大直徑PHC管樁在連鹽鐵路中的設計與應用

凌青松(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，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計與應用

凌青松(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，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管樁在設計速度為200 km/h客貨共線鐵路橋梁樁基中的首次大批量應用及設計方法。通過現場試樁試驗，對該新型結構的單樁豎向承載力進行探討并對相關設計參數進行驗證、優化，可為今后類似工程條件下大直徑PHC管樁應用推廣提供可靠的工程經驗。

關鍵詞客貨共線鐵路PHC管樁試樁試驗豎向承載力

1工程背景

新建鐵路連云港至鹽城線是我國規劃沿海鐵路運輸通道的重要組成部分，也是實施江蘇沿海開發國家戰略的重要基礎設施項目。始于連云港市贛榆縣境內的贛榆北站，北接規劃青連鐵路，南接新長、寧啟、滬通鐵路，終于新長鐵路鹽城北站，沿途經過江蘇省連云港市4個縣及市區，鹽城市5個縣及市區，全線共設有12個車站。連鹽鐵路設計時速為200 km，以客運為主，兼顧貨運。連鹽鐵路全線以高架橋梁為主，鐵路正線長度234.03 km，其中，橋梁長度149.5 km，占線路63.8%。連鹽鐵路正線軟土地基分布的段落長度合計183.5 km，占該段線路長度的77.5%，巖性為淤泥、淤泥質粉質黏土、淤泥質黏土，深灰色，軟塑—流塑，厚度0.5～19.0 m，主要表現為含水量高，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，厚度分布達百米。全線軟土地基分布廣泛，厚度大、指標差，沉降和剛度指標為本線橋梁設計的控制因素。

2大直徑PHC管樁設計

大直徑PHC管樁作為一種新型基樁結構，具有樁身質量穩定可靠、耐施打、強度高、穿透能力強、施工迅速簡便、節約工期等顯著優點，正迅速而廣泛地應用于軟土地區鐵路橋梁工程、港口、碼頭等工程領域，受到越來越多的設計人員和建設單位的青睞?！蛾P于新建連云港至鹽城鐵路初步設計的批復》中涉及橋涵專業審批意見為：本線所經地區多為軟土地基，結合地形地貌、地質情況等，可在適宜地段選用預應力混凝土管樁基礎。

本線位于蘇北沿海軟土地區，地質情況較差，軟弱土質覆蓋層較厚，基巖埋藏較深。地質資料揭示0～20 m范圍地層為人工填土、流塑淤泥質黏土、軟塑黏土，20 m以下地層為硬塑黏性土、粉土、粉細砂，橋梁樁基類型較適合采用打入樁。結合地質情況、橋梁位置及村鎮分布情況，部分段落距離既有等級道路較遠(100 m以外)，附近無村莊、房屋建筑等設施，將該區段部分橋墩的樁基礎設計采用大直徑(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支梁橋墩基礎。本工程設計的打入樁采用國家建筑標準設計圖集(10G409)中的預應力高強混凝土管樁(PHC樁)，預應力管樁型號為PHC-AB1000(130)-b。其相關參數如下：管樁外徑1.0 m，內徑0.74 m，壁厚0.13 m，采用C80鋼筋混凝土?；炷劣行ьA壓應力6 MPa，抗裂彎矩檢驗值845 kN·m，樁身結構豎向承載力設計值8 900 kN；采用柴油錘或液壓錘錘擊法沉樁，樁身分段長度控制在17 m以內，根據設計情況需要廠家定制。樁身分段采用法蘭焊接，焊接接頭端板接頭采用環氧樹脂漆進行防腐處理；樁尖根據地質條件和設計要求采用開口型鋼樁尖。

PHC管樁承載力計算參考《建筑樁基技術規范》(JGJ94—2008)中混凝土空心樁的計算方法，考慮了樁端對承載力的貢獻。根據地質情況，樁基均按摩擦樁設計，設計管樁群樁基礎的樁尖中心距滿足《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》要求，按不小于3倍樁徑控制，樁長按不超過55 m控制。管樁頂以下3 m范圍澆筑混凝土，形成實體段并配置構造鋼筋與承臺連接。本工程設計管樁單根樁長37.5～49.5 m，樁底均置于硬塑黏性土及飽和中砂層中。

對φ1.0 m PHC管樁與φ1.0 m鉆孔摩擦樁作經濟比較，具體情況見表1。

計算結果表明，φ1.0 m打入樁比較適合于墩高小于9 m的橋墩基礎，尤其適合6 m以下的橋墩基礎。當墩高小于6 m時，打入樁的樁長較鉆孔樁短10%～15%；當墩高6～9 m時，樁長相當。當墩身大于9 m時，由于大直徑PHC管樁剛度較弱，導致基礎縱橫向剛度偏弱，由于打入樁樁尖中心距不小于3倍的樁徑，若增加樁數將導致承臺尺寸較大，承臺需要加厚或加強配筋。從表1可以看出，PHC管樁造價每個基礎較鉆孔樁造價便宜6%～10%，經濟效益顯著。因此，在沿海軟土地區橋梁樁基中使用PHC管樁具有明顯的經濟性。

3單樁豎向承載力計算

(1)參照國家《建筑樁基技術規范》(JGJ94—2008)中有關規定，根據土的物理力學指標與承載力參數之間的經驗關系，確定敞口預應力混凝土空心樁單樁豎向極限承載力標準值時，可按下式計算

(1)

式中u——樁身截面周長；

qsik——樁側第i層土的極限側阻力標準值；

li——樁穿越第i層土的厚度；

qpk——極限端阻力標準值；

λp——樁端土塞效應系數，當hd/d<5時，λp=0.16hd/d，hd為樁端進入持力層深度；

d、d1——管樁外徑、內徑。

(2)參照《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》(TB1002.5—2005)中有關規定，打入、震動下沉和樁尖爆擴樁的容許承載力計算公式為

(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《建筑樁基技術規范》(JGJ94—2008)和《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》(TB1002.5—2005)中的計算方法，大直徑PHC管樁單樁豎向容許承載力的計算公式建議按下式進行計算

(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設計規范》(TB1002.5—2005)得到。

4試樁試驗概況

以大直徑(φ1.0 m)PHC管樁為主要試驗研究對象，選擇新建連鹽鐵路之中山河特大橋，根據主要地質分布情況及現場打入樁實際施工情況，選取沉樁錘擊數較少的區段為打入樁試樁試驗的工程位置，對3根樁徑1.0 m鉆孔灌注樁和3根樁徑1.0 m打入樁進行單樁豎向靜載試驗(反力樁法)。靜載試驗反力由4根錨樁與反力架聯合提供，試樁按《鐵路工程基樁檢測技術規程》(TB10218—2008)辦理。根據選定位置的地質資料，按8 000 kN試樁極限荷載，根據上述計算公式，分別反算出鉆孔樁、打入樁樁長。試樁、錨樁設計參數見表2。

試樁試驗位置對應的地質柱狀圖見圖1。

地質勘察報告揭示的地層狀況及工程地質參數見表3。

5試驗結果分析

單樁豎向抗壓靜載試驗前、后，各試樁、錨樁樁身均未破壞。根據試驗記錄，本次單樁豎向抗壓靜載試驗3根鉆孔樁和3根PHC管樁中取得有效數據的試樁為S1～S5號，依據試驗規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試值匯總情況見表4。

根據《鐵路工程基樁檢測技術規程》(TB10218—2008)有關規定，同時考慮到鐵路橋梁基樁受動載作用，且對沉降量的要求較高，對S1、S2號試樁取總沉降量s=40 mm時對應的荷載作為極限承載力。S3～S5號試樁在試驗加載過程中均為達到極限。根據規范、規程有關規定，取最大試驗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摩阻力及樁端土極限端阻力測試值見表5。

6結論

經對新建連鹽鐵路3根鉆孔灌注樁和3根PHC管樁的試樁試驗數據作綜合判斷分析，可得出以下結論：

(1)鉆孔灌注樁S1～S3號試樁極限抗壓承載力統計值為9 734 kN，PHC管樁S4～S5號試樁極限抗壓承載力統計值為12 000 kN，均滿足設計要求的8 000 kN。錘擊法沉樁PHC管樁的單樁極限承載力，經28 d休止期后與初始狀態相比，有顯著提高。

(2)實測的樁側摩阻力值與樁端阻力值均比勘察報告建議值(或推薦值)和規范值有較大幅度的提高。各土層單位極限側摩阻力及樁端土極限端阻力測試值見表5所示，最大單位極限側摩阻力出現在17.5～33.8 m土層。

(3)通過實測值與規范計算值對比可以看出，設計時采用的地質參數偏安全，因此設計計算值偏于保守。

基于大直徑PHC管樁優良技術性能，本工程采用的大直徑PHC管樁在蘇北沿海軟土地區鐵路建設中尚屬大批量首次應用并獲得成功，體現了大直徑PHC管樁旺盛的生命力。蘇北地區鐵路網建設后期將有連淮揚鎮、徐宿淮鹽以及鹽海線等多條鐵路項目，大直徑PHC管樁可在今后類似鐵路工程中應用推廣，還需要在今后的設計與施工實踐中不斷探索、總結和積累成功經驗。

參考文獻

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中圖分類號：U443.15

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)06-0074-04

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

收稿日期：2015-11-02