巖溶極發(fā)育區(qū)鐵路橋梁鋼管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

李海霞 王德華 任為東 陳進(jìn)昌

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 工程概況

某鐵路特大橋跨越三茂鐵路、國道321、長利涌河道及進(jìn)港公路等。線位受站位、水源保護(hù)區(qū)等條件限制，造成有300多米橋梁位于地質(zhì)條件極其復(fù)雜的河道上。該段巖溶極發(fā)育，30～45 m厚軟—硬塑狀粉質(zhì)黏土下伏串珠型溶洞，串珠型溶洞下為巨型溶洞，溶洞最大深度超過150 m，洞內(nèi)大部分充填流-軟塑狀粉質(zhì)黏土。柱狀圖見溶洞率100%，場地地基為不均勻地基，灰?guī)r節(jié)理裂隙發(fā)育，部分巖芯受擠壓破碎現(xiàn)象明顯，地質(zhì)條件復(fù)雜罕見。

1.1 主要技術(shù)條件

線路級別為國鐵Ⅰ級，正線雙線，客貨共線，旅客列車設(shè)計(jì)行車速度250 km/h，預(yù)留提速條件;鋪設(shè)無縫線路，鋼軌60 kg/m，有砟軌道;設(shè)計(jì)荷載采用“中－活載”、“ZK活載”;設(shè)計(jì)洪水頻率為100年一遇;地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s;長利涌段位于曲線范圍，圓曲線半徑7 000 m。

1.2 地質(zhì)條件

該特大橋長利涌段上部30～45 m為軟—硬塑狀沖洪積層。土質(zhì)主要為軟—硬塑狀粉質(zhì)黏土，土質(zhì)情況總體不均一、較疏松，且因潛蝕作用，個(gè)別地段與基巖面接觸帶上有土洞發(fā)育;沖積層下伏灰?guī)r強(qiáng)溶蝕區(qū)，表現(xiàn)為串珠狀溶洞，串珠型溶洞區(qū)為弱風(fēng)化灰?guī)r，串珠狀巖石層厚大多為0.2～2.0 m，且大多小于1.0 m厚度。部分溶洞充填流—軟塑狀粉質(zhì)黏土，部分為空洞，空洞占該層巖層厚度比例大于45%;灰?guī)r強(qiáng)溶蝕區(qū)下伏巨型溶洞，洞內(nèi)充填物主要為軟塑狀粉質(zhì)黏土，與灰?guī)r強(qiáng)溶蝕區(qū)結(jié)合部位局部有空洞。場地地基為不均勻地基。

灰?guī)r強(qiáng)溶蝕區(qū)溶洞大多連通，巖溶水具一定的承壓性，富水性強(qiáng)，強(qiáng)滲透性。根據(jù)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)勘察結(jié)果分析，該地段地下水動(dòng)力條件較弱，地層整體穩(wěn)定。典型橋墩橫向工程地質(zhì)剖面如圖1所示。

2 基礎(chǔ)方案的選擇

根據(jù)上部覆蓋層、中部灰?guī)r強(qiáng)溶蝕區(qū)及下部大范圍溶洞充填物的情況，經(jīng)對鋼管樁和鉆孔灌注樁、預(yù)應(yīng)力管樁等3種不同的樁基方案進(jìn)行比較，綜合考慮結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、施工可行性等因素，鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力管樁方案存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，最終選用了鋼管樁方案。

圖1 典型地質(zhì)剖面

鋼管樁具有自重輕、抗彎能力強(qiáng)、施工方便、施工期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)［1］。鋼管樁吊裝和運(yùn)輸方便，抗錘擊能力強(qiáng)，沉樁容易，，施工速度快，完全可適應(yīng)橋址區(qū)域氣象、水文、地質(zhì)條件。結(jié)合本工程實(shí)際，采用鋼管樁還具有對覆蓋層整體穩(wěn)定性影響較小，施工臨時(shí)措施小等優(yōu)點(diǎn)。

鋼管樁防腐技術(shù)成熟，可根據(jù)不同部位的腐蝕特點(diǎn)采取相應(yīng)的防腐措施，如預(yù)留腐蝕量、涂裝防腐、陰極保護(hù)防腐等［2-5］。

3 鋼管樁基礎(chǔ)總體設(shè)計(jì)

該特大橋長利涌段孔跨布置為1孔32 m簡支箱梁+1孔22 m簡支箱梁+2孔24 m簡支箱梁+4孔32 m簡支箱梁+2－24 m簡支箱梁+1孔22 m簡支箱梁，鋼管樁根數(shù)根據(jù)上部梁跨及各墩覆蓋層的差異，采用兩種鋼管樁布置形式。120及122a號橋墩基礎(chǔ)采用33根樁徑為0.8 m的鋼管樁，梅花形布置，樁長36.0～46.1 m，六邊形承臺，承臺底層厚3.0 m，上層厚1.5 m。119、121、121a及125號橋墩基礎(chǔ)采用24根樁徑為0.8 m的鋼管樁，行列式布置，樁長33.8～49.5 m，六邊形承臺，承臺底層厚2.8 m，上層厚1.2 m。以120號橋墩33φ0.8 m的鋼管樁基礎(chǔ)為例，鋼管樁基礎(chǔ)布置見圖2所示。

4 鋼管樁基礎(chǔ)細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)

4.1 鋼管樁樁徑的選擇

鋼管樁采用開口樁，鋼管樁材質(zhì)為Q345C低合金鋼。

鋼管樁樁徑的選擇，主要考慮了以下因素:

圖2 鋼管樁基礎(chǔ)布置(單位:mm)

①樁外徑與壁厚之比滿足沉樁施工及受力要求。

②鋼管樁采用開口樁，如果樁徑過大，將不利于樁端閉塞效應(yīng)的形成［6］，從而降低單樁樁端承載力，降低工程安全性，增加樁底與中部灰?guī)r強(qiáng)溶蝕區(qū)接觸的復(fù)雜程度。

③樁徑過大樁身自重過重，會增加打樁的施工風(fēng)險(xiǎn)，增加鋼管樁運(yùn)輸難度。

從結(jié)構(gòu)受力及經(jīng)濟(jì)合理性角度考慮，確定采用樁徑為0.8 m的鋼管樁。

4.2 鋼管樁壁厚

鋼管樁的壁厚主要由兩部分組成，即結(jié)構(gòu)受力所需的壁厚和鋼材腐蝕余量。腐蝕余量按下式計(jì)算［2］

式中 K——鋼結(jié)構(gòu)單面平均腐蝕速度，承臺底均位于河底以下，取K=0.03 mm/a;

P——防腐措施保護(hù)效率，取70%;

t1——涂層使用年限，位于內(nèi)河中，取40a;

t——耐久性設(shè)計(jì)年限為100a。

結(jié)合鋼管樁的生產(chǎn)工藝及技術(shù)設(shè)備，本工程鋼管樁壁厚分為上、下兩段，上段樁鋼板壁厚20 mm，樁尖節(jié)壁厚25 mm，考慮錘擊沉樁，樁頂設(shè)置內(nèi)加強(qiáng)環(huán)，壁厚16 mm。

4.3 樁頂錨固設(shè)計(jì)

鋼管樁與承臺連接采用直埋式連接，即鋼管樁伸入承臺長度≥1倍樁徑，采用100 cm。為增強(qiáng)鋼管樁局部剛度并加強(qiáng)鋼管樁與承臺的連接，自承臺底以下4 m范圍內(nèi)放鋼筋籠填筑混凝土。為確保鋼管樁與填芯混凝土及承臺之間的可靠粘結(jié)，在各自接觸面上設(shè)置剪力環(huán)［7］。為應(yīng)對樁尖穿過串珠型溶洞時(shí)導(dǎo)致泥面下降的情況，在泥面與填芯混凝土底之間的空隙換填細(xì)沙。

4.4 鋼管樁的防腐蝕處理

鋼管樁必須進(jìn)行防腐處理［2］，本工程鋼管樁采用外壁加防腐涂層方法進(jìn)行防腐蝕處理。理想的涂料必須具備優(yōu)良的耐水性、低吸水性、高介電強(qiáng)度、附著性、耐磨損性、緩蝕性、易施工性、抗老化性。熔結(jié)環(huán)氧防腐涂料經(jīng)熔融結(jié)和涂裝，充分熔化流動(dòng)，與鋼管表面沒有空隙，完全緊密結(jié)合，并在此過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與鋼管也形成了某鐘程度的化學(xué)結(jié)合。鋼管樁外表采用普通型單層環(huán)氧粉末涂層［9］，涂層最小厚度δ≥300 μm，對樁頂伸入承臺0.9 m范圍的鋼管不進(jìn)行防腐涂裝。

4.5 鋼管樁制作的主要要求

為保證鋼管樁的整體質(zhì)量，對鋼管樁制作的主要要求有:

①螺旋焊縫鋼管所需鋼帶寬度，可按所制鋼管直徑和螺旋成形的角度確定。鋼帶對接焊縫與管端的距離不得小于100 mm。

②鋼管樁制作偏差不得超過表1要求。

③鋼管樁宜在工廠分段制作后在現(xiàn)場陸上拼接。鋼管樁分段長度可按最大運(yùn)輸能力考慮，以減少現(xiàn)場拼接數(shù)量。

④管節(jié)對口拼裝時(shí)，相鄰管節(jié)的焊縫(包括縱縫和螺旋縫)必須錯(cuò)開1/4周長以上。

⑤鋼管樁焊縫采用一級質(zhì)量等級標(biāo)準(zhǔn)，對所有焊縫均應(yīng)進(jìn)行外觀檢查及無損探傷的檢測。

⑥對于螺旋焊縫，要求采用熱軋鋼帶作管坯，以常溫螺旋成型，螺旋縫須采用雙面自動(dòng)埋弧焊法焊接。

5 鋼管樁承載力及樁長設(shè)計(jì)原則

5.1 單樁豎向容許承載力的計(jì)算

開口鋼管樁容許承載力由樁側(cè)摩阻力及由樁端閉塞效應(yīng)形成的樁端阻力兩部分組成，在鐵路橋涵打入樁容許承載力計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，引入側(cè)阻擠土效應(yīng)系數(shù)λS、樁端閉塞效應(yīng)系數(shù)λp，計(jì)算公式如下

表1 鋼管樁制作允許偏差

式中 ［P］——鋼管樁的容許承載力/kN;

U——樁身截面周長/m;

li——各土層厚度/m;

fi——樁周土的極限摩助力/kPa;

A——樁底支承面積/m2，包括管內(nèi)土樁的截面面積;

ai，a——震動(dòng)沉樁對各土層樁周摩阻力和樁底承壓力的影響系數(shù);

λS——為側(cè)阻擠土效應(yīng)系數(shù);

λp——為樁端閉塞效應(yīng)系數(shù)。

按鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范取值［8］，對于打入樁，ai、a取值1.0。指考慮到開口樁的土芯閉塞及樁對擠土效應(yīng)的影響面對樁側(cè)摩阻進(jìn)行折減，引入側(cè)阻擠土效應(yīng)系數(shù)，對于鋼管樁，該系數(shù)與鋼管樁內(nèi)徑直接相關(guān)［2］，對于0.8 m直徑的鋼管樁，取值0.87。樁端閉塞效應(yīng)計(jì)算較為復(fù)雜，實(shí)際工程中，一般并不需要進(jìn)行繁復(fù)的土芯閉塞率的計(jì)算，根據(jù)一些試驗(yàn)研究成果，并從中找出的一般規(guī)律，φ0.8 m以上的閉塞情況較差，閉塞率與持力層深度也有直接關(guān)系。當(dāng)持力層深度大于5倍樁徑后，λp取0.8λS。

在長利涌段覆蓋層典型地質(zhì)條件下，即軟塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土2.4 m，軟—硬塑粉質(zhì)黏土厚38 m，單根長40 m的 φ0.8 m開口鋼管樁豎向容許承載力［p］為2 019 kN。

5.2 群樁設(shè)計(jì)及樁身強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗(yàn)算

控制打入樁的樁間距不小于4倍樁徑，以減少對覆蓋層整體性的影響，及打樁過程中樁與樁之間的相互影響。

采用“m法”計(jì)算，建立樁基空間計(jì)算模型，計(jì)算樁身內(nèi)力、應(yīng)力，驗(yàn)算樁身材料強(qiáng)度。墩高9.5 m，樁長40 m，33根φ800 mm梅花形布置，考慮沖刷下的2 m自由長度計(jì)算，不考慮覆土厚度的情況下，樁頂最大剪力Fx=15.5 kN，F(xiàn)y=40.2 kN，最大彎矩Mx=108.3 kN·m，My=40.1 kN·m，樁頂軸向力 Fz=1 120 kN。彎曲應(yīng)力74.2 MPa，剪應(yīng)力1.26 MPa。

樁身整體穩(wěn)定性驗(yàn)算包括自由長度段驗(yàn)算及入土部分鋼管樁穩(wěn)定驗(yàn)算。自由長度段驗(yàn)算按兩端鉸支歐拉公式驗(yàn)算，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樁基軸向力。入土部分鋼管樁穩(wěn)定考慮樁側(cè)連續(xù)彈性約束的條件，在低于材料屈曲強(qiáng)度的情況下不出現(xiàn)壓曲。本工程樁側(cè)土為軟—硬塑粉質(zhì)黏土，實(shí)際橫向地基反力系數(shù)遠(yuǎn)大于發(fā)生壓曲的橫向地基反力系數(shù)臨界值。

打樁階段樁身穩(wěn)定包括樁身局部穩(wěn)定及整體穩(wěn)定性，局部穩(wěn)定性通過構(gòu)造措施滿足，外徑φ/壁厚δ≤70。整體穩(wěn)定性驗(yàn)算初始缺陷、沖擊偏心條件，得出臨界沖擊力［1］

按地上部分長度L1=15 m，假想固定點(diǎn)深度取LR=3.75 m計(jì)算，沖擊力臨界值為5 636.9 kN。

5.3 樁長設(shè)計(jì)原則

打入鋼管樁的樁長根據(jù)地質(zhì)展開圖，逐根確定，最短設(shè)計(jì)樁長為33.8 m，最長設(shè)計(jì)樁長為49.5 m，樁長的主要設(shè)計(jì)原則為:

①考慮到長利涌段地質(zhì)條件復(fù)雜罕見的情況，樁基承載力安全系數(shù)大于2。

②樁底盡量不擊穿溶洞頂、底板，應(yīng)支立于巖面或支立于巖面附近。

6 施工要求和控制措施

6.1 樁底支撐條件要求

為保證樁端閉塞效應(yīng)的發(fā)揮，減少對地層穩(wěn)定性的影響，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目的，樁底支撐條件如下:

①樁底盡量不擊穿溶洞頂、底板，應(yīng)支立于巖面或支立于巖面附近。對于串珠狀溶洞較薄的頂板，施工未控制好已穿越時(shí)，要求支立于下層巖溶頂板上;對于已穿越整個(gè)串珠狀溶洞層的樁，要求進(jìn)入大型溶洞填充層不小于5 m。

②對于樁底未穿透溶洞頂板支立于巖面的樁，為提高樁尖承載能力，要求對樁底與巖面之間空隙和樁尖鋼管內(nèi)5 m范圍的土體進(jìn)行注漿加固。

③對于已穿透溶洞頂板支立于下一層溶洞頂板上的樁，要求對被穿透的溶洞吹沙填充，同時(shí)對被穿透的溶洞頂板以上樁周覆蓋層進(jìn)行注漿加固，對樁底與巖面之間空隙和樁尖鋼管內(nèi)5 m范圍的土體進(jìn)行注漿加固。

④對于已穿透溶洞進(jìn)入大型溶洞填充層的樁，要求對被穿透的溶洞吹沙填充，對被穿透的溶洞頂板以上樁周覆蓋層進(jìn)行注漿加固。

⑤對所穿越的土洞，應(yīng)吹沙填充。

⑥對相鄰墩鉆孔樁施工引起的坍孔，已破壞的覆蓋層范圍應(yīng)進(jìn)行注漿加固。

6.2 沉樁施工要求及控制措施

沉樁標(biāo)準(zhǔn)均以高程控制為主，貫入度校核。主要的控制措施如下:

①鋼管樁應(yīng)直接打入直至巖面。

②對于部分難以打到設(shè)計(jì)要求高程的樁，可通過加大打樁能力打入，或采用鋼管內(nèi)清孔等輔助措施打入。鋼管內(nèi)清孔深度應(yīng)小于鋼管已打入深度減2 m。

③每個(gè)墩鋼管樁打入完成后，對巖面和鋼管之間土體以及樁尖鋼管內(nèi)5 m范圍的土體進(jìn)行注漿加固。

④利用注漿孔檢查鋼管樁與巖面的接觸情況，當(dāng)樁尖與巖面高差大于1 m時(shí)，應(yīng)復(fù)打到巖面。

7 鋼管樁試樁

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，以及區(qū)域內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)的缺乏，為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性，選取2組樁進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)、高應(yīng)變法進(jìn)行初、復(fù)打試驗(yàn)［10-11］。通過試樁可為工程樁的沉樁錘型選擇及樁型提供參照資料，確定不同的地質(zhì)情況下的終錘條件，測定試驗(yàn)樁側(cè)各土層的分層摩阻力和樁尖端阻力反饋設(shè)計(jì)，通過高應(yīng)變動(dòng)測和靜載荷試驗(yàn)的對比，為工程樁的檢測提供依據(jù)。

采用錨樁反力梁法進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)、采用高應(yīng)變法進(jìn)行初、復(fù)打試驗(yàn)。豎向抗壓靜載試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，豎向靜載最大加載量為6 000 kN。試驗(yàn)項(xiàng)目包括沉樁參數(shù)、動(dòng)測(初打、復(fù)打)、靜載試驗(yàn)、軸向反力系數(shù)、泥面測試、側(cè)摩阻力、端承力。

8 結(jié)束語

巖溶極發(fā)育區(qū)，在覆蓋層穩(wěn)定的前提下，采用鋼管樁基礎(chǔ)能避免鉆孔灌注樁成孔困難的問題;但覆蓋層下為灰?guī)r強(qiáng)溶蝕區(qū)的串珠型溶洞，鋼管樁樁端與串珠型溶洞頂接觸條件復(fù)雜，無既有的工程經(jīng)驗(yàn)參考，首先需要要通過細(xì)致嚴(yán)格的控制措施及樁基試驗(yàn)來達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目的和驗(yàn)證設(shè)計(jì)，并為后續(xù)工程樁施工提供控制經(jīng)驗(yàn)。通過試樁，豎向靜載最大加載量達(dá)到6 000 kN，滿足結(jié)構(gòu)受力要求。目前，本段主體結(jié)構(gòu)工程已順利完工。

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