大直徑PHC管樁在連鹽鐵路中的設計與應用

凌青松(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京　102600)Design and Application of the PHC Tubular Pile with Large Diameteron the Lianyungang-Yancheng Railway LING Qingsong

大直徑PHC管樁在連鹽鐵路中的設計與應用

凌青松(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京102600)Design and Application of the PHC Tubular Pile with Large Diameteron the Lianyungang-Yancheng Railway LING Qingsong

摘要以新建連鹽鐵路為工程背景，介紹大直徑PHC管樁在設計速度為200 km/h客貨共線鐵路橋梁樁基中的首次大批量應用及設計方法。通過現(xiàn)場試樁試驗，對該新型結(jié)構(gòu)的單樁豎向承載力進行探討并對相關設計參數(shù)進行驗證、優(yōu)化，可為今后類似工程條件下大直徑PHC管樁應用推廣提供可靠的工程經(jīng)驗。

關鍵詞客貨共線鐵路PHC管樁試樁試驗豎向承載力

1工程背景

新建鐵路連云港至鹽城線是我國規(guī)劃沿海鐵路運輸通道的重要組成部分，也是實施江蘇沿海開發(fā)國家戰(zhàn)略的重要基礎設施項目。始于連云港市贛榆縣境內(nèi)的贛榆北站，北接規(guī)劃青連鐵路，南接新長、寧啟、滬通鐵路，終于新長鐵路鹽城北站，沿途經(jīng)過江蘇省連云港市4個縣及市區(qū)，鹽城市5個縣及市區(qū)，全線共設有12個車站。連鹽鐵路設計時速為200 km，以客運為主，兼顧貨運。連鹽鐵路全線以高架橋梁為主，鐵路正線長度234.03 km，其中，橋梁長度149.5 km，占線路63.8%。連鹽鐵路正線軟土地基分布的段落長度合計183.5 km，占該段線路長度的77.5%，巖性為淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土，深灰色，軟塑—流塑，厚度0.5～19.0 m，主要表現(xiàn)為含水量高，高壓縮量性，承載力低。松軟土以下地層均為黏性土、粉沙、中粗沙，厚度分布達百米。全線軟土地基分布廣泛，厚度大、指標差，沉降和剛度指標為本線橋梁設計的控制因素。

2大直徑PHC管樁設計

大直徑PHC管樁作為一種新型基樁結(jié)構(gòu)，具有樁身質(zhì)量穩(wěn)定可靠、耐施打、強度高、穿透能力強、施工迅速簡便、節(jié)約工期等顯著優(yōu)點，正迅速而廣泛地應用于軟土地區(qū)鐵路橋梁工程、港口、碼頭等工程領域，受到越來越多的設計人員和建設單位的青睞?！蛾P于新建連云港至鹽城鐵路初步設計的批復》中涉及橋涵專業(yè)審批意見為：本線所經(jīng)地區(qū)多為軟土地基，結(jié)合地形地貌、地質(zhì)情況等，可在適宜地段選用預應力混凝土管樁基礎。

本線位于蘇北沿海軟土地區(qū)，地質(zhì)情況較差，軟弱土質(zhì)覆蓋層較厚，基巖埋藏較深。地質(zhì)資料揭示0～20 m范圍地層為人工填土、流塑淤泥質(zhì)黏土、軟塑黏土，20 m以下地層為硬塑黏性土、粉土、粉細砂，橋梁樁基類型較適合采用打入樁。結(jié)合地質(zhì)情況、橋梁位置及村鎮(zhèn)分布情況，部分段落距離既有等級道路較遠(100 m以外)，附近無村莊、房屋建筑等設施，將該區(qū)段部分橋墩的樁基礎設計采用大直徑(φ1.0 m)管樁，共涉及鹽河特大橋、新沂河特大橋、中山河特大橋部分簡支梁橋墩基礎。本工程設計的打入樁采用國家建筑標準設計圖集(10G409)中的預應力高強混凝土管樁(PHC樁)，預應力管樁型號為PHC-AB1000(130)-b。其相關參數(shù)如下：管樁外徑1.0 m，內(nèi)徑0.74 m，壁厚0.13 m，采用C80鋼筋混凝土?；炷劣行ьA壓應力6 MPa，抗裂彎矩檢驗值845 kN·m，樁身結(jié)構(gòu)豎向承載力設計值8 900 kN；采用柴油錘或液壓錘錘擊法沉樁，樁身分段長度控制在17 m以內(nèi)，根據(jù)設計情況需要廠家定制。樁身分段采用法蘭焊接，焊接接頭端板接頭采用環(huán)氧樹脂漆進行防腐處理；樁尖根據(jù)地質(zhì)條件和設計要求采用開口型鋼樁尖。

PHC管樁承載力計算參考《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ94—2008)中混凝土空心樁的計算方法，考慮了樁端對承載力的貢獻。根據(jù)地質(zhì)情況，樁基均按摩擦樁設計，設計管樁群樁基礎的樁尖中心距滿足《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》要求，按不小于3倍樁徑控制，樁長按不超過55 m控制。管樁頂以下3 m范圍澆筑混凝土，形成實體段并配置構(gòu)造鋼筋與承臺連接。本工程設計管樁單根樁長37.5～49.5 m，樁底均置于硬塑黏性土及飽和中砂層中。

對φ1.0 m PHC管樁與φ1.0 m鉆孔摩擦樁作經(jīng)濟比較，具體情況見表1。

計算結(jié)果表明，φ1.0 m打入樁比較適合于墩高小于9 m的橋墩基礎，尤其適合6 m以下的橋墩基礎。當墩高小于6 m時，打入樁的樁長較鉆孔樁短10%～15%；當墩高6～9 m時，樁長相當。當墩身大于9 m時，由于大直徑PHC管樁剛度較弱，導致基礎縱橫向剛度偏弱，由于打入樁樁尖中心距不小于3倍的樁徑，若增加樁數(shù)將導致承臺尺寸較大，承臺需要加厚或加強配筋。從表1可以看出，PHC管樁造價每個基礎較鉆孔樁造價便宜6%～10%，經(jīng)濟效益顯著。因此，在沿海軟土地區(qū)橋梁樁基中使用PHC管樁具有明顯的經(jīng)濟性。

3單樁豎向承載力計算

(1)參照國家《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ94—2008)中有關規(guī)定，根據(jù)土的物理力學指標與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗關系，確定敞口預應力混凝土空心樁單樁豎向極限承載力標準值時，可按下式計算

(1)

式中u——樁身截面周長；

qsik——樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標準值；

li——樁穿越第i層土的厚度；

qpk——極限端阻力標準值；

λp——樁端土塞效應系數(shù)，當hd/d<5時，λp=0.16hd/d，hd為樁端進入持力層深度；

d、d1——管樁外徑、內(nèi)徑。

(2)參照《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》(TB1002.5—2005)中有關規(guī)定，打入、震動下沉和樁尖爆擴樁的容許承載力計算公式為

(2)

式中，fi和R分別為樁周土的極限摩阻力和樁尖土的極限承載力。

綜合上述《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ94—2008)和《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》(TB1002.5—2005)中的計算方法，大直徑PHC管樁單樁豎向容許承載力的計算公式建議按下式進行計算

(3)

式中，fi和R分別為樁周土的極限摩阻力和樁尖土的極限承載力，可查閱《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》(TB1002.5—2005)得到。

4試樁試驗概況

以大直徑(φ1.0 m)PHC管樁為主要試驗研究對象，選擇新建連鹽鐵路之中山河特大橋，根據(jù)主要地質(zhì)分布情況及現(xiàn)場打入樁實際施工情況，選取沉樁錘擊數(shù)較少的區(qū)段為打入樁試樁試驗的工程位置，對3根樁徑1.0 m鉆孔灌注樁和3根樁徑1.0 m打入樁進行單樁豎向靜載試驗(反力樁法)。靜載試驗反力由4根錨樁與反力架聯(lián)合提供，試樁按《鐵路工程基樁檢測技術規(guī)程》(TB10218—2008)辦理。根據(jù)選定位置的地質(zhì)資料，按8 000 kN試樁極限荷載，根據(jù)上述計算公式，分別反算出鉆孔樁、打入樁樁長。試樁、錨樁設計參數(shù)見表2。

試樁試驗位置對應的地質(zhì)柱狀圖見圖1。

地質(zhì)勘察報告揭示的地層狀況及工程地質(zhì)參數(shù)見表3。

5試驗結(jié)果分析

單樁豎向抗壓靜載試驗前、后，各試樁、錨樁樁身均未破壞。根據(jù)試驗記錄，本次單樁豎向抗壓靜載試驗3根鉆孔樁和3根PHC管樁中取得有效數(shù)據(jù)的試樁為S1～S5號，依據(jù)試驗規(guī)范判定各試樁豎向極限承載力值。各試樁豎向極限承載力測試值匯總情況見表4。

根據(jù)《鐵路工程基樁檢測技術規(guī)程》(TB10218—2008)有關規(guī)定，同時考慮到鐵路橋梁基樁受動載作用，且對沉降量的要求較高，對S1、S2號試樁取總沉降量s=40 mm時對應的荷載作為極限承載力。S3～S5號試樁在試驗加載過程中均為達到極限。根據(jù)規(guī)范、規(guī)程有關規(guī)定，取最大試驗荷載值作為試樁的豎向抗壓極限承載力。

PHC管樁樁周土分層極限側(cè)摩阻力及樁端土極限端阻力測試值見表5。

6結(jié)論

經(jīng)對新建連鹽鐵路3根鉆孔灌注樁和3根PHC管樁的試樁試驗數(shù)據(jù)作綜合判斷分析，可得出以下結(jié)論：

(1)鉆孔灌注樁S1～S3號試樁極限抗壓承載力統(tǒng)計值為9 734 kN，PHC管樁S4～S5號試樁極限抗壓承載力統(tǒng)計值為12 000 kN，均滿足設計要求的8 000 kN。錘擊法沉樁PHC管樁的單樁極限承載力，經(jīng)28 d休止期后與初始狀態(tài)相比，有顯著提高。

(2)實測的樁側(cè)摩阻力值與樁端阻力值均比勘察報告建議值(或推薦值)和規(guī)范值有較大幅度的提高。各土層單位極限側(cè)摩阻力及樁端土極限端阻力測試值見表5所示，最大單位極限側(cè)摩阻力出現(xiàn)在17.5～33.8 m土層。

(3)通過實測值與規(guī)范計算值對比可以看出，設計時采用的地質(zhì)參數(shù)偏安全，因此設計計算值偏于保守。

基于大直徑PHC管樁優(yōu)良技術性能，本工程采用的大直徑PHC管樁在蘇北沿海軟土地區(qū)鐵路建設中尚屬大批量首次應用并獲得成功，體現(xiàn)了大直徑PHC管樁旺盛的生命力。蘇北地區(qū)鐵路網(wǎng)建設后期將有連淮揚鎮(zhèn)、徐宿淮鹽以及鹽海線等多條鐵路項目，大直徑PHC管樁可在今后類似鐵路工程中應用推廣，還需要在今后的設計與施工實踐中不斷探索、總結(jié)和積累成功經(jīng)驗。

參考文獻

[1]TB10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2012

[2]TB10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2013

[3]新建時速200 km客貨共線鐵路設計暫行規(guī)定[S].北京：中國鐵道出版社，2006

[4]JGJ94—2008建筑樁基技術規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008

[5]TB10218—2008鐵路工程基樁檢測技術規(guī)程[S].北京:中國鐵道出版社，2013

[6]范立礎.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社，2001

[7]鐵道第三勘察設計院橋隧處.橋涵設計手冊[M].北京:中國鐵道出版社，1987

[8]鐵道部第三勘測設計院.橋梁地基與基礎[M].北京:中國鐵道出版社，1991

[9]凌青松.沿海軟土地區(qū)框架涵設計應用[J].鐵道勘察，2015(5)

[10]張立新，馬廣為.預應力管樁在軟土地基中的應用[J].鐵道勘察，2006(6)

中圖分類號：U443.15

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)06-0074-04

作者簡介：凌青松(1987—)，男，2013年畢業(yè)于華東交通大學橋梁與隧道工程專業(yè)，工學碩士，工程師。

收稿日期：2015-11-02