鐵路橋梁跟鉆法管樁在砂性土中的合理構(gòu)造分析

阮白一

( 中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,上海 200070)

1 概述

近年來(lái)高速鐵路在國(guó)內(nèi)發(fā)展十分迅速，橋梁在鐵路中所占比例不斷提高，樁基在工程中的使用量達(dá)到前所未有的高度。在華東地區(qū)，部分樁基礎(chǔ)占橋梁總投資可達(dá)25%以上。目前，鐵路樁基預(yù)制化程度低，仍以鉆孔樁為主，僅有小部分區(qū)段可采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(以下簡(jiǎn)稱PHC管樁)。常用的打入法、靜壓法等PHC管樁工法受環(huán)境影響大、工效低、適用工程地質(zhì)面窄等缺陷影響，難以在鐵路項(xiàng)目中大范圍推廣[1-6]。

跟鉆法[7-8]作為新型的預(yù)制管樁施工工法，具有環(huán)保、單樁承載力高等優(yōu)點(diǎn)，并且在砂性土中具有較好的經(jīng)濟(jì)性，目前在部分工民建工程中已得到應(yīng)用。研究鐵路橋梁跟鉆法管樁在砂性土的合理構(gòu)造，能進(jìn)一步提高其適用性及經(jīng)濟(jì)性，對(duì)跟鉆法在鐵路橋梁領(lǐng)域的推廣具有重要意義。

本文研究具體思路為：(1)參考連鎮(zhèn)鐵路砂性土地質(zhì)工點(diǎn)，利用GTS-NX軟件建立跟鉆法管樁實(shí)體模型，計(jì)算分析擴(kuò)大頭破壞界面及不同尺寸擴(kuò)大頭承載能力。(2)參考連鎮(zhèn)鐵路工點(diǎn)，分析在滿足鐵路規(guī)范及合理布樁的前提下，在常用墩高范圍內(nèi)，不同樁徑、壁厚管樁的經(jīng)濟(jì)性及適用性。

2 跟鉆法施工工藝

跟鉆法是在鉆機(jī)長(zhǎng)螺桿的前端設(shè)置能打開的特殊鉆頭，并將鉆桿插入PHC管樁中空部，邊鉆孔取土邊將樁沉入土中。臨近持力層時(shí)，通過油壓閥打開鉆頭擴(kuò)大翼，固定擴(kuò)大鉆翼后鉆進(jìn)，形成局部擴(kuò)孔。在持力層中鉆進(jìn)一定深度后通過鉆桿對(duì)底部注漿，并用擴(kuò)大翼反復(fù)攪拌形成擴(kuò)大球根，再將管樁插入球根內(nèi)形成擴(kuò)大頭。擴(kuò)大頭包含樁周擴(kuò)大頭及樁底擴(kuò)大頭兩部分。跟鉆法工藝流程如圖1所示。

注：D為管樁外徑。圖1 跟鉆法工藝流程

3 連鎮(zhèn)鐵路砂性土工點(diǎn)情況

連鎮(zhèn)鐵路為新建速度250 km/h雙線客運(yùn)專線鐵路，ZK活載。選取的砂性土工點(diǎn)位于五峰山長(zhǎng)江特大橋北岸引橋，場(chǎng)地土層分布見表1，場(chǎng)地的靜力觸探曲線如圖2所示。

表1 場(chǎng)地土層分布

圖2 靜力觸探曲線

4 擴(kuò)大頭有限元計(jì)算分析

4.1 有限元模型

采用商業(yè)有限元軟件GTS-NX，對(duì)不同尺寸擴(kuò)大頭在軸向力作用下受力情況進(jìn)行分析。有限元模型中管樁樁長(zhǎng)均為45 m，管樁型號(hào)均為φ800～φ130 mm，各編號(hào)擴(kuò)大頭尺寸如表2所示。

表2 擴(kuò)大頭編號(hào)及尺寸

注：D為管樁外徑。

4.2 擴(kuò)大頭破壞界面

跟鉆法管樁擴(kuò)大頭需將管樁所承受的荷載傳遞給接觸的土體，所以擴(kuò)大頭存在兩個(gè)較為重要的接觸面：管樁與擴(kuò)大頭之間的固結(jié)界面及擴(kuò)大頭與土體之間的接觸面。由于材料不同，承載力達(dá)到極限時(shí)，破壞會(huì)在這兩個(gè)界面之一發(fā)生。

編號(hào)1尺寸擴(kuò)大頭在荷載Q=5 000 kN時(shí)的剪應(yīng)力分布如圖3、圖4所示。根據(jù)應(yīng)力分布結(jié)果，擴(kuò)大頭與土接觸界面處豎向剪切應(yīng)力τ1=45 kPa，擴(kuò)大頭與土接觸界面容許剪應(yīng)力[τ1]=66 kPa，管樁與擴(kuò)大頭界面豎向剪切應(yīng)力τ2=28 kPa，容許剪應(yīng)力[τ2]=461 kPa，有限元模擬結(jié)果顯示，擴(kuò)大頭破壞更容易發(fā)生在擴(kuò)大頭與土接觸界面上。

4.3 不同尺寸擴(kuò)大頭承載能力

跟鉆法的擴(kuò)大頭部分能有效提高PHC管樁的單樁承載力，不同擴(kuò)大頭尺寸對(duì)管樁承載力影響不同[9-15]。在有限元模型中模擬樁基靜載試驗(yàn)，可得不同編號(hào)擴(kuò)大頭管樁的Q-S曲線。按樁頭沉降位移40 mm控制，編號(hào)1～5跟鉆法管樁單樁承載能力分別為6 600、6 580、7 120、6 930 kN與7 390 kN。見圖5。

圖3 擴(kuò)大頭樁土界面豎向剪切應(yīng)力

圖4 擴(kuò)大頭與管樁接觸面剪切應(yīng)力

圖5 管樁模型Q-S曲線

4.4 小結(jié)

Q-S曲線顯示在荷載較小時(shí)擴(kuò)大頭尺寸對(duì)管樁沉降影響較小，此時(shí)荷載主要由樁身側(cè)摩阻承擔(dān)。當(dāng)荷載逐漸加大，擴(kuò)大頭承受的荷載逐漸增加，擴(kuò)大頭尺寸對(duì)沉降的影響也逐漸明顯。在同等情況下，增加擴(kuò)大頭直徑可以明顯提高單樁容許承載力，并減小沉降。但擴(kuò)大頭過大會(huì)導(dǎo)致鉆頭張開擴(kuò)大翼及攪拌過程中需要機(jī)械提供較大的液壓及動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。因此，推薦擴(kuò)大頭尺寸采用1.2D～1.4D。同時(shí)，需結(jié)合地質(zhì)及設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)確定擴(kuò)大頭的樁周長(zhǎng)度。

5 跟鉆法管樁合理樁徑及壁厚比選

5.1 樁徑比選范圍及方法

目前國(guó)標(biāo)圖集中預(yù)制管樁樁基直徑范圍為0.3～1.2 m，考慮鐵路橋梁受力特點(diǎn)，φ0.8 m以下管樁在鐵路橋梁中缺乏適用性。同時(shí)考慮樁基尺寸標(biāo)準(zhǔn)化，本次僅對(duì)φ0.8 m、1.0 m、1.2 m樁徑進(jìn)行比選分析，不考慮φ0.9 m、1.1 m等鐵路非常用樁徑。

本文在滿足橋梁剛度、承載力并且合理布樁的前提下，以跟鉆法下部基礎(chǔ)費(fèi)用及單位線剛度所需費(fèi)用作為比選指標(biāo)，對(duì)不同樁徑管樁在砂性土工點(diǎn)進(jìn)行比選。比選結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 不同墩高下部基礎(chǔ)費(fèi)用曲線

圖7 不同墩高下部基礎(chǔ)單位線剛度所需費(fèi)用曲線

5.2 樁徑比選結(jié)果

對(duì)于墩高≤8 m，φ0.8 m樁徑的管樁經(jīng)濟(jì)性較明顯，φ1.2 m樁徑的次之，但φ1.2 m樁徑管樁根數(shù)較少，施工工期較短。

對(duì)于墩高9≤H≤11 m，φ1.2 m樁徑的管樁經(jīng)濟(jì)性較明顯，φ0.8 m樁徑次之。

對(duì)于墩高12≤H≤16 m，φ0.8 m樁徑的管樁經(jīng)濟(jì)性較明顯，φ1.0 m的管樁次之，但φ1.0 m樁徑管樁根數(shù)較少，施工工期較短。

5.3 管樁壁厚比選

國(guó)標(biāo)圖集中φ0.8 m及以上管樁通常具有兩種壁厚供選擇，如φ1.0 m樁徑的管樁壁厚為110、130 mm兩種，采用110 mm時(shí)下部結(jié)構(gòu)縱向線剛度較采用130 mm時(shí)有一定的減小，減少約10%。鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)通常為剛度控制，鐵路規(guī)范也對(duì)線剛度有嚴(yán)格的規(guī)定，采用小壁厚管樁對(duì)橋梁設(shè)計(jì)較為不利，對(duì)于部分墩高在相同布樁條件下，采用較小壁厚管樁將突破規(guī)范允許值(表3)，需增加樁數(shù)才能滿足規(guī)范要求，缺乏經(jīng)濟(jì)性。推薦鐵路管樁采用圖集中較大壁厚型號(hào)。

表3 部分墩高下不同壁厚管樁剛度對(duì)比

6 結(jié)論

(1)通過有限元模擬對(duì)鐵路跟鉆法管樁在砂性土中的承載力進(jìn)行了分析，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，跟鉆法管樁擴(kuò)大頭能有效提高承載力，綜合考慮后推薦擴(kuò)大頭尺寸采用1.2倍～1.4倍樁徑。

(2)樁徑壁厚經(jīng)濟(jì)性、適用性對(duì)比顯示，φ0.8 m、φ1.0 m、φ1.2 m跟鉆法管樁在不同墩高條件下有各自的適用性，同等樁徑條件下選擇較厚壁厚管樁更適用于鐵路橋梁。