十堰山林步道中小支墩結構鋼軌樁的模型建立與分析

■謝賢銘

（廈門市市政工程設計院有限公司，廈門 361010）

鋼軌樁屬于微型樁的一種，是將舊鋼軌放置在施工完畢的鉆孔中，再澆筑混凝土或水泥砂漿充填鋼軌與孔壁間的空間，使鋼軌與混凝土或砂漿聯成一體而形成的樁。 與大斷面鋼筋混凝土抗滑樁相比，鋼軌樁具有施工工藝簡單、速度快且輕便靈活便于施工、工程量小和投資省等優點，在滑坡推力不大、巖體較完整的巖質邊坡滑坡防治工程中被廣泛應用[1]。 同時由于樁徑小、鉆機機身輕便靈活、施工機械要求的距離小、對既有線的影響小，也常運用于開挖線距周邊建筑物距離較近時的基坑支護或建筑地基加固中。 本文結合十堰市健康步道工程，對小支墩結構的鋼軌樁基礎進行研究，并探討了鋼軌樁設計及施工相關內容。

1 工程概況

十堰健康步道工程位于十堰市中心城區自然山體上，主線全長約4 km，建設內容包含貼地步道、高架步道、人行隧道、驛站及景觀綠化等。 高架步道全寬3.6 m，凈寬2.8 m，根據結構物的高低分別采用橋梁高架及小支墩高架兩種結構形式，其中橋梁高架全長約2 300 m，小支墩高架全長約430 m。

山體上巖土層自上而下依次分布有素填土、坡積黏性土、強風化片巖、中風化片巖，其中：（1）素填土僅少量山體表面有分布，未經碾壓或夯實，層厚0.1～0.3 m；（2）坡積黏性土間斷分布于山體表面，主要成分為全風化片巖、少量黏性土及植被腐殖質組成，層厚0.5～1.2 m；（3）強風化片巖節理裂隙發育，層厚1.2～24.7 m，飽和單軸抗壓強度平均值2.28 MPa，屬極軟巖；（4）中風化片巖裂隙較發育，裂面較新鮮，層頂埋深1.2～36.9 m，飽和單軸抗壓強度平均值4.35 MPa，屬極軟巖；片巖易風化，遇水易軟化。

2 工程重難點分析及對策措施

2.1 重難點分析

本項目建設地點處于山林中，路線多處于陡峭山體的斜坡上，縱橫向地形變化較大，建設過程中存在以下重難點：（1）環保要求高。 現狀山體植被茂密，施工過程中應最大程度地減少對現狀山體及植被的破壞。 嚴格控制施工時產生的噪音、空氣污染等，嚴格落實節能環保標準。 （2）施工條件差。 山地陡峭，施工場地狹窄，運輸條件差，臨時支架搭設困難，大型機械進場困難，無平坦的場地可供材料堆放使用。 （3）施工工期緊。 為減少對生態環境的影響，應盡量縮短施工時間。 （4）景觀要求高。 項目處于市中心城區，步道建成后前往游玩的市民及游客較多，不僅要求結構物自身景觀效果好，而且要求結構物與周邊環境能較好地融合。

2.2 對策措施

對于低矮填方路段，采用路基放坡方式常存在收坡困難、大面積破壞現狀坡面植物等問題，而采用擋墻形式將導致成段山體開挖、景觀效果較差、擋墻穩定性較差等問題，經綜合比較后設計采用小支墩結構進行跨越。 小支墩結構是一種施工簡單、對環境影響較小、經濟合理、景觀效果較好的結構形式。 小支墩采用梁柱框架式結構，橫向設置3 根立柱，立柱縱向間距為4 m，立柱頂部設置方鋼縱、橫梁以方便橋面鋪裝龍骨的搭設，橫梁縱向間距2 m。

由于小支墩結構基礎受力較小，設計時提出整體式擴大基礎、分離式擴大基礎、微型樁基礎3 種方案進行比較。

2.2.1 整體式擴大基礎

基底應力較小，適用于上部荷載較大或基底土層承載力較低的情況，工程造價適中，全結構估算造價約4 000 元/m2。 但基礎工程量較大，在山體橫向地面較陡時挖方較多， 對原位土體擾動較大，對山體環境影響最大，不適宜用在地質穩定性較差的地質條件，見圖1。

圖1 整體式擴大基礎結構示意圖

2.2.2 分離式擴大基礎

基底應力較大，適用于上部荷載較小或基底土層承載力較高的情況，工程造價最低，全結構估算造價約3 800 元/m2。 可以根據山體坡度進行靈活布置，能有效減少山體的挖方，對原位土體擾動較小，對山體環境影響較小，但基礎穩定性較差，見圖2。

圖2 分離式擴大基礎結構示意圖

2.2.3 微型樁基礎

具有較強豎向及水平承載能力，穩定性較好，適合于各種地質情況，但工程造價最高，全結構估算造價約4 300 元/m2。鉆機體積小、重量輕、機動性強，對施工場地及施工工作面的要求較小，施工速度快，對原位土體擾動小，對山體環境影響最小，見圖3。

圖3 微型樁基礎結構示意圖

2.2.4 基礎方案比較

綜合考慮對環境影響程度、施工難度、工期、景觀效果及工程造價等因素，微型樁方案相對擴大基礎方案優勢明顯。 因鋼軌微型樁充分利用已有的鋼軌材料， 具有較好的抗剪能力且施工工藝簡單，在當地邊坡治理及作為支擋結構基礎上運用較多，施工技術較成熟，最終采用鋼軌樁基礎。

3 鋼軌樁的設計參數及計算

3.1 鋼軌樁設計情況及參數取值

本工程中，小支墩結構橫向布置3 根直徑為300 mm 的鋼軌微型樁基礎，樁基混凝土采用C30小石子混凝土，樁長均為4 m。 結合地質資料，最不利樁基礎位置的巖土力學參數見表1。

表1 巖土物理力學參數

3.2 計算模型的建立

3.2.1 計算模型

小支墩結構仿真分析采用有限元分析軟件Midas Civil 建立三維分析模型，見圖4。 墩柱與主梁采用共節點連接，樁基底部固結。

圖4 Midas 計算模型示意圖

3.2.2 設計荷載

（1）結構自重：以自重荷載形式由程序自動計入，混凝土容重取25 kN/m3；（2）防護欄桿：護欄采用鋼結構形式，單側按q=1.2 kN/m 計入；（3）橋面鋪裝：采用鋼格柵鋪裝，鋼格柵自重為61 kg/m2；（4）人群荷載：5 kPa；（5）溫度荷載：整體升降溫均按20°；（6）不均勻沉降：按3 mm 考慮。

3.2.3 計算結果

在最不利荷載組合下，最大支反力標準值為118.1 kN，最大支反力設計值為135.3 kN。

3.3 單樁承載力計算

單樁承載力計算包含單樁豎向承載力計算及樁身受壓承載力計算兩部分內容，并分別與內力計算結果進行驗算比較。

3.3.1 單樁豎向承載力計算

根據JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》[2]第5.3.9條，嵌巖樁豎向極限承載力由樁周土總極限側阻力和嵌巖段總極限阻力組成， 即Quk=Qsk+Qrk， 其中：Qsk=u∑qsikli，Qrk=ζrfrkAp。 式中：u 為樁身周長；qsik為樁周第i 層土的極限側阻力；li為樁周第i 層土的厚度；ζr為樁嵌巖段側阻和端阻綜合系數； frk為巖石飽和單軸抗壓強度標準值；Ap為樁端面積。

Qsk=u∑qsikli=3.1416×0.3×（10×0.1+50×0.5+160×1.2）=205.5 kN

由于嵌巖深徑比hr/d=1.2/0.3=4，中風化片巖屬于極軟巖，查規范表5.3.9 可得ζr=1.48，則Qrk=ζrfrkAp=1.48×4.35×103×3.1416×0.152=455.1 kN，Quk=Qsk+Qrk=205.5+455.1=660.6 kN，豎向承載力特征值，滿足要求。

3.3.2 樁身受壓承載力計算

參照JGJ 138-2016《組合結構設計規范》[3]第6.2.1 條，型鋼混凝土構件受壓承載力由混凝土受壓承載力和型鋼受壓承載力組成，N≤0.9φ（fcAc+fa′Aa′）。式中：N 為樁頂軸向壓力設計值；φ 為軸心受壓穩定系數，φ=1.0； fc為混凝土軸心抗壓強度設計值；Ac為混凝土截面面積； fa′為型鋼抗壓強度設計值；Aa′為型鋼截面面積。 其中，Aa′=5 700 mm2，Ac=3.1416×1502-5700=64 986 mm2，Nu=0.9φ（fcAc+fa′Aa′）=0.9×1.0×（14.3×64986+215×5700)/1000=1939.3 kN＞135.3 kN，滿足要求。

3.4 其他注意事項

對處于山體斜坡上的鋼軌樁基礎，當斜坡土體存在滑坡的可能時，樁基不僅要考慮上部結構所傳遞的荷載，還要考慮邊坡下滑力的影響，此時樁基的破壞形式主要有[4]：（1）樁基長度不足，豎向承載力不夠，樁基沉降過大；（2）樁基抗彎能力不足，在最大彎矩處被拉斷；（3）樁基抗剪能力不足，樁身在滑動面處被剪斷；（4）樁基埋深不足，嵌固深度太小或者有的甚至未過滑面導致微型樁錨固力不足從而使樁被推倒。 因此，樁基除了滿足豎向承載力外，還應滿足樁身正截面受彎承載力及斜截面受剪承載力的要求。 同時，樁基應按抗滑樁進行受力分析，并埋入滑動面以下的穩定基巖中一定深度，以滿足抗滑穩定性的要求。

4 鋼軌樁施工

4.1 施工工序

鋼軌樁基礎是一種新型的結構基礎，有著施工工藝簡單、對周邊環境影響小等特點，成孔、混凝土灌注等施工工藝最終直接影響成樁質量，施工工藝與鉆孔灌注樁基本相同，只是采用的設備和樁身灌注方式不同，其施工主要包含以下工序[5]：（1）施工準備：材料堆放及加工區進行選址、設備試運行、對全體操作人員開展技術交底。 （2）測量放樣：先進行鉆孔前定位，鉆機開鉆前自檢自查合格后方可進行下道工序。 （3）鉆機成孔：采用履帶式液壓潛孔鉆機進行鉆孔，按照設計樁徑D 和樁長L，平穩、垂直鉆孔，孔位偏差及垂直傾斜度均應滿足相關要求。 鉆機成孔施工情況見圖5。 （4）清孔：采用大風量空壓機送風到沖擊器進行反復返沖，直至孔底沉渣達到要求。 （5）鋼軌吊裝及安裝：鋼軌安裝時應注意垂直度及保護層，鋼軌軌底應正對邊坡推力方向進行放置。 （6）樁身混凝土灌注：由于樁徑較小，樁身施工時應嚴格控制碎石的粒徑，采用填碎石壓漿法成樁，整個灌注過程應一次完成。

圖5 鋼軌樁鉆孔施工

4.2 施工注意事項

（1）鋼軌在焊接前應進行超聲無損探傷檢查和除銹、除油、校直。 鋼軌接頭處應做好等強連接，并在連接處補焊鋼板，避免接頭處強度不足產生破壞。（2）成孔過程中應控制鉆孔垂直度，在終孔和清孔后檢驗孔位和孔深。 （3）填料前應將鉆孔中積水抽干，鋼軌吊裝就位固定后，將壓漿管插至孔底，采用孔底返漿的方式保證樁身混凝土密實度。 （4）施工期間應做好周邊土體位移、沉降等監測。 （5）注重環保及生態保護，采取捕塵裝置減少粉塵污染，盡可能保護天然植被，及時恢復被破壞的植被。

5 工程實施效果

由于小支墩結構采用的鋼軌樁基礎，施工速度快、需要的操作空間小、鉆機輕、振動小，極大地減少了對現狀山體環境的影響， 項目建設完成后，獲得了主管部門與當地群眾的一致好評。 建設完成后的小支墩結構見圖6。

圖6 小支墩結構場景

6 結語

鋼軌樁基礎具有單樁承載力高、 施工工藝簡單、工期短、對環境影響小等優點，在施工條件復雜的山林步道結構物中具有明顯優勢。 目前已建的山林步道小型結構物中，擴大基礎應用較多而鋼軌樁基礎則應用較少。 本研究通過鋼軌樁在十堰山林步道的實施，驗證了鋼軌樁基礎的良好適用性，為類似工程提供了一定的理論與實踐參考，并希望此成功經驗能推動鋼軌樁在結構基礎中的運用。