凌青松(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(shè)計(jì)與應(yīng)用

凌青松(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(shè)計(jì)速度為200 km/h客貨共線鐵路橋梁樁基中的首次大批量應(yīng)用及設(shè)計(jì)方法。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試樁試驗(yàn)，對(duì)該新型結(jié)構(gòu)的單樁豎向承載力進(jìn)行探討并對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證、優(yōu)化，可為今后類似工程條件下大直徑PHC管樁應(yīng)用推廣提供可靠的工程經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞客貨共線鐵路PHC管樁試樁試驗(yàn)豎向承載力

1工程背景

新建鐵路連云港至鹽城線是我國(guó)規(guī)劃沿海鐵路運(yùn)輸通道的重要組成部分，也是實(shí)施江蘇沿海開(kāi)發(fā)國(guó)家戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)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(zhǎng)、寧啟、滬通鐵路，終于新長(zhǎng)鐵路鹽城北站，沿途經(jīng)過(guò)江蘇省連云港市4個(gè)縣及市區(qū)，鹽城市5個(gè)縣及市區(qū)，全線共設(shè)有12個(gè)車站。連鹽鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速為200 km，以客運(yùn)為主，兼顧貨運(yùn)。連鹽鐵路全線以高架橋梁為主，鐵路正線長(zhǎng)度234.03 km，其中，橋梁長(zhǎng)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(zhǎng)度合計(jì)183.5 km，占該段線路長(zhǎng)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(dá)百米。全線軟土地基分布廣泛，厚度大、指標(biāo)差，沉降和剛度指標(biāo)為本線橋梁設(shè)計(jì)的控制因素。

2大直徑PHC管樁設(shè)計(jì)

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(qiáng)度高、穿透能力強(qiáng)、施工迅速簡(jiǎn)便、節(jié)約工期等顯著優(yōu)點(diǎn)，正迅速而廣泛地應(yīng)用于軟土地區(qū)鐵路橋梁工程、港口、碼頭等工程領(lǐng)域，受到越來(lái)越多的設(shè)計(jì)人員和建設(shè)單位的青睞。《關(guān)于新建連云港至鹽城鐵路初步設(shè)計(jì)的批復(fù)》中涉及橋涵專業(yè)審批意見(jiàn)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(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)。

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(xì)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(jí)道路較遠(yuǎn)(100 m以外)，附近無(wú)村莊、房屋建筑等設(shè)施，將該區(qū)段部分橋墩的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(jiǎn)支梁橋墩基礎(chǔ)。本工程設(shè)計(jì)的打入樁采用國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集(10G409)中的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(PHC樁)，預(yù)應(yīng)力管樁型號(hào)為PHC-AB1000(130)-b。其相關(guān)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。混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力6 MPa，抗裂彎矩檢驗(yàn)值845 kN·m，樁身結(jié)構(gòu)豎向承載力設(shè)計(jì)值8 900 kN；采用柴油錘或液壓錘錘擊法沉樁，樁身分段長(zhǎng)度控制在17 m以內(nèi)，根據(jù)設(shè)計(jì)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(shù)脂漆進(jìn)行防腐處理；樁尖根據(jù)地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)要求采用開(kāi)口型鋼樁尖。

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

對(duì)φ1.0 m PHC管樁與φ1.0 m鉆孔摩擦樁作經(jīng)濟(jì)比較，具體情況見(jiàn)表1。

計(jì)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(chǔ)，尤其適合6 m以下的橋墩基礎(chǔ)。當(dāng)墩高小于6 m時(shí)，打入樁的樁長(zhǎng)較鉆孔樁短10%～15%；當(dāng)墩高6～9 m時(shí)，樁長(zhǎng)相當(dāng)。當(dāng)墩身大于9 m時(shí)，由于大直徑PHC管樁剛度較弱，導(dǎo)致基礎(chǔ)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(dǎo)致承臺(tái)尺寸較大，承臺(tái)需要加厚或加強(qiáng)配筋。從表1可以看出，PHC管樁造價(jià)每個(gè)基礎(chǔ)較鉆孔樁造價(jià)便宜6%～10%，經(jīng)濟(jì)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(jì)性。

3單樁豎向承載力計(jì)算

(1)參照國(guó)家《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)中有關(guān)規(guī)定，根據(jù)土的物理力學(xué)指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，確定敞口預(yù)應(yīng)力混凝土空心樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，可按下式計(jì)算

(1)

式中u——樁身截面周長(zhǎng)；

qsik——樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

li——樁穿越第i層土的厚度；

qpk——極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

λp——樁端土塞效應(yīng)系數(shù)，當(dāng)hd/d<5時(shí)，λp=0.16hd/d，hd為樁端進(jìn)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(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB1002.5—2005)中有關(guān)規(guī)定，打入、震動(dòng)下沉和樁尖爆擴(kuò)樁的容許承載力計(jì)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(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)和《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB1002.5—2005)中的計(jì)算方法，大直徑PHC管樁單樁豎向容許承載力的計(jì)算公式建議按下式進(jìn)行計(jì)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(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB1002.5—2005)得到。

4試樁試驗(yàn)概況

以大直徑(φ1.0 m)PHC管樁為主要試驗(yàn)研究對(duì)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(chǎng)打入樁實(shí)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(yàn)的工程位置，對(duì)3根樁徑1.0 m鉆孔灌注樁和3根樁徑1.0 m打入樁進(jìn)行單樁豎向靜載試驗(yàn)(反力樁法)。靜載試驗(yàn)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(cè)技術(shù)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(jì)算公式，分別反算出鉆孔樁、打入樁樁長(zhǎng)。試樁、錨樁設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

試樁試驗(yàn)位置對(duì)應(yīng)的地質(zhì)柱狀圖見(jiàn)圖1。

地質(zhì)勘察報(bào)告揭示的地層狀況及工程地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表3。

5試驗(yàn)結(jié)果分析

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)前、后，各試樁、錨樁樁身均未破壞。根據(jù)試驗(yàn)記錄，本次單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)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(hào)，依據(jù)試驗(yàn)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(cè)試值匯總情況見(jiàn)表4。

根據(jù)《鐵路工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》(TB10218—2008)有關(guān)規(guī)定，同時(shí)考慮到鐵路橋梁基樁受動(dòng)載作用，且對(duì)沉降量的要求較高，對(duì)S1、S2號(hào)試樁取總沉降量s=40 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載作為極限承載力。S3～S5號(hào)試樁在試驗(yàn)加載過(guò)程中均為達(dá)到極限。根據(jù)規(guī)范、規(guī)程有關(guān)規(guī)定，取最大試驗(yàn)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(cè)試值見(jiàn)表5。

6結(jié)論

經(jīng)對(duì)新建連鹽鐵路3根鉆孔灌注樁和3根PHC管樁的試樁試驗(yàn)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(hào)試樁極限抗壓承載力統(tǒng)計(jì)值為9 734 kN，PHC管樁S4～S5號(hào)試樁極限抗壓承載力統(tǒng)計(jì)值為12 000 kN，均滿足設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)的樁側(cè)摩阻力值與樁端阻力值均比勘察報(bào)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(cè)試值見(jiàn)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(guò)實(shí)測(cè)值與規(guī)范計(jì)算值對(duì)比可以看出，設(shè)計(jì)時(shí)采用的地質(zhì)參數(shù)偏安全，因此設(shè)計(jì)計(jì)算值偏于保守。

基于大直徑PHC管樁優(yōu)良技術(shù)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(shè)中尚屬大批量首次應(yīng)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(shè)后期將有連淮揚(yáng)鎮(zhèn)、徐宿淮鹽以及鹽海線等多條鐵路項(xiàng)目，大直徑PHC管樁可在今后類似鐵路工程中應(yīng)用推廣，還需要在今后的設(shè)計(jì)與施工實(shí)踐中不斷探索、總結(jié)和積累成功經(jīng)驗(yàn)。

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中圖分類號(hào)：U443.15

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2015)06-0074-04

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

收稿日期：2015-11-02