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        鐵路橋梁管樁基礎(chǔ)剛度及合理布樁形式研究

        2021-10-14 08:40:30張池權(quán)宋子威
        鐵道標準設(shè)計 2021年11期
        關(guān)鍵詞:斜樁管樁樁基礎(chǔ)

        張池權(quán),武 兵,宋子威

        (中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

        1 概述

        管樁適合于軟土地區(qū)施工[1],與鉆孔樁相比較,具有①產(chǎn)品工廠化預(yù)制生產(chǎn),質(zhì)量穩(wěn)定可靠;②采用打入法施工,承載力高、經(jīng)濟性好;③施工方便、快捷,無需鋼護筒和檢測管等輔助材料;④施工過程中不產(chǎn)生泥漿、鉆渣,生態(tài)環(huán)保等優(yōu)點。在鐵路橋梁中推廣使用管樁,符合國家節(jié)能減排、低碳環(huán)保的要求和國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)向綠色化、裝配化和工業(yè)化發(fā)展的趨勢[2-3]。

        在我國鐵路橋梁工程中,管樁以往在涵洞及框架橋的基礎(chǔ)中應(yīng)用較多[4-6],采用的多為φ30 cm~φ80 cm中、小直徑管樁;隨著管樁經(jīng)濟和環(huán)保效能的日益突出,目前在長三角地區(qū)、珠三角等軟土地區(qū)的鐵路大中橋梁基礎(chǔ)中應(yīng)用逐漸增多[7-9]。已有對大中橋應(yīng)用管樁基礎(chǔ)的施工、檢測、承載力以及管樁與承臺連接的數(shù)值模擬和試驗等研究較多[10-12]。

        以某特大橋8φ1.0 m和10φ1.0 m兩個橋墩樁基為例,進行了管樁與鉆孔樁圬工量與剛度的比較,樁基承載力分別根據(jù)鐵路規(guī)范中的鉆孔樁和打入樁的計算公式計算,對比計算結(jié)果如表1所示。

        表1 鉆孔樁與管樁基礎(chǔ)對比

        由計算結(jié)果可知,配置8φ1.0 m和10φ1.0 m樁基的兩個橋墩結(jié)果規(guī)律相似,預(yù)應(yīng)力管樁均比鉆孔樁面積小54.8%,樁長短30%,節(jié)約圬工量65%,經(jīng)濟性好[13];由于管樁內(nèi)部為空心,截面被大幅削弱,基礎(chǔ)剛度也大幅減小,下部結(jié)構(gòu)縱向剛度減小24%~31%,橫向剛度減小30%~35%。由于列車運行對橋梁下部結(jié)構(gòu)剛度要求較高,研究經(jīng)濟有效地提高管樁基礎(chǔ)剛度的方法很有必要。

        2 管樁基礎(chǔ)剛度的影響因素

        本文分別從拉大樁距、增加樁數(shù)、加大樁徑、采用斜樁、不同斜率以及管樁填芯的角度,探討其對管樁基礎(chǔ)剛度的影響[14-15]。典型的8φ1 m和10φ1 m的管樁布置如圖1所示。

        圖1 典型8φ1 m和10φ1 m管樁基礎(chǔ)(單位:cm)

        2.1 樁間距對剛度的影響

        本次研究主要比較8φ1.0 m的管樁基礎(chǔ),梅花式布置形式(圖1),分析了樁間距對不同地質(zhì)條件下兩種樁長的下部結(jié)構(gòu)剛度影響,如圖2所示。

        圖2 樁間距對剛度的影響

        由圖2可知,樁長為34,39,44 m的管樁,樁間距為1.9 m時的基礎(chǔ)縱橋向剛度分別為432,408,381.4 kN/m;管樁基礎(chǔ)樁間距為2.1,2.3 m時,相比于管樁基礎(chǔ)樁間距為1.9 m時的縱橋向剛度分別增長了11.11%和18.98%、10.54%和20.88%、9.28%和21.89%。可以發(fā)現(xiàn),隨著縱向樁間距的加大,橋墩縱向線剛度增加效果明顯,加大樁間距是日常設(shè)計中最常用的增加基礎(chǔ)整體剛度的手段。

        2.2 樁數(shù)對剛度的影響

        采用8φ1.0 m和10φ1.0 m管樁基礎(chǔ)進行比較,樁基布置均采用梅花形布置(圖1),承臺厚度均為2 m。

        由表2可知,橋墩編號1號、2號、3號、4號、5號的10φ1.0 m管樁(直樁)相比于8φ1.0 m管樁(直樁)的縱向剛度增幅分別為45.3%、30.4%、36.2%、35.1%、35.6%;橫向剛度增幅分別為23.8%、13.6%、11.5%、11.7%、15.3%。可以得到,通過增加樁數(shù)來提高橋墩剛度的效果明顯。但增加樁數(shù)會顯著提高圬工量,經(jīng)濟性差,可在加大樁距不能滿足剛度要求的情況下選用。

        表2 樁數(shù)對剛度的影響

        2.3 樁徑對剛度的影響

        采用8φ0.6 m與8φ1.0 m管樁進行比較計算,樁基均采用梅花形布置,承臺厚度均為2 m。

        由表3可知,橋墩編號1號、2號、3號、4號、5號的8φ1.0 m管樁(直樁)相比于8φ0.6 m管樁(直樁)的縱向剛度增幅分別為135.8%、154.9%、180.0%、181.3%、177.8%;橫向剛度增幅分別為124.1%、138.6%、166.5%、164.9%、161.1%??梢缘玫?,通過加大樁徑來提高橋墩剛度的效果顯著。但加大樁徑同增加樁的數(shù)量一樣會顯著增加工程造價,可在加大樁距和樁數(shù)不能滿足剛度要求的情況下選用。

        表3 樁徑對剛度的影響

        2.4 斜率對剛度的影響

        本次研究主要比較管樁基礎(chǔ)8根樁梅花形布置條件下,斜樁斜率的不同對基礎(chǔ)剛度的影響[16-17]。不同樁長樁基橋梁縱向剛度隨斜率變化如圖3所示,基礎(chǔ)尺寸如圖4所示。

        圖3 不同樁長樁基橋梁縱向剛度隨斜率變化

        圖4 斜樁基礎(chǔ)布置(單位:cm)

        從圖3可以看出,縱向剛度隨斜率的加大而加大。斜樁的斜率從1/10增到1/7時,樁長從34.5~44 m,縱向剛度分別增加了14.3%、15.0%、12.9%、12.6%、12.2%、11.5%、12.5%??梢钥闯?,隨斜率的增加縱向剛度增加明顯,且樁長較短時斜率的影響效果更明顯。但隨著斜率增加,施工難度[18]和檢測難度也會隨之上升,因此斜率不宜過小。

        2.5 管樁填芯對剛度影響

        為了研究填芯混凝土對整體剛度的影響[19],利用Midas軟件建立有限元模型如圖5所示,基于土彈簧法來模擬樁土相互作用,其線剛度按“m法”進行計算,分別建立填芯混凝土高度為0~5 m的11個管樁承臺模型,對比其在水平力作用下的位移,分析上部填芯混凝土對剛度的影響變化規(guī)律。所建11個模型在水平力作用下的最大水平變形值詳見表4。

        圖5 Midas模型

        表4 填芯高度對樁頂水平位移的影響

        從表4和圖6可以看出,在水平力的作用下,結(jié)構(gòu)的水平變形與填芯混凝土高度呈現(xiàn)出S形變化的規(guī)律,在0~2 m呈現(xiàn)出逐漸加快的下降趨勢,2~3.5 m呈現(xiàn)出線性的下降趨勢,3.5~5 m呈現(xiàn)出逐漸變緩的下降趨勢。

        圖6 樁基水平位移隨填芯高度變化

        由圖6可以看出,在填芯混凝土高度在3 m處的變化率是最快的,因此直徑1.0 m的管樁內(nèi)填芯混凝土高度可以取為3 m,這一結(jié)論與10G409《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》圖集的規(guī)定“管樁填芯混凝土的高度H≮3D”是吻合的。從計算數(shù)據(jù)可以看出,管樁填芯混凝土的高度H≮3D的情況下,填芯混凝土可提高單樁剛度10%左右。

        3 管樁基礎(chǔ)樁的合理布置形式研究

        TB 10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》對樁的布置規(guī)定如下:打入樁的樁尖中心距不應(yīng)小于3倍樁徑。振動下沉于砂土內(nèi)的樁,樁的中心距不應(yīng)小于4倍樁徑。樁尖爆擴樁的樁尖中心距應(yīng)根據(jù)施工方法確定。上述各類樁在承臺板底面處樁的中心距不應(yīng)小于1.5倍樁徑。

        按照規(guī)范規(guī)定,當(dāng)采用直徑1.0 m以上的大直徑管樁而不采用斜樁時,承臺的尺寸將比鉆孔樁大,為滿足剛性角要求,承臺厚度也會增加。但當(dāng)邊樁采用斜樁布置以后,不僅可以增大剛度,承臺尺寸也會大幅變小。以直徑1.0 m樁為例,比較PHC管樁和鉆孔樁的承臺尺寸。

        表5各墩承臺頂墩身截面尺寸為2.3 m×8.2 m圓端形,PHC邊樁縱向斜置。

        表5 不同類別的樁基及布置形式匯總

        由表5可知,當(dāng)采用大直徑管樁時,若全部采用直樁布置,為滿足樁間距及剛性角的要求,承臺必須加大、加厚。邊樁采用斜樁后,不僅有效減小了承臺尺寸,還增加了橋墩剛度及抵抗水平力和彎矩的能力。當(dāng)采用斜樁時,為了使群樁受力更合理,順橋向布置的樁的列數(shù)不宜小于3列,即最外側(cè)2列采用斜樁,中間采用直樁。

        合理的樁基布置形式應(yīng)同時滿足充分發(fā)揮單樁承載力、滿足線剛度要求,盡量減小承臺尺寸和便于施工和檢測等要求。根據(jù)本文的分析,對于客運專線鐵路推薦的管樁基礎(chǔ)布置原則如下:(1)墩高不高,線剛度不控制設(shè)計時,優(yōu)先采用8根,行列式布置,全部直樁;(2)當(dāng)采用8根樁承載力[20]滿足要求、線剛度不滿足要求時,采用梅花形布置,順橋向布置的最外2排6根樁采用斜樁,中間1排2根樁采用直樁;(3)墩高較高時,根據(jù)承載力要求選擇9~12根樁,9、12根樁行列式布置;10、11根梅花式布置。推薦順橋向布置的最外2列樁采用斜樁,中間樁采用直樁;(4)當(dāng)墩高繼續(xù)增加時增大樁徑。根據(jù)經(jīng)驗,墩高較高時需采用斜樁才能滿足線剛度要求。

        4 結(jié)論

        根據(jù)上述對管樁剛度影響因素的計算分析,主要得出以下結(jié)論。

        (1)增加樁間距、樁數(shù)、加大樁徑、采用斜樁和管樁填芯均可提高管樁基礎(chǔ)剛度,但基礎(chǔ)剛度控制時加大樁數(shù)和樁徑會增加工程量,經(jīng)濟性差。采用斜樁對縱向剛度提升較大,但考慮施工及檢測要求,斜率不宜采用較大,宜采用1/10~1/9。

        (2)對管樁常用的樁數(shù)的布置形式進行了總結(jié),可根據(jù)墩高和剛度要求合理選擇管樁的基礎(chǔ)布置形式;當(dāng)基礎(chǔ)剛度不足時優(yōu)先采用加大樁距和設(shè)置斜樁的方法增大基礎(chǔ)剛度。

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