十堰山林步道中小支墩結(jié)構(gòu)鋼軌樁的模型建立與分析

■謝賢銘

（廈門市市政工程設(shè)計(jì)院有限公司，廈門 361010）

鋼軌樁屬于微型樁的一種，是將舊鋼軌放置在施工完畢的鉆孔中，再澆筑混凝土或水泥砂漿充填鋼軌與孔壁間的空間，使鋼軌與混凝土或砂漿聯(lián)成一體而形成的樁。 與大斷面鋼筋混凝土抗滑樁相比，鋼軌樁具有施工工藝簡(jiǎn)單、速度快且輕便靈活便于施工、工程量小和投資省等優(yōu)點(diǎn)，在滑坡推力不大、巖體較完整的巖質(zhì)邊坡滑坡防治工程中被廣泛應(yīng)用[1]。 同時(shí)由于樁徑小、鉆機(jī)機(jī)身輕便靈活、施工機(jī)械要求的距離小、對(duì)既有線的影響小，也常運(yùn)用于開(kāi)挖線距周邊建筑物距離較近時(shí)的基坑支護(hù)或建筑地基加固中。 本文結(jié)合十堰市健康步道工程，對(duì)小支墩結(jié)構(gòu)的鋼軌樁基礎(chǔ)進(jìn)行研究，并探討了鋼軌樁設(shè)計(jì)及施工相關(guān)內(nèi)容。

1 工程概況

十堰健康步道工程位于十堰市中心城區(qū)自然山體上，主線全長(zhǎng)約4 km，建設(shè)內(nèi)容包含貼地步道、高架步道、人行隧道、驛站及景觀綠化等。 高架步道全寬3.6 m，凈寬2.8 m，根據(jù)結(jié)構(gòu)物的高低分別采用橋梁高架及小支墩高架兩種結(jié)構(gòu)形式，其中橋梁高架全長(zhǎng)約2 300 m，小支墩高架全長(zhǎng)約430 m。

山體上巖土層自上而下依次分布有素填土、坡積黏性土、強(qiáng)風(fēng)化片巖、中風(fēng)化片巖，其中：（1）素填土僅少量山體表面有分布，未經(jīng)碾壓或夯實(shí)，層厚0.1～0.3 m；（2）坡積黏性土間斷分布于山體表面，主要成分為全風(fēng)化片巖、少量黏性土及植被腐殖質(zhì)組成，層厚0.5～1.2 m；（3）強(qiáng)風(fēng)化片巖節(jié)理裂隙發(fā)育，層厚1.2～24.7 m，飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值2.28 MPa，屬極軟巖；（4）中風(fēng)化片巖裂隙較發(fā)育，裂面較新鮮，層頂埋深1.2～36.9 m，飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值4.35 MPa，屬極軟巖；片巖易風(fēng)化，遇水易軟化。

2 工程重難點(diǎn)分析及對(duì)策措施

2.1 重難點(diǎn)分析

本項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)處于山林中，路線多處于陡峭山體的斜坡上，縱橫向地形變化較大，建設(shè)過(guò)程中存在以下重難點(diǎn)：（1）環(huán)保要求高。 現(xiàn)狀山體植被茂密，施工過(guò)程中應(yīng)最大程度地減少對(duì)現(xiàn)狀山體及植被的破壞。 嚴(yán)格控制施工時(shí)產(chǎn)生的噪音、空氣污染等，嚴(yán)格落實(shí)節(jié)能環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。 （2）施工條件差。 山地陡峭，施工場(chǎng)地狹窄，運(yùn)輸條件差，臨時(shí)支架搭設(shè)困難，大型機(jī)械進(jìn)場(chǎng)困難，無(wú)平坦的場(chǎng)地可供材料堆放使用。 （3）施工工期緊。 為減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，應(yīng)盡量縮短施工時(shí)間。 （4）景觀要求高。 項(xiàng)目處于市中心城區(qū)，步道建成后前往游玩的市民及游客較多，不僅要求結(jié)構(gòu)物自身景觀效果好，而且要求結(jié)構(gòu)物與周邊環(huán)境能較好地融合。

2.2 對(duì)策措施

對(duì)于低矮填方路段，采用路基放坡方式常存在收坡困難、大面積破壞現(xiàn)狀坡面植物等問(wèn)題，而采用擋墻形式將導(dǎo)致成段山體開(kāi)挖、景觀效果較差、擋墻穩(wěn)定性較差等問(wèn)題，經(jīng)綜合比較后設(shè)計(jì)采用小支墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行跨越。 小支墩結(jié)構(gòu)是一種施工簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境影響較小、經(jīng)濟(jì)合理、景觀效果較好的結(jié)構(gòu)形式。 小支墩采用梁柱框架式結(jié)構(gòu)，橫向設(shè)置3 根立柱，立柱縱向間距為4 m，立柱頂部設(shè)置方鋼縱、橫梁以方便橋面鋪裝龍骨的搭設(shè)，橫梁縱向間距2 m。

由于小支墩結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)受力較小，設(shè)計(jì)時(shí)提出整體式擴(kuò)大基礎(chǔ)、分離式擴(kuò)大基礎(chǔ)、微型樁基礎(chǔ)3 種方案進(jìn)行比較。

2.2.1 整體式擴(kuò)大基礎(chǔ)

基底應(yīng)力較小，適用于上部荷載較大或基底土層承載力較低的情況，工程造價(jià)適中，全結(jié)構(gòu)估算造價(jià)約4 000 元/m2。 但基礎(chǔ)工程量較大，在山體橫向地面較陡時(shí)挖方較多， 對(duì)原位土體擾動(dòng)較大，對(duì)山體環(huán)境影響最大，不適宜用在地質(zhì)穩(wěn)定性較差的地質(zhì)條件，見(jiàn)圖1。

圖1 整體式擴(kuò)大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 分離式擴(kuò)大基礎(chǔ)

基底應(yīng)力較大，適用于上部荷載較小或基底土層承載力較高的情況，工程造價(jià)最低，全結(jié)構(gòu)估算造價(jià)約3 800 元/m2。 可以根據(jù)山體坡度進(jìn)行靈活布置，能有效減少山體的挖方，對(duì)原位土體擾動(dòng)較小，對(duì)山體環(huán)境影響較小，但基礎(chǔ)穩(wěn)定性較差，見(jiàn)圖2。

圖2 分離式擴(kuò)大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3 微型樁基礎(chǔ)

具有較強(qiáng)豎向及水平承載能力，穩(wěn)定性較好，適合于各種地質(zhì)情況，但工程造價(jià)最高，全結(jié)構(gòu)估算造價(jià)約4 300 元/m2。鉆機(jī)體積小、重量輕、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，對(duì)施工場(chǎng)地及施工工作面的要求較小，施工速度快，對(duì)原位土體擾動(dòng)小，對(duì)山體環(huán)境影響最小，見(jiàn)圖3。

圖3 微型樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.4 基礎(chǔ)方案比較

綜合考慮對(duì)環(huán)境影響程度、施工難度、工期、景觀效果及工程造價(jià)等因素，微型樁方案相對(duì)擴(kuò)大基礎(chǔ)方案優(yōu)勢(shì)明顯。 因鋼軌微型樁充分利用已有的鋼軌材料， 具有較好的抗剪能力且施工工藝簡(jiǎn)單，在當(dāng)?shù)剡吰轮卫砑白鳛橹踅Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上運(yùn)用較多，施工技術(shù)較成熟，最終采用鋼軌樁基礎(chǔ)。

3 鋼軌樁的設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算

3.1 鋼軌樁設(shè)計(jì)情況及參數(shù)取值

本工程中，小支墩結(jié)構(gòu)橫向布置3 根直徑為300 mm 的鋼軌微型樁基礎(chǔ)，樁基混凝土采用C30小石子混凝土，樁長(zhǎng)均為4 m。 結(jié)合地質(zhì)資料，最不利樁基礎(chǔ)位置的巖土力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

3.2 計(jì)算模型的建立

3.2.1 計(jì)算模型

小支墩結(jié)構(gòu)仿真分析采用有限元分析軟件Midas Civil 建立三維分析模型，見(jiàn)圖4。 墩柱與主梁采用共節(jié)點(diǎn)連接，樁基底部固結(jié)。

圖4 Midas 計(jì)算模型示意圖

3.2.2 設(shè)計(jì)荷載

（1）結(jié)構(gòu)自重：以自重荷載形式由程序自動(dòng)計(jì)入，混凝土容重取25 kN/m3；（2）防護(hù)欄桿：護(hù)欄采用鋼結(jié)構(gòu)形式，單側(cè)按q=1.2 kN/m 計(jì)入；（3）橋面鋪裝：采用鋼格柵鋪裝，鋼格柵自重為61 kg/m2；（4）人群荷載：5 kPa；（5）溫度荷載：整體升降溫均按20°；（6）不均勻沉降：按3 mm 考慮。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果

在最不利荷載組合下，最大支反力標(biāo)準(zhǔn)值為118.1 kN，最大支反力設(shè)計(jì)值為135.3 kN。

3.3 單樁承載力計(jì)算

單樁承載力計(jì)算包含單樁豎向承載力計(jì)算及樁身受壓承載力計(jì)算兩部分內(nèi)容，并分別與內(nèi)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算比較。

3.3.1 單樁豎向承載力計(jì)算

根據(jù)JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[2]第5.3.9條，嵌巖樁豎向極限承載力由樁周土總極限側(cè)阻力和嵌巖段總極限阻力組成， 即Quk=Qsk+Qrk， 其中：Qsk=u∑qsikli，Qrk=ζrfrkAp。 式中：u 為樁身周長(zhǎng)；qsik為樁周第i 層土的極限側(cè)阻力；li為樁周第i 層土的厚度；ζr為樁嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)； frk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；Ap為樁端面積。

Qsk=u∑qsikli=3.1416×0.3×（10×0.1+50×0.5+160×1.2）=205.5 kN

由于嵌巖深徑比hr/d=1.2/0.3=4，中風(fēng)化片巖屬于極軟巖，查規(guī)范表5.3.9 可得ζr=1.48，則Qrk=ζrfrkAp=1.48×4.35×103×3.1416×0.152=455.1 kN，Quk=Qsk+Qrk=205.5+455.1=660.6 kN，豎向承載力特征值，滿足要求。

3.3.2 樁身受壓承載力計(jì)算

參照J(rèn)GJ 138-2016《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]第6.2.1 條，型鋼混凝土構(gòu)件受壓承載力由混凝土受壓承載力和型鋼受壓承載力組成，N≤0.9φ（fcAc+fa′Aa′）。式中：N 為樁頂軸向壓力設(shè)計(jì)值；φ 為軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)，φ=1.0； fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Ac為混凝土截面面積； fa′為型鋼抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Aa′為型鋼截面面積。 其中，Aa′=5 700 mm2，Ac=3.1416×1502-5700=64 986 mm2，Nu=0.9φ（fcAc+fa′Aa′）=0.9×1.0×（14.3×64986+215×5700)/1000=1939.3 kN＞135.3 kN，滿足要求。

3.4 其他注意事項(xiàng)

對(duì)處于山體斜坡上的鋼軌樁基礎(chǔ)，當(dāng)斜坡土體存在滑坡的可能時(shí)，樁基不僅要考慮上部結(jié)構(gòu)所傳遞的荷載，還要考慮邊坡下滑力的影響，此時(shí)樁基的破壞形式主要有[4]：（1）樁基長(zhǎng)度不足，豎向承載力不夠，樁基沉降過(guò)大；（2）樁基抗彎能力不足，在最大彎矩處被拉斷；（3）樁基抗剪能力不足，樁身在滑動(dòng)面處被剪斷；（4）樁基埋深不足，嵌固深度太小或者有的甚至未過(guò)滑面導(dǎo)致微型樁錨固力不足從而使樁被推倒。 因此，樁基除了滿足豎向承載力外，還應(yīng)滿足樁身正截面受彎承載力及斜截面受剪承載力的要求。 同時(shí)，樁基應(yīng)按抗滑樁進(jìn)行受力分析，并埋入滑動(dòng)面以下的穩(wěn)定基巖中一定深度，以滿足抗滑穩(wěn)定性的要求。

4 鋼軌樁施工

4.1 施工工序

鋼軌樁基礎(chǔ)是一種新型的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，有著施工工藝簡(jiǎn)單、對(duì)周邊環(huán)境影響小等特點(diǎn)，成孔、混凝土灌注等施工工藝最終直接影響成樁質(zhì)量，施工工藝與鉆孔灌注樁基本相同，只是采用的設(shè)備和樁身灌注方式不同，其施工主要包含以下工序[5]：（1）施工準(zhǔn)備：材料堆放及加工區(qū)進(jìn)行選址、設(shè)備試運(yùn)行、對(duì)全體操作人員開(kāi)展技術(shù)交底。 （2）測(cè)量放樣：先進(jìn)行鉆孔前定位，鉆機(jī)開(kāi)鉆前自檢自查合格后方可進(jìn)行下道工序。 （3）鉆機(jī)成孔：采用履帶式液壓潛孔鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，按照設(shè)計(jì)樁徑D 和樁長(zhǎng)L，平穩(wěn)、垂直鉆孔，孔位偏差及垂直傾斜度均應(yīng)滿足相關(guān)要求。 鉆機(jī)成孔施工情況見(jiàn)圖5。 （4）清孔：采用大風(fēng)量空壓機(jī)送風(fēng)到?jīng)_擊器進(jìn)行反復(fù)返沖，直至孔底沉渣達(dá)到要求。 （5）鋼軌吊裝及安裝：鋼軌安裝時(shí)應(yīng)注意垂直度及保護(hù)層，鋼軌軌底應(yīng)正對(duì)邊坡推力方向進(jìn)行放置。 （6）樁身混凝土灌注：由于樁徑較小，樁身施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制碎石的粒徑，采用填碎石壓漿法成樁，整個(gè)灌注過(guò)程應(yīng)一次完成。

圖5 鋼軌樁鉆孔施工

4.2 施工注意事項(xiàng)

（1）鋼軌在焊接前應(yīng)進(jìn)行超聲無(wú)損探傷檢查和除銹、除油、校直。 鋼軌接頭處應(yīng)做好等強(qiáng)連接，并在連接處補(bǔ)焊鋼板，避免接頭處強(qiáng)度不足產(chǎn)生破壞。（2）成孔過(guò)程中應(yīng)控制鉆孔垂直度，在終孔和清孔后檢驗(yàn)孔位和孔深。 （3）填料前應(yīng)將鉆孔中積水抽干，鋼軌吊裝就位固定后，將壓漿管插至孔底，采用孔底返漿的方式保證樁身混凝土密實(shí)度。 （4）施工期間應(yīng)做好周邊土體位移、沉降等監(jiān)測(cè)。 （5）注重環(huán)保及生態(tài)保護(hù)，采取捕塵裝置減少粉塵污染，盡可能保護(hù)天然植被，及時(shí)恢復(fù)被破壞的植被。

5 工程實(shí)施效果

由于小支墩結(jié)構(gòu)采用的鋼軌樁基礎(chǔ)，施工速度快、需要的操作空間小、鉆機(jī)輕、振動(dòng)小，極大地減少了對(duì)現(xiàn)狀山體環(huán)境的影響， 項(xiàng)目建設(shè)完成后，獲得了主管部門與當(dāng)?shù)厝罕姷囊恢潞迷u(píng)。 建設(shè)完成后的小支墩結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 小支墩結(jié)構(gòu)場(chǎng)景

6 結(jié)語(yǔ)

鋼軌樁基礎(chǔ)具有單樁承載力高、 施工工藝簡(jiǎn)單、工期短、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，在施工條件復(fù)雜的山林步道結(jié)構(gòu)物中具有明顯優(yōu)勢(shì)。 目前已建的山林步道小型結(jié)構(gòu)物中，擴(kuò)大基礎(chǔ)應(yīng)用較多而鋼軌樁基礎(chǔ)則應(yīng)用較少。 本研究通過(guò)鋼軌樁在十堰山林步道的實(shí)施，驗(yàn)證了鋼軌樁基礎(chǔ)的良好適用性，為類似工程提供了一定的理論與實(shí)踐參考，并希望此成功經(jīng)驗(yàn)?zāi)芡苿?dòng)鋼軌樁在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)中的運(yùn)用。