PHC 管樁在地鐵車輛段中的應用

吳珩，呂文甫，齊小亮，王一樺，易云鵬

（中鐵十六局集團有限公司，北京市 101100）

0 引言

由于承載力較高、施工速度快等優點，PHC 管樁在軟弱地基加固補強方面應用較廣泛。由于土方填筑、列車運營等作用，常使地鐵車輛段地基發生沉降，因此對地鐵車輛段路基地基進行加固是施工中的關鍵環節。PHC 管樁已廣泛地應用于路基地基加固中[1]。洪宏興等[2]研究了大直徑PHC 管樁在砂層中沉樁的影響因素和施工技術。馮光華等[3]研究了護岸塊石、巖石地層PHC 管樁沉樁影響因素及規律。張啟等[4]研究了淤泥質土層中PHC 管樁承載力的影響因素并進行了單樁承載力和樁身完整性驗算。余升友等[5]分析了PHC 管樁作為樁基時承載力的特性。朱曉偉[6]分析了高速鐵路采用PHC 管樁和鉆孔灌注樁兩種樁型的受力特性。張洪毓等[7]分析了淤泥質地層中PHC 管樁的變形規律，提出了淤泥質地層中承載力計算參數取值的相關問題。張旭生[8]研究了老黏土地層中PHC 管樁對地鐵車輛段路基地基加固的效果。

在管樁作為建筑物基礎、加固地基等方面已有較多的研究，主要包括PHC 管樁的沉樁技術、承載力影響因素和變形特性等，但PHC 管樁在軟弱地層地鐵車輛段地基加固中的應用研究較少。現以杭州某地鐵車輛段PHC 管樁加固工程為例，通過對PHC管樁進行現場高應變檢測試驗，分析PHC 管樁的樁身完整性情況，驗證了單樁承載力。

1 工程概況

1.1 工程簡介

杭州某地鐵車輛段停車場為滿足地基承載力的要求，防止工后發生沉降，地基加固主要采用換填、高壓旋噴樁和PHC 管樁的方式。車輛段停車場周邊主要為城市道路，場地北側為規劃道路永盛路，南側為育才路，東側為規劃道路蓬達路，西側為協東線，道路寬度為7 m。地鐵車輛段平面見圖1 所示。

圖1 地鐵車輛段平面圖

1.2 工程水文地質條件

地鐵車輛段場地施工影響范圍內主要為填土、粉砂土及淤泥質土等。土層物理力學指標見表1 所列。

表1 土體物理力學指標一覽表

場地地下水類型主要為潛水、孔隙承壓水和基巖裂隙水。潛水主要賦存于淺部①填土層和②粉土層中。孔隙承壓水賦存于粉砂層中和圓礫層中。基巖裂隙水主要賦存于下部基巖風化裂隙內，對工程施工影響很小。

2 試驗方案

2.1 試驗目的

通過對PHC 管樁進行現場高應變檢測試驗，得出PHC 管樁的樁身完整性情況和單樁承載力，分析PHC 管樁在軟弱地層地鐵車輛段中的應用，為相似工程提供指導。

2.2 試驗原理與方案

2.2.1 計算方法

高能量沖擊荷載下樁身應力波的傳波符合一維應力波動方程，PHC 管樁單樁豎向極限承載力計算可用以下公式計算：

式中：Rsp為單軸豎向抗壓承載力，kN；Jc為土的動阻阻尼系數；F（t1）為測點處力隨時間變化的函數，kN；V（t1）為測點處質點運動速度隨時間變化函數，m·s-1；M 為樁身質量，103kg；L 為樁長，m；C 為彈性波縱波波速，m·s-1；t1為速度第一峰值所對應的時刻，s。

2.2.2 PHC 管樁試驗方案

PHC 管樁現場試驗采用RS-1616K（S）基樁動測儀與配套的加速度傳感器。檢測的預應力管樁直徑為400 mm，樁長為13 m，樁身混凝土強度為C80，結構及設計要求單樁承載力極限值為1 000 kN，樁端持力層位于③b粉砂層中。此次現場試驗采用9 組PHC 管樁（B1～B9）進行高應變檢測試驗，每組3 根。

PHC 管樁現場高應變檢測試驗步驟主要包括：（1）假定樁單元參數（彈性模量、樁身阻尼等）；（2）建立與樁單元相鄰的土阻力模型；（3）以實測的速度或力（或下行力波、上行力波）作為樁頂邊界條件輸入，通過求解特征線議程，反算出樁頂的力或速度，上行力波或下行力波；（4）將計算所得曲線與實測曲線比較，如果不符合，則調整單元參數和土“模型”參數，重新計算直到計算曲線與實測曲線不能進一步完善為止；（5）輸出擬合曲線、實測曲線等。高應變動力測試裝置見圖2 所示。

圖2 高應變動力測試裝置圖

2.2.3 樁身完整性判定

該項試驗采用的PHC 管樁均為等截面樁，可根據表2 判斷樁身的完整性。樁身完整性系數β 和樁身缺陷位置x 可按照以下公式計算。

表2 樁身完整性判斷表

式中：β 為樁身結構完整性指數；t1和tx分別為速度第一峰和缺陷反射峰所對應的時刻，s；ΔR 為缺陷以上部位土阻力的估計值，kN；x 為缺陷位置與傳感器安裝點距離，m。

3 試驗結果與分析

3.1 PHC 管樁單樁豎向承載力

圖3 為樁號B1 和B2 的CCWAPC 模擬靜荷載試驗Q-S 曲線。由圖3 可得：樁號B1 的試驗單樁豎向抗壓極限承載力為1 049.2 kN，最大沉降為8.77 mm，樁號B2 的試驗單樁豎向抗壓極限承載力為1 035.8 kN，最大沉降為6.26 mm。9 組PHC 管樁（B1～B9）的單樁豎向抗壓極限承載力結果見圖4 所示和表3 所列。

圖3 CCWAPC 模擬靜荷載試驗Q-S 曲線圖

由圖4 和表3 可知：試驗過程中，最大沉降量為8.77 mm，最小沉降量為4.44 mm，最小沉降量為最大沉降量的50.63%，平均沉降量為6.7 mm；試驗檢測的9 組PHC 管樁豎向抗壓極限承載力最大值為1 095.5 kN，最小值為1 015.8 kN，均值為1 052.08 kN，9 組PHC 管樁豎向抗壓極限承載力均大于1 000 kN，滿足結構及設計要求。

表3 PHC 管樁單樁豎向抗壓極限承載力試驗值一覽表

圖4 PHC 管樁Q-S 關系圖

3.2 PHC 管樁樁身完整性分析

圖5 為B2 樁身完整性檢測曲線圖。由圖5 可知：B2 樁身完整性較好，計算值與試驗實測值一致。9 組PHC 管樁（B1～B9）現場高應變檢測試驗結果見表4 所列。由表4 可知：測試的PHC 管樁樁身結構完整性系數β 均為1，可知樁身完整性均較好，由表2 可判定試驗樁均為Ⅰ類樁，充分說明PHC 管樁在軟弱地層地鐵車輛段中應用效果較好。

圖5 PHC 管樁樁身完整性檢測曲線圖

表4 樁身完整性檢測結果匯總表

3.3 PHC 管樁樁端阻力分析

通過現場高應變檢測試驗與計算可知PHC 管樁的樁端阻力與總阻力，9 組試驗樁的樁端阻力、總阻力，以及兩者比值，見表5 所列。從表5 可得：高應變檢測均已發揮了側阻力和端阻力，端阻力與總阻力比值位于37%～44%，平均占比為40.7%；側摩阻力與總阻力比值位于56%～63%，平均值為59.3%，可知9 組試驗樁均為端承摩擦樁。

表5 PHC 管樁端總阻力比一覽表

4 結語

以杭州某地鐵車輛段PHC 管樁加固工程為例，通過對PHC 管樁進行現場高應變檢測試驗，分析PHC 管樁的樁身完整性情況，驗證其單樁承載力，得到如下的結論：

（1）根據高應變現場檢測試驗結果，PHC 管樁單樁豎向抗壓極限承載力均大于1 000 kN，滿足結構和設計要求。同時，也表明PHC 管樁在地鐵車輛段地基加固中具有質量可靠，承載力高和施工效率高的優點。

（2）根據高應變現場檢測試驗結果，檢測的9 組PHC 管樁樁身結構完整性系數β 均為1，表明樁身完整性較好，均為Ⅰ類樁，充分說明PHC 管樁在地鐵車輛段中應用效果較好，具有較好的推廣價值。

（3）高應變現場檢測試驗顯示：9 組PHC 管樁均已發揮了側阻力和端阻力，端阻力與總阻力比值位于37%～44%，平均占比為40.7%；側摩阻力與總阻力比值位于56%～63%，平均值為59.3%，表明9 組試驗樁均為端承摩擦樁。