路，北侧紧邻铁路北仑支线，西起世纪大道，东至东外环路，全长3.965 km，规划为双向6车道城市快速路。

南外环路东段作为连接宁波市内环快速路与中环快速路的重要道路，主要承担老城区、东部新城区的南部东西向交通，具有吸引、疏解、组织沿线车辆及沟通该区域主要骨架道路的功能；吸引沿线交通方便地进入城市高速公路系统。服务对象客运、货运交通并重，根据该路段交通量调查分析预测，建成初年（2009年）高峰小时最大断面流量为4 120 pcu/h，客货比例为3:1，交通量预测末年（2029年）高峰小时最大断面流量为5 230 pcu/h，客货比例为5:1，即运营期初该道路具有明显货运干道的性质。

宁波地区地质条件复杂，地表以下有深厚的淤泥质土层，已建成的某环线道路与该道路交通性质相似，其软土地基处理方法为：路桥衔接段采用水泥土搅拌桩处理，一般路段换填一定厚度的塘渣处理；道路建成运营一段时间后即出现了工后沉降和不均匀沉降大、路面纵向呈波浪状起伏、局部路面开裂等病害，严重影响了道路功能的充分发挥，究其原因主要为软土地基处理方法不当及通行货运车辆重载超载。近年来，在宁波地区道路设计中路桥衔接段普遍采用PTC管桩、素混凝土旋挖桩、碎石注浆桩等桩承式路堤进行软基处理，工后沉降得到有效控制，桥头跳车状况明显好转，但是其造价较高，在一般路段长距离使用代价太大。一般路段软土地基处理中常用方法是单向水泥土搅拌桩，该方法施工技术成熟、工期短，但存在软土有效加固深度浅、施工质量控制性差的问题。

2 塑料套管混凝土桩介绍

塑料套管混凝土桩 （Plastic tube cast-in-place concrete pile，以下均简称TC桩）作为一种新桩型，属于桩承式加筋路堤中的小直径刚性桩的一种，目前已成功应用于多项公路、铁路工程的软基处理中，与传统软基处理方法相比在适宜的地质条件下，取得了较好的技术经济效益，沉降收敛快、总沉降量较小，沉降主要发生在施工期，工后沉降小。

TC桩由预制桩尖、塑料套管、套管内混凝土、顶部桩帽四部分组成；其主要工艺为按照一定间距将塑料套管打入需要加固的软土地基中，套管底部与预制桩尖固定，顶部开口，待拟加固场地分段区块套管全部打设完毕后，开挖盖板土模，安放钢筋笼及盖板配筋，再统一对埋设在地基中的套管用C25混凝土连续浇注成桩，套管不再取出。

TC桩与当前我国道路软基处理中普遍使用的水泥土搅拌桩、预应力管桩、振动沉管桩、旋挖桩等路堤桩相比，有它的合理性、先进性及适用性。它的主要优点在于先有套管成模，后集中现浇，这样与振动沉管桩相比其混凝土用量可控、没有充盈、不会因为振动挤土而引起断桩，打设机械可以连续施工和混凝土可以连续浇筑而降低施工费用；采用现浇工艺后不需要像预应力管桩等预制桩一样采用大量钢筋和大型运输，以及打设机械，也不需要事先配桩等优势，而与水泥土搅拌桩等柔性桩相比它又是刚性桩，承载力高且质量容易控制，整体造价较低等优点，其桩周又带有螺纹而可以获得较大的桩侧摩阻力。

3 一般路段软基处理设计

3.1 工程地质情况

该工程所在地区属于宁奉平原软土分布区，该区域软土特点为地表以灰黄色、暗绿色湖沼积地层为主，其下分布海相淤泥、淤泥质土层，常有泥炭层成片分布。各层土体工程地质特点为：

（1）场地浅层遍布①2层黄褐色粉质粘土层，该层层厚较薄，约1.0～1.5 m，强度一般，容许承载力σ0=75 kPa，中等偏高压缩性，可作为道路路基的持力层。

（2）硬壳层以下为②1层淤泥、②2层淤泥质粘土，层厚较厚，约 13～15 m，容许承载力 σ0=40～60 kPa，压缩模量 Es=2～3 MPa，高压缩性，垂直渗透系数为1.4×10-7cm/s，在路基填土附加荷载作用下，沉降量大，固结缓慢，为主要压缩层。

（3）其下③1粉砂夹粉土或③2层粘质粉土为相对硬土层，K0+000～K1+515（规划河四）为③2层，K1+515（规划河四）～K2+861（盛莫路）为③1层，K2+861（盛莫路）—终点此两层缺失，层厚2 m左右，容许承载力σ0=95～190 kPa，中等压缩性。

（4）其下④层淤泥质粉质粘土，层厚6.9 m～24 m，埋藏相对较深，压缩模量ES=2.8 MPa，高压缩性，在路基填土附加荷载作用下，沉降量较大，固结缓慢。

（5）其下各层为⑥、⑦层粘土、亚粘土或砂类土，压缩模量ES=6～9 MPa，中低压缩性，承载力较高，工程性质较好。

3.2 TC桩设计情况

TC桩软基处理范围为南外环路东段一般路段机动车道，平面上采用正方形布置，桩间距1.6m，预制桩尖采用C30钢筋混凝土，直径约30 cm，并设置有固定套管的塑料套管接头，桩体外侧为外径16 cm的单壁螺纹PVC塑料套管，套管强度根据打设深度不同采用环刚度6～10级套管，桩身、盖板采用C25混凝土连续浇注一体化施工，盖板直径50 cm，高度20 cm。

根据地勘报告，K1+542～K2+940区域存在③1粉砂夹粉土层，可以作为TC桩持力层。该段TC桩桩长按进入持力层≮1 m控制，平均桩长为14 m。对于其他区域，TC桩桩长根据承载力及沉降计算综合确定。承载力计算按照 《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）计算单桩竖向极限承载力标准值，承载力设计安全系数取1.1～1.3。

TC桩路堤变形主要由桩顶沉降控制，桩顶总沉降s由桩身压缩量s1、桩端平面以下沉降量s2和桩端刺入量Δs三部分组成。

该项目典型断面的承载力、沉降计算见表1所列。

3.3 TC桩竖向抗压静载试验情况

对桩打设至相对硬土层的段落，其总荷载按150 kN控制。根据实地试验，28 d单桩极限承载力可达160 kN以上，随着时间增长，桩周土进一步回挤，其极限承载力可进一步提高。TC桩施工采用的是大直径钢沉管内套小直径塑料管，并采用扩大桩尖的方法成桩。桩周土先扰动扩孔，与塑料套管先不接触，待钢沉管拔出后依靠土体自重固结、相邻桩打设挤土作用及上部荷载作用下逐步回挤，使塑料套管与桩间土紧密作用。桩间土经历扩孔、回填、回挤的过程，使TC桩承载力具有一定特殊性和更明显的时效性。

3.4 路堤荷载下TC桩复合地基沉降

考虑软基处理一般路段、过渡段、桥头等不同路段软基处理不同方式、不同路段地质条件变化等因素，南外环路东段道路共布置53个观测断面，进行沉降（沉降板）、深层水平位移（测斜管）、深层土体沉降（分层沉降管）、孔隙水压力（孔压计）监测，其中对一般路段设置15处观测断面，每个断面分别在中央分隔带及两侧机非分隔带内埋设沉降板进行沉降观测。监测情况见表2所列。

表1 典型断面的承载力、沉降计算值一览表

观测数据表明：

（1）TC桩处理后的路堤沉降量小，沉降收敛快，且主要发生在施工期，路面施工结束时月沉降速率远小于5 mm，路基沉降基本稳定。

（2）竣工通车后月沉降速率逐月减少，至第三个月月沉降速率大部分断面已小于5 mm，这主要是因为竣工后大量重型货车通行所致。这说明低路堤条件下交通荷载对路基沉降的影响是不能忽视的，尤其是市政道路由于工期原因软基处理后填筑路基预压时间很短，且几乎不采用超载预压工艺，故在沉降计算中必须要考虑交通荷载影响。

（3）至观测期末，各路段总沉降基本控制在8～10 cm，各断面之间差异沉降很小，渐变率不大于0.5%，月沉降速率已收敛至5 mm以下，预测15 a工后沉降不大于20 cm。

4 TC桩施工工艺

TC桩的施工工艺及流程如下图1所示。

图1 施工工艺流程图

主要施工工序如下：

（1）TC桩打设前，先整平场地，铺设砂砾垫层。

（2）塑料套管准备及制作。塑料套管准备，对套管进行试验和尺寸检测。根据加固桩长的要求，将出厂的套管切割成合适长度。

（3）制作桩尖并与套管连接。将切割好的套管与桩尖连接密封牢固。

（4）将打设设备移机就位。设备可采用静压振动联合插管机，可由普通沉管机、插板机等同类设备改造而成。

表2 沉降板沉降观测值一览表

（5）放置套管及打设。将带有桩尖的套管从钢管底部放入钢管中，桩尖与桩位对准，然后开机将钢管打设至预定的深度，打设过程中要控制好垂直度。

（6）拔钢管。将钢管拔出而将塑料套管留在地下，移机至下一个桩位，重复（4）～（5）工序，继续埋设套管。

（7）截桩和检查套管的深度。将多余的套管进行截桩和整理后，可以随时对套管深度检查，并随时保护套管内的清洁，尽量不让杂物进入。

（8）沿塑料套管中心开挖直径约为50cm（根据桩帽的尺寸定），高约为20cm的圆孔，放置桩顶钢筋笼及盖板顶、底层钢筋。

（9）场地内集中浇注混凝土完成桩和盖板的施工。将合适流动性的混凝土浇注在套管中，然后用专用加长振动棒（振捣深度在15～20m以上）对填充的混凝土进行振捣密实，并进行混凝土补充，使混凝土填充满整个塑料套管。

（10）混凝土浇注完毕达到一定强度后，盖板顶满铺钢丝格栅，再铺设垫层材料。

5 TC桩施工质量与检验要求

根据该项目特点拟定TC桩的施工质量及检验要求见表3所列。

6 TC桩工程应用经济性比较

TC桩由于是小直径刚性桩，布桩方式为“细而密”，与其他大直径刚性桩（如PTC管桩、旋挖桩）疏化桩间距相比，表面沉降更加均匀，这对垫层加筋材料强度要求、盖板的尺寸要求更低，从而可以节约其他辅助措施费用。对于低填方路堤，为形成土拱效应，桩承式路堤桩间距不能取得过大，这时候更体现出小直径桩这种布桩方式的优越性。

该项目选择PTC管桩、水泥土搅拌桩与TC桩进行经济比较，对比情况见表4所列，TC桩相对于这两种典型的刚性桩复合地基、柔性桩复合地基工程费用均减少10%以上。

7 结语

（1）TC桩由预制桩尖、塑料套管、套管内混凝土、顶部桩帽四部分组成，通过该项目应用实践，表明TC桩具有施工速度快、成桩质量容易控制、检测手段方便可靠等优点。

（2）TC桩桩侧受力具有一定的特殊性和时效性。桩端具有相对硬土层条件下28 d单桩极限承载力可达到160kN以上，随着时间推移，桩周土体回挤还可使其承载力提高。

表3 TC桩施工质量检验要求一览表

表4 TC桩与其他桩的经济性比较表

（3）TC桩没有打穿软土层条件下，设计中桩长、桩间距等参数选择建议按照控制工后沉降为主，计算中将桩端刺入量、软弱下卧层沉降适当增加，其计算方法有待进一步研究。

（4）一般路段典型断面沉降监测数据表明，TC桩处理后的路堤沉降量得到明显控制，沉降收敛快，且各断面总沉降差异小，加固效果明显。低填路堤条件下，交通荷载对路堤沉降影响很大，沉降计算中必须予以考虑。

（5）TC桩由于是小直径刚性桩，布桩方式为“细而密”，与其他大直径刚性桩（如PTC管桩、旋挖桩）“粗而疏”的布桩方式相比，表面沉降更加均匀，对垫层加筋材料强度要求、盖板的强度与尺寸要求更低，在低填方路堤中优越性更为明显。

（6）TC桩与PTC管桩、水泥土搅拌桩进行经济比较，工程费用减少10%以上，具有一定的经济优势。

[1]浙江省交通规划设计研究院主编.浙江省公路软土地基路堤设计要点[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]陈永辉，王新泉.塑料套管混凝土桩技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3]钱国超，陈加富，等.高速公路海相软土地基水泥土搅拌桩加固技术[M]北京：人民交通出版社，2008.