軟土地區250 km/h箱梁存梁臺座設計方案研究

王 金 香

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308)

1 概述

鹽通鐵路南通西至張家港段工程位于江蘇省南通市和張家港市境內，為設計速度250 km/h的高速鐵路。線路北起在建滬通鐵路南通西站，自南通西站兩側分別單線引出，合為雙線橋后接入滬通鐵路長江特大橋，從橋上雙線接出并在接入張家港站前分為兩單線兩側外包接入張家港高架站。

張家港制存梁場主要負責站前Ⅱ標DK173+972.014～DK191+269.484段長江特大橋南引橋梁預制箱梁的制備和存放。該梁場位于長江南岸，區域河網縱橫，水系發達，場區地質屬于軟弱富水地層，因此梁場的設計則尤為復雜。在最優的梁場平面布置形式下，并保證梁場安全適用、經濟合理，選擇恰當的地基處理措施以滿足承載力和沉降控制的要求則成為本工程的重點及難點。

本文針對雙層900 t的箱梁存梁臺座地基處理方案比選及論證，在軟土地區采用預應力管樁加固措施施工效率高、處理效果好且較為經濟，可為類似工程提供參照和借鑒。

2 工程地質概況

該梁場位于長江南岸，坑塘遍布，水系發達，地層主要為第四系全新統人工堆積層素填土，第四系全新統沖積層粉土，海陸交互沉積層粉砂、粉質黏土與粉土交互層、粉質黏土、淤泥質粉質黏土，第四系上更新統沖積粉砂、細砂。工程地質條件屬深厚軟土地層，地基壓縮性較高，基本承載力普遍較低。自上而下主要地層物理力學指標見表1。

表1 主要地層物理力學指標

3 地基處理方案比選

張家港梁場作為大型臨時工程，主要承擔鹽通高速鐵路通張段站前Ⅱ標橋梁架設的預應力混凝土箱梁的制備、試驗和存放的功能。在該區域軟弱富水地層下，進行地基處理以滿足梁場沉降控制要求則顯得非常重要，初步考慮采用預應力管樁、鉆孔灌注樁、CFG等剛性地基處理設計方案進行比選。

3.1 預應力管樁

預應力混凝土管樁可分為后張法預應力管樁和先張法預應力管樁。先張法預應力管樁是采用先張法預應力工藝和離心成型法制成的一種空心筒體細長混凝土預制構件，主要由圓筒形樁身、端頭板和鋼套箍等組成。預應力混凝土管樁代號為PC，PC樁的混凝土強度不得低于C60。主要適用于非抗震設計和抗震設防烈度6度～8度地區的工業與民用建筑等的低承臺樁基礎工程，可用于基礎變形控制嚴格的軟弱地基加固，不適用于含孤石或障礙物較多且不易清除的地基和樁端以上存在難以穿透堅硬地層的地基。施工時主要有柴油錘擊打或靜力壓樁兩種，柴油錘要根據承載力合理選用錘重和沖擊能量，原則是重錘低擊優于輕錘高擊，輕錘高擊容易打爛樁帽。打入式成樁主要控制有樁長和最后三陣貫入度或兩者雙控。靜力壓樁選用壓樁重約為特征值的2.2倍～2.5倍，靜力壓樁比較直觀，成樁后承載力比較有保證。

3.2 鉆孔灌注樁

灌注樁系是指在工程現場通過機械鉆孔、鋼管擠土或人力挖掘等手段在地基土中形成樁孔，并在其內放置鋼筋籠、灌注混凝土而做成的樁，依照成孔方法不同，灌注樁又可分為沉管灌注樁、鉆孔灌注樁和挖孔灌注樁等幾類。處理深度及施工地質條件基本不受限制。

3.3 CFG樁

由水泥、粉煤灰和碎石或石屑形成的一種可變強度樁，與褥墊層形成一種剛性復合地基。可用于處理黏性土、粉土、砂土和自重固結的素填土等地基，不適用于淤泥地基。對淤泥質土、泥炭土及夾有塊石或碎石、卵石層的地基，應按地區經驗或通過現場試驗確定其適用性。CFG樁處理地基后可以顯著降低地基沉降，提高地基承載力。處理深度最大能達到25 m。施工主要有長螺旋鉆孔成孔及沉管灌注成樁兩種工藝，軟土地基處理方式比較表見表2。

表2 軟土地基處理方式比較表

課題組對250 km/h的預制箱梁雙層存梁臺座基礎地基處理方案，按照安全可靠、經濟合理的原則，綜合考慮該工程的地質條件、施工工藝、工期要求、環境影響等因素，進行多方案比選，最終確定采用預應力管樁地基處理設計方案，張家港存梁場平面布置圖見圖1。

4 預應力管樁設計方案

4.1 存梁臺座設計檢算

4.1.1承載力計算

根據JGJ 94—2008建筑樁基技術規范,計算敞口預應力空心樁單樁豎向承載力標準值Quk。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)。

當hb/d<5時，λp=0.16hb/d；當hb/d≥5時，λp=0.8。

其中，qsik為樁的極限側阻力標準值；qpk為樁極端端阻力標準值；Aj為空心樁端凈面積；Ap1為空心樁敞口面積；hb為樁端進入持力層深度；d為樁外徑。

存梁臺座地基處理采用預應力管樁，樁徑0.5 m，壁厚0.1 m，樁長31 m，單樁承載力特征值為1 100 kN。

兩側樁承臺承受兩個箱梁自重，則每端樁承臺上部的荷載標準值為8 200×2/2=8 200 kN。

單側承臺自重為6×2.2×1.5×25=495 kN。

每根樁承受的荷載為(8 200+495)/8=1 086.9 kN<1 100 kN,滿足要求。

4.1.2沉降計算

按照單樁沉降計算簡化法，單樁沉降主要是由樁身材料壓縮變形ΔC與樁底土層的壓縮變形ΔK組成，即：S=ΔC+ΔK=NLEA+NCA,其中,N為作用于樁頂的豎向壓力；E為樁身材料的受壓彈性模量；L為樁的長度；C為樁底處土層的豎向抗力地基系數；A為樁的橫截面面積。

按照旁邊的橋梁鉆孔地質資料進行計算，S=3.12 mm<10 mm,滿足沉降要求。

4.2 設計方案

預應力管樁+承臺組成的樁板結構是一種新型路基基礎工程，在目前高速鐵路設計中為保證路基工后沉降要求，該種結構體系得到了廣泛應用，但在大臨工程設計中采用的比較少。基于該場地地基差、軟土分布比較深，為保證雙層梁體存梁的穩定、沉降要求，在兩側端部設置預應力管樁(摩擦樁)+承臺+支撐墊石的結構形式。其中預應力管樁采用10G409圖集中PC-500-A-100,承臺厚度1.5 m，墊石0.8 m高。存梁臺座立面、平面布置詳見圖2。

4.3 成樁檢測及運營開通效果

為了保證加固效果，根據設計要求，預應力管樁分別采用了靜載荷試驗對單樁承載力進行了檢測。檢測結果單樁承載力均能達到設計要求。

該梁場已于2019年10月取得生產許可，目前基本完成梁體的加設，施工質量良好。

5 結語

工程所處屬海相沉積的軟土地區，具有高含水量、高液限、高壓縮性、孔隙率大、力學強度低的特點。文中綜合比較了預應力混凝土管樁、CFG樁及鉆孔灌注樁三種地基處理方式，從地質條件、施工工藝、工期要求、環境影響及工程經濟性等因素進行綜合比選后，采用的預應力混凝土管樁方案既安全可靠同時在造價上具有一定的優勢，皆有施工工期短、施工質量易于控制，該項目采用的方案實施效果良好，目前已完成全面梁體施工加設。

預應力混凝土管樁在處理該類海相深厚軟土且對沉降要求比較高的結構基礎加固中較為合適。但對于夾有中厚層礫狀地層時，存在施工難度大甚至需要增加引孔措施方可實施，具有一定的局限性，可考慮采用鉆孔灌注樁方案。