鐵路橋梁大直徑管樁的適用性對(duì)比分析

劉建紅，陳良江，史良洪，張 雁

(1.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070；2.中國(guó)鐵路總公司，北京 100844；3.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司，上海 200070；4.建華建材(中國(guó))有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

為響應(yīng)十九大提出的建設(shè)生態(tài)文明，形成綠色發(fā)展方式，貫徹新發(fā)展理念，提高橋梁整體裝配制造比例，提升標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、產(chǎn)業(yè)化水平，中國(guó)鐵路總公司圍繞“鐵路線橋隧工程建造技術(shù)深化研究”技術(shù)路線開展了系列研究，其中中鐵上海設(shè)計(jì)院承擔(dān)并主持了“鐵路橋梁大直徑管樁應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究”[1]。

鐵路橋梁與民建、港口等工程不同，線路呈帶狀分布，沿線地層起伏大、設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)頻繁，受荷載、剛度、沉降等控制因素影響，需采用樁徑800 mm及以上大直徑PHC(Pre-stressed High-strength Concrete)管樁。傳統(tǒng)打入法振動(dòng)噪音大，適用土層局限性大；靜壓法施工大直徑管樁時(shí)，存在配重大、沉樁困難、轉(zhuǎn)場(chǎng)不便等諸多問題。故管樁在鐵路橋梁中應(yīng)用受到嚴(yán)重制約。

為推進(jìn)鐵路樁基的預(yù)制化和橋梁現(xiàn)代化發(fā)展，需要推廣預(yù)制管樁在鐵路橋梁中的應(yīng)用。在調(diào)研了國(guó)內(nèi)外管樁的設(shè)計(jì)、施工[2-6]及應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上，開展了鐵路橋梁管樁新型沉樁工法(跟鉆法、勁性復(fù)合樁)的設(shè)計(jì)方法、合理設(shè)計(jì)參數(shù)等理論研究。結(jié)合連鎮(zhèn)鐵路工點(diǎn)開展試驗(yàn)研究，驗(yàn)證大直徑管樁的理論方法、管樁關(guān)鍵參數(shù)的選取、經(jīng)濟(jì)性分析等。本文主要對(duì)鐵路橋梁大直徑管樁應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行介紹。

1 跟鉆法施工工藝

跟鉆法將鉆桿插入PHC管樁中空部，并在鉆機(jī)長(zhǎng)螺桿的前端設(shè)置能打開的特殊鉆頭，邊鉆孔取土邊將樁沉入土中。臨近持力層時(shí)，通過油壓系統(tǒng)打開鉆頭擴(kuò)大翼，并固定擴(kuò)大鉆翼鉆進(jìn)，形成樁端擴(kuò)孔。在持力層中鉆進(jìn)一定深度后在底部注入水泥砂漿，并用鉆頭擴(kuò)大翼反復(fù)攪拌形成擴(kuò)大球根，再將管樁沉入球根內(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。跟鉆法可有效避免振動(dòng)噪音大，解決了沉樁難的問題，土層適用性較好。

圖1 跟鉆法工藝流程

圖2 勁性復(fù)合管樁構(gòu)造示意

2 勁性復(fù)合樁施工工藝

勁性復(fù)合樁由水泥土樁、芯樁2部分組成，芯樁可由管樁、鋼管混凝土樁等材料制成，見圖2。該樁型利用水泥土樁較大的接觸面積來(lái)提供側(cè)摩阻力，同時(shí)利用高強(qiáng)度的芯樁承擔(dān)豎向荷載，使2種材料的優(yōu)勢(shì)同時(shí)得到充分發(fā)揮。通過調(diào)整水泥土水灰比和攪拌半徑，使得承載力破壞界面發(fā)生在水泥土與天然土體接觸面，樁基具有了更高的單樁容許承載力。

3 大直徑管樁的應(yīng)用

管樁施工工藝受設(shè)備、工法的限制，對(duì)土層和場(chǎng)地條件等有一定的要求。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、文獻(xiàn)查閱[7-11]、試驗(yàn)驗(yàn)證以及工程經(jīng)驗(yàn)，從適用土層、場(chǎng)地要求、施工設(shè)備等方面給出了鉆孔樁、打入樁、跟鉆法、勁性復(fù)合管樁的適用范圍，詳見表1和表2。

表1 鉆孔樁、打入樁、跟鉆法與勁性復(fù)合樁適用土層比較

注：○表示比較適合；△表示有可能采用；×表示不宜采用。

表2 打入樁、跟鉆法、勁性復(fù)合樁、鉆孔樁其他適用性比較

4 管樁預(yù)算定額

跟鉆法、勁性復(fù)合樁為新型沉樁工藝，現(xiàn)有《鐵路工程預(yù)算定額》[12]缺少跟鉆法、勁性復(fù)合樁相關(guān)規(guī)定，且僅有振動(dòng)下沉鋼筋混凝土管樁定額，管樁最大直徑為0.55 m。本次通過調(diào)研、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定等方式，根據(jù)鐵路定額組成，分析得出0.8，1.0 m打入樁、跟鉆法和勁性復(fù)合樁相關(guān)定額。樁徑0.8，1.0 m單項(xiàng)預(yù)算見表3。

表3 樁徑0.8,1.0 m管樁單項(xiàng)預(yù)算 (元/m)

5 經(jīng)濟(jì)性

課題選取連鎮(zhèn)鐵路砂性土、黏性土2個(gè)代表性土層進(jìn)行了跟鉆法、勁性復(fù)合樁承載力試驗(yàn)。連鎮(zhèn)鐵路為新建時(shí)速250 km/h雙線客運(yùn)專線鐵路，ZK活載。其中砂性土工點(diǎn)位于五峰山長(zhǎng)江特大橋北岸引橋，黏性土工點(diǎn)位于跨寧啟鐵路特大橋，場(chǎng)地土層分布分別見表4和表5。

在滿足承載力、最小縱向線剛度及位移要求，對(duì)墩高H=6～16 m范圍進(jìn)行樁基布置分析，打入樁、跟鉆法、勁性復(fù)合樁樁徑采用0.8，1.0 m，鉆孔樁樁徑采用1.0，1.25 m。因樁基布置形式不同，承臺(tái)也會(huì)有所不同，故應(yīng)統(tǒng)一考慮[13]。

5.1 五峰山試驗(yàn)工點(diǎn)

根據(jù)連鎮(zhèn)鐵路五峰山試驗(yàn)工點(diǎn)地質(zhì)情況，鉆孔樁、打入樁、跟鉆法、勁性復(fù)合樁4種工法費(fèi)用比較見圖3。

表4 五峰山試驗(yàn)場(chǎng)地土層分布

表5 跨寧啟鐵路試驗(yàn)場(chǎng)地土層分布

圖3 五峰山試驗(yàn)工點(diǎn)費(fèi)用比較

由圖3可知：①墩高6～16 m范圍內(nèi)，打入樁經(jīng)濟(jì)性最好，比值為0.53～0.75；勁性復(fù)合樁次之，比值為0.66～0.88。②墩高6～10 m,15～16 m范圍內(nèi)，跟鉆法與鉆孔樁相近，比值為0.92～1.15。③墩高12～14 m 范圍內(nèi)鉆孔樁較跟鉆法有經(jīng)濟(jì)性，比值為1.28。

5.2 跨寧啟試驗(yàn)工點(diǎn)

根據(jù)連鎮(zhèn)鐵路跨寧啟試驗(yàn)工點(diǎn)地質(zhì)情況，鉆孔樁、勁性復(fù)合樁2種工法費(fèi)用比較見圖4。

圖4 跨寧啟試驗(yàn)工點(diǎn)費(fèi)用比較

由圖4可知：墩高6～16 m范圍內(nèi)，勁性復(fù)合樁較鉆孔樁有較好經(jīng)濟(jì)性，比值為0.55～0.59。

6 結(jié)論

1)鉆孔樁適用于所有地質(zhì)，但施工工藝復(fù)雜，易造成施工環(huán)境污染。管樁預(yù)制化程度高，施工速度快，不同工藝適用地層范圍不同，需根據(jù)場(chǎng)地條件選擇合適的施工工藝。

2)3種沉樁工藝中：打入樁單價(jià)最低；勁性復(fù)合管樁次之，基本與同樁徑鉆孔樁持平；跟鉆法略高于同樁徑鉆孔樁單價(jià)。

3)砂性土工點(diǎn)：打入樁經(jīng)濟(jì)性最好，勁性復(fù)合樁次之，跟鉆法與鉆孔樁相近。

4)黏性土工點(diǎn)：勁性復(fù)合樁較鉆孔樁有較好經(jīng)濟(jì)性。