預(yù)應(yīng)力管樁在高速鐵路深厚軟土地基處理中的應(yīng)用

朱愛民

(上海鐵路局,上海 200070)

1 工程概述

近幾年我國高速鐵路迅猛發(fā)展,僅上海地區(qū)在建的高速客運(yùn)專線鐵路就有：京滬高速鐵路、滬寧城際鐵路、滬杭客運(yùn)專線鐵路等。與普速鐵路相比,高速鐵路對路基工后沉降控制提出了更高的要求。對無砟軌道鐵路的路基,在無砟軌道鋪設(shè)完成后的工后沉降應(yīng)滿足扣件調(diào)整和線路豎曲線圓順的要求,工后沉降一般不應(yīng)超過扣件允許的沉降調(diào)高量15 mm。

普速鐵路地基處理一般針對軟弱土地基,處理目的是保持地基穩(wěn)定和減少地基沉降。通常采用排水固結(jié)法、復(fù)合地基法等措施,即可滿足工后沉降控制要求。對于高速鐵路,特別是深厚層軟土地基上的高速鐵路路基,這些處理措施難以滿足工后沉降控制要求,需要采用更加科學(xué)、有效的處理措施,一般均采用以樁基為主的地基處理措施。

2 上海地區(qū)預(yù)應(yīng)力管樁路基處理主要形式

2.1 預(yù)應(yīng)力管樁樁承式路堤

樁承式路堤由路堤填料、水平加筋體、樁(樁帽或樁梁)和地基土組成,是近年來在軟土地區(qū)高速鐵路路基應(yīng)用較多的一種地基處理方法。樁帽和樁帽以下的土體以及樁體之間構(gòu)成小的剛性單樁承臺,而樁帽頂部設(shè)置的加筋碎石墊層則形成一個(gè)大的柔性承臺(圖1)。其具有以下優(yōu)點(diǎn)：路堤荷載通過樁向深層地基傳遞,因而路堤總沉降及工后沉降較??；樁和水平加筋體的共同作用使得路堤側(cè)向變形減小、穩(wěn)定性提高；路堤穩(wěn)定性高,無需分期填筑,可縮短施工工期。適用于有砟軌道鐵路地段,由于樁間土沉降的影響,在無砟軌道鐵路地段使用時(shí),還需結(jié)合其他措施,如預(yù)壓等。

圖1 預(yù)應(yīng)力管樁樁承式路堤橫斷面示意

2.2 預(yù)應(yīng)力管樁樁筏基礎(chǔ)

即管樁+鋼筋混凝土筏板的整體結(jié)構(gòu)(圖2)。其特點(diǎn)是路堤荷載全部由樁承擔(dān),并直接傳遞到下臥層,沉降計(jì)算時(shí)僅考慮下臥層的沉降。與樁承式路堤相比,沉降控制作用更為明顯,可用于沉降控制更為嚴(yán)格的無砟軌道地段。

圖2 預(yù)應(yīng)力管樁樁筏基礎(chǔ)橫斷面示意

3 京滬高速鐵路上海虹橋站預(yù)應(yīng)力管樁應(yīng)用情況

3.1 工點(diǎn)工程地質(zhì)條件

京滬高速鐵路上海虹橋站DK1 300+800～DK1 301+620段地貌屬濱海平原地區(qū),地勢低平,地表水系發(fā)育。區(qū)內(nèi)地層均為第四系松散堆積層,總厚度在100 m以上,以第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)海積、沖海積黏性土及砂類土為主,屬典型的深厚層軟土地基。地基土分層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 虹橋站地層物理力學(xué)性質(zhì)

3.2 工點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

DK1 300+800～DK1 301+300段為無砟軌道地段,填高2.0～2.5 m,地基處理采用預(yù)應(yīng)力管樁樁筏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式。管樁混凝土強(qiáng)度等級C60,壁厚10 cm,直徑50 cm。樁長43 m,樁間距2.4 m，樁按正方形布置。筏板寬14.4 m,縱向節(jié)長11.98 m,厚0.5 m。

DK1 301+300～DK1 301+620段為有砟軌道地段,填高2.0～3.0 m,采用預(yù)應(yīng)力管樁樁承式路堤結(jié)構(gòu)形式。管樁混凝土強(qiáng)度等級C60,壁厚10 cm,直徑50 cm。樁長27.0～30.0 m,其中DK1 301+300～DK1 301+342段設(shè)無砟軌道與有砟軌道過渡段,樁長34～37 m。管樁樁間距2.4 m,樁按正方形布置。管樁樁頂設(shè)置C30混凝土現(xiàn)澆樁帽,尺寸為1.6 m×1.6 m×0.35 m,帽頂上設(shè)置0.6 m碎石墊層,并于其間鋪設(shè)一層土工格室。

4 管樁承載力及貫入度計(jì)算

4.1 承載力計(jì)算

管樁單樁豎向極限承載力,一般按下式計(jì)算,并驗(yàn)算樁身材料強(qiáng)度

(1)

式中,Rk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；fsi為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qc為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；s2為樁身橫截面面積；li為按土層劃分的各段樁長；u為樁身周邊長度。

4.2 貫入度計(jì)算

錘擊打入樁設(shè)計(jì)貫入度一般根據(jù)試樁成果按格氏公式計(jì)算

(2)

式中,e為打樁最后階段平均每錘的貫入度,cm；n為樁及樁墊材料系數(shù),無樁墊時(shí),n=0.5；ε為恢復(fù)系數(shù),無樁帽時(shí),ε2=0.25；Q為錘重,kN；q為樁、樁帽、樁錘的非沖擊部分重力，kN；H為落錘高度，cm；A為樁的橫截面積，cm2；m為安全系數(shù)。

5 管樁施工工藝及質(zhì)量控制方法

5.1 管樁施工工藝

該段管樁采用錘擊法施工工藝,流程為：(1)場地平整,樁機(jī)就位；(2)錘擊打入第一節(jié)樁；(3)起吊第二節(jié)樁；(4)電焊接樁,檢查焊接質(zhì)量和垂直度；(5)錘擊打入第二節(jié)樁；(6)重復(fù)打樁工藝,直至達(dá)到設(shè)計(jì)樁長；(7)移動(dòng)樁機(jī),進(jìn)行下一根樁的施工；(8)質(zhì)量檢測；(9)開挖樁帽土體,立模,現(xiàn)澆樁帽；(10)鋪筑碎石墊層及土工格室。

5.2 管樁施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

(1)接樁

采用焊接接樁，接頭個(gè)數(shù)不宜超過3個(gè)。樁頭宜高出地面0.5～1.0 m，樁頭處宜設(shè)導(dǎo)向箍便于就位,上下節(jié)樁應(yīng)保持順直,中心偏差不宜大于2 mm。對接前上下端板表面應(yīng)用鋼絲刷清理干凈,坡口處露出金屬光澤,對接后若接觸面不密實(shí),可用不超過5 mm的鋼片嵌填,達(dá)到飽滿為止,并點(diǎn)焊牢固。

(2)收錘條件

根據(jù)設(shè)計(jì)及試樁確定收錘控制標(biāo)準(zhǔn)。本工點(diǎn)為摩擦樁,以樁底高程控制為主,同時(shí)參考根據(jù)試樁確定的貫入度。對樁端有好持力層的一般可通過最后十擊貫入度和最后1 m沉樁錘擊數(shù)等指標(biāo)來確定是否收錘。

(3)截樁

沉樁到位后仍有一大截管樁外露時(shí),應(yīng)實(shí)施截樁。截樁采用專用切割機(jī),邊切割邊澆水。嚴(yán)禁在管樁沒有完全切斷時(shí)采用大錘敲斷或樁機(jī)別斷。

(4)“浮樁現(xiàn)象”控制

管樁施工時(shí)因擠壓地下土層,軟土層形成超孔隙水壓力,產(chǎn)生擠土效應(yīng),使先打入的樁涌起,導(dǎo)致樁的整體承載力降低,這種現(xiàn)象簡稱“浮樁現(xiàn)象”,它是管樁工程應(yīng)用時(shí)必須解決的問題。現(xiàn)場通過采用如下措施進(jìn)行了有效控制。

①選擇合適的打樁順序,以減少后打樁擠土對先打樁的影響。主要有先內(nèi)后外、先深后淺、采取跳打、對稱施打、分段均衡施工等措施。

②選擇適當(dāng)?shù)拇驑端俣?控制日入土樁量。每日打樁速度太快,日入土樁量太大,將造成土體剪切及固結(jié)時(shí)效未到,超孔隙水壓力未明顯減弱,土體應(yīng)力未消散,加劇了擠土效應(yīng)。

③采用土體卸壓措施。主要方法是打減壓孔,根據(jù)軟土層深度及厚度,隔一定距離打減壓孔(最有效的方式是采用螺旋桿鉆機(jī)取土成孔,否則土體經(jīng)擾動(dòng)后,反而使孔洞周圍土體的孔隙水壓力有所加大,造成不良的局面),以便能及時(shí)卸除壓樁擠土效應(yīng)造成的土體壓力。

④加強(qiáng)排水,盡快使打樁引起的超孔隙水壓力消散,常用措施有井點(diǎn)降水、砂井排水和塑料排水板排水,也可采用挖溝降水和排水措施。

6 現(xiàn)場測試分析

6.1 載荷試驗(yàn)分析

圖3為本工程43.0 m管樁典型載荷試驗(yàn)相關(guān)曲線(加荷為設(shè)計(jì)荷載的2倍)。從圖中可以看出,管樁的Q-s曲線較平緩,未出現(xiàn)明顯拐點(diǎn),s-lgt曲線也未出現(xiàn)斜率劇增的曲線,沉降量也很小,但是卸載后回彈量相對較大。統(tǒng)計(jì)表明12根30 m管樁最大沉降15.6～25.2 mm,回彈8.73～12.74 mm,回彈率46%～75.9%；4根43 m管樁最大沉降7.26～12.01 mm,回彈5.57～8.13 mm,回彈率54.3%～84.9%。43 m管樁與30 m管樁比較,沉降量小而回彈率大,設(shè)計(jì)43 m管樁為無砟軌道區(qū)段,樁端位于⑦1層,30 m管樁為有砟軌道區(qū)段,樁端位于⑤3層,說明設(shè)計(jì)采用措施合理。

載荷試驗(yàn)總沉降均較小,說明管樁在設(shè)計(jì)荷載作用下產(chǎn)生的向下刺入變形量較小。

對2根試樁管樁進(jìn)行了破壞性加載試驗(yàn),取破壞荷載的前一級荷載作為實(shí)測豎向極限承載力,與根據(jù)公式(1)計(jì)算的豎向極限承載力進(jìn)行對比,見表2。

表2 計(jì)算和試驗(yàn)承載力對照 kN

從承載力對比看,計(jì)算值與試驗(yàn)值接近,結(jié)合載荷試驗(yàn)沉降量綜合分析,計(jì)算值仍偏于保守。

6.2 沉降分析

表3為基床底層已經(jīng)填筑到位的沉降觀測數(shù)據(jù),無砟軌道地段沉降量11.07～20.47 mm,有砟軌道沉降量24.62～26.27 mm。

表3 沉降觀測匯總

通過采用曲線擬合法進(jìn)行當(dāng)前荷載作用下的后期沉降預(yù)測,并計(jì)算基床表層和二期恒載的沉降量。初步結(jié)果表明,43 m管樁樁筏基礎(chǔ)可滿足高速鐵路無砟軌道工后沉降控制要求,30 m管樁樁承式路堤可滿足高速鐵路有砟軌道工后沉降控制要求。

7 結(jié)語

(1)控制工后沉降變形不均勻或過大,是客運(yùn)專線軌道鋪設(shè)的主要目標(biāo),因此對地基的加固、沉降觀測、沉降評估是客運(yùn)專線建設(shè)成功的關(guān)鍵。

(2)采用預(yù)應(yīng)力管樁對上海地區(qū)深厚層軟土地基進(jìn)行處理,能夠有效地控制沉降量,有利于行車的高穩(wěn)定性、高平順性、高舒適性。

(3)通過合理周期的路基沉降觀測證明：管樁樁筏基礎(chǔ)可滿足高速鐵路無砟軌道工后沉降控制要求,管樁樁承式路堤可滿足高速鐵路有砟軌道工后沉降控制要求。

[1]JGJ94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[2]程志潮.淺談軟土地基靜壓預(yù)應(yīng)力管樁的抗浮樁措施[J].福建建筑，2006(4)．

[3]賀學(xué)文，郭創(chuàng)科，辛?xí)暂x.預(yù)應(yīng)力管樁在軟土路基基底加固中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(4).