陳懷智 潘湘文 阮白一 牛思喆

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海 200070)

1 研究背景

我國(guó)早在1944年就開(kāi)始生產(chǎn)離心鋼筋混凝土管樁(RC樁)[1]。1951年，豐臺(tái)橋梁廠生產(chǎn)直徑?400 mm離心成型的無(wú)接頭鋼筋混凝土管樁(長(zhǎng)度10 m)，主要用于鐵路橋墩基礎(chǔ)；20世紀(jì)60年代，開(kāi)始研制先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PC樁)[2]。1987年交通部第三航務(wù)工程局從日本全套引進(jìn)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁(PHC樁)生產(chǎn)線[3]。1998年，上海軌道交通3號(hào)線部分橋梁樁基采用PHC管樁，樁徑為0.6 m，平均樁長(zhǎng)為33 m。上海磁懸浮城市列車線的樁基礎(chǔ)全部采用PHC管樁[4]，樁徑為0.6 m，平均樁長(zhǎng)為47 m。

PHC樁在鐵路橋梁基礎(chǔ)上的應(yīng)用相對(duì)較少。自1998年新長(zhǎng)鐵路開(kāi)始[5]，陸續(xù)應(yīng)用于秦沈鐵路、寧西鐵路、贛龍鐵路、寧啟鐵路、滬杭高鐵[6]、滬通鐵路[7]和連鎮(zhèn)鐵路[8]、京雄鐵路[9]等。當(dāng)前預(yù)應(yīng)力管樁在鐵路路基處理上也有應(yīng)用，如京滬高速鐵路宿州站[10]、溫福鐵路[11]軟土路基加固等。

隨著鐵路橋梁發(fā)展，簡(jiǎn)支梁已基本實(shí)現(xiàn)梁場(chǎng)預(yù)制、架橋機(jī)架設(shè)，而下部結(jié)構(gòu)特別是基礎(chǔ)工程，除部分有條件地段嘗試性地采用預(yù)制管樁外，絕大部分仍采用傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁。鉆孔灌注樁在施工過(guò)程中容易出現(xiàn)縮孔、樁底沉渣多、泥漿外運(yùn)污染等問(wèn)題，需要大量人工，成本較高，并需要豐富現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的工程師把關(guān)沉樁質(zhì)量。與當(dāng)前“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配式施工、信息化管理”的發(fā)展趨勢(shì)相背離。

混凝土預(yù)應(yīng)力管樁以其可以標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、施工簡(jiǎn)易、施工周期短、對(duì)周圍環(huán)境影響小、承載力高、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在鐵路橋梁工程中有著廣闊的應(yīng)用前景。目前在普鐵、高鐵等各種鐵路項(xiàng)目中已有初步探索和應(yīng)用，但還未形成完善的系統(tǒng)理論、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)踐應(yīng)用。

本研究結(jié)合安徽某鐵路項(xiàng)目，對(duì)鐵路橋梁大直徑管樁新型施工工法進(jìn)行有益探索，完成了現(xiàn)場(chǎng)施工及靜載試驗(yàn)，分析了新工藝樁基承載能力，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

2 鐵路旋挖植樁的創(chuàng)新工藝簡(jiǎn)介

旋挖植樁法，就是旋挖機(jī)引孔后，在孔內(nèi)灌注適量細(xì)石混凝土或水泥砂漿材料，并將預(yù)制樁沉入其中形成復(fù)合基樁的施工方法?？捎幂o助沉樁設(shè)備將預(yù)制樁打入、壓入或振入。

旋挖植樁法適用于填土、粉土、黏性土、砂卵石、基巖、巖溶等地質(zhì)條件。在地下水承壓水頭較高或地下水流動(dòng)性較大的地質(zhì)條件中使用時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性。旋挖植樁構(gòu)造見(jiàn)圖1。

圖1 旋挖植樁構(gòu)造示意

3 旋挖植樁試驗(yàn)概況

3.1 工程背景

本次試驗(yàn)共設(shè)置5根樁，分別為4-?0.8 m管樁及1-?1.0 m鉆孔樁，管樁、鉆孔樁樁長(zhǎng)均為35 m。其中4根管樁均為試驗(yàn)樁(3根輔助沉樁采用液壓錘，1根輔助沉樁采用振動(dòng)沉樁)。試驗(yàn)場(chǎng)地樁位布置見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)場(chǎng)地平面布置(單位:mm)

3.2 旋挖植樁工法試驗(yàn)

課題組于2020年9月進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，旋挖植樁步驟和要求如下:

(1)定位測(cè)量，旋挖機(jī)就位。施工前，在試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)建立測(cè)量控制網(wǎng)，確定各個(gè)試驗(yàn)樁的中心點(diǎn)。鉆機(jī)就位時(shí)，保證垂直度誤差不超過(guò)5‰。

(2)埋設(shè)護(hù)筒。護(hù)筒直徑1 m，厚度5 mm，埋深1.5 m，周圍用土回填夯實(shí)，控制護(hù)筒中心和樁位中心偏差在1%內(nèi)。

(3)旋挖機(jī)引孔。鉆尖對(duì)準(zhǔn)樁位中心，引孔過(guò)程中保證鉆機(jī)導(dǎo)桿中心線、回旋盤中心線和護(hù)筒中心線在同一直線，鉆頭中心和樁位中心誤差不超過(guò)10 mm。根據(jù)地勘報(bào)告計(jì)算的預(yù)挖深度結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，待引孔深度達(dá)到4-1-1黏土層以后，用筒鉆鉆進(jìn)，將孔底堅(jiān)硬－硬塑黏土層土樣取出，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)檢驗(yàn)持力土層合格后，即可終孔。

成孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度34 m后，對(duì)孔深、孔徑及孔壁垂直度等進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)沿孔四周檢查，要求孔深、孔徑不小于設(shè)計(jì)規(guī)定，鉆孔傾斜度誤差不大于5‰。

(4)下放導(dǎo)管并清孔。

(5)水下灌注細(xì)石混凝土。本工程采用C25水下細(xì)石混凝土，使用導(dǎo)管重力式灌注法。C25水下細(xì)石混凝土緩凝時(shí)間不低于8 h，設(shè)計(jì)坍落度為180～220 mm，并添加高效減水劑、緩凝劑。細(xì)石混凝土應(yīng)具有良好的和易性、流動(dòng)性。

(6)采用錘擊或振動(dòng)錘輔助沉樁，錘擊法沉樁需按照重錘輕擊原則錘擊數(shù)控制在1 500錘以內(nèi)。

4 旋挖植樁法復(fù)合樁承載力試驗(yàn)

課題組于2020年10月進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)單樁承載能力試驗(yàn)。樁身完整性檢測(cè)采用低應(yīng)變反射波法，單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)采用配重堆載法，單樁豎向抗壓與水平承載力靜載試驗(yàn)均采用慢速維荷法。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖3。

圖3 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，試驗(yàn)樁長(zhǎng)度均為35 m。

表1 豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果

各樁在豎向荷載下的荷載－沉降曲線如圖4所示。

圖4 樁頂沉降－豎向荷載曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果綜合分析，所有試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)通過(guò)Q-s曲線匯總分析可以看出，在單樁豎向荷載加載至屈服荷載之前，預(yù)制樁的承載性能(不同承載力對(duì)應(yīng)的沉降)均優(yōu)于灌注樁。其中旋挖植樁的S3＃和S4＃試驗(yàn)樁因樁頭未進(jìn)行加固造成試驗(yàn)加載過(guò)程中樁頭混凝土開(kāi)裂破壞，致使樁頭沉降突變，但與同類型的S1＃和S2＃樁的Q-s曲線對(duì)比分析，Q-s曲線的變化趨勢(shì)和累計(jì)位移量比較接近，說(shuō)明S3＃和S4＃試驗(yàn)樁與S1＃和S2＃試驗(yàn)樁的豎向抗壓承載力應(yīng)比較接近。

各個(gè)樁在水平荷載下的荷載－位移曲線如圖5所示。

圖5 樁頂水平位移－水平荷載曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果綜合分析，所有試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)通過(guò)荷載－位移曲線可以看出，單樁水平荷載作用下預(yù)制樁的水平承載性能(不同承載力對(duì)應(yīng)的樁頂水平位移)優(yōu)于灌注樁。

5 旋挖植樁法復(fù)合樁豎向承載力建議計(jì)算公式及經(jīng)濟(jì)性分析

5.1 豎向承載力計(jì)算公式

旋挖植樁法管樁注入細(xì)石混凝土后在輔助沉樁過(guò)程中采用了錘擊或者振動(dòng)下沉，具有一定的擠土效應(yīng)，樁端土體在沉樁過(guò)程中變得較為密實(shí)，同時(shí)與灌注的混凝土結(jié)合后樁端承載力提升較為明顯。根據(jù)3＃、4＃樁的內(nèi)力分析結(jié)果，在樁頭破壞開(kāi)裂時(shí)，樁端提供的承載能力在34%以上，與鉆孔樁相比，由于樁端承載力顯著提高，在同等荷載等級(jí)下旋挖植樁法管樁先由樁端提供承載力，樁周摩阻力仍有一定儲(chǔ)備。

旋挖植樁法1＃、2＃管樁和5＃鉆孔樁由于場(chǎng)地限制只加載到15 000 kN、16 000 kN，未加載至承載力極限，但均遠(yuǎn)高于5 842 kN的承載力設(shè)計(jì)極限值。1＃、2＃樁由于現(xiàn)場(chǎng)原因未測(cè)量樁身內(nèi)力，但根據(jù)樁基加載位移曲線可知，1＃、2＃樁的變形回彈率較高，分別為87.37%、62.85%，土體未進(jìn)入明顯的塑性階段，新工法管樁具有較好的豎向承載能力。

根據(jù)旋挖植樁法沉樁工藝及極限承載能力特性，參考?鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范?(TB 10093—2017)[12]，旋挖植樁法管樁豎向承載力建議公式為:

式中:[P]為樁的容許承載力(kN)；U為樁身截面周長(zhǎng)(m)，計(jì)入擴(kuò)孔截面；li為各土層厚度(m)，不計(jì)入擴(kuò)大頭部分；fi為各土層的樁周極限摩阻力(kPa)；R為樁尖土的極限承載力(kPa)；A為樁端支承面積(m2)，計(jì)入擴(kuò)孔面積；αi為旋挖植樁法管樁樁周土側(cè)摩阻修正系數(shù)；β為旋挖植樁法管樁樁端土極限承載力修正系數(shù)。

針對(duì)該地質(zhì)情況，對(duì)旋挖植樁法管樁土層αi及β進(jìn)行修正，可計(jì)算出修正后的旋挖植樁法樁基長(zhǎng)度，結(jié)合工經(jīng)專業(yè)提供的鉆孔灌注樁及旋挖植樁法管樁每延米綜合單價(jià)，可得出新工法管樁經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)旋挖植樁法管樁靜載試驗(yàn)報(bào)告，針對(duì)3＃樁分析了旋挖植樁法的各土層承載力并與地勘報(bào)告做對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

表2 土層承載力對(duì)比

αi取值:根據(jù)靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，旋挖植樁法管樁樁周側(cè)摩阻與地勘報(bào)告提供的極限側(cè)摩阻有所提高，對(duì)于粉土、粉細(xì)砂αi值可取1.0～1.1，對(duì)于粉質(zhì)黏土、黏土αi可取1.0～1.5。工程應(yīng)用中，可根據(jù)試樁靜載試驗(yàn)得到的各種地質(zhì)條件下的側(cè)摩阻力之后進(jìn)行修正。

β取值:根據(jù)靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，旋挖植樁法管樁樁端土極限承載力有較大提高，針對(duì)硬塑性黏性土β可取1.5～1.9。工程應(yīng)用中，可根據(jù)試樁靜載試驗(yàn)得到的各種地質(zhì)條件下的樁端阻力之后進(jìn)行修正。

5.2 旋挖植樁法管樁經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)測(cè)算，該鐵路項(xiàng)目鉆孔樁綜合單價(jià)每延米1 244元，旋挖植樁法管樁綜合單價(jià)每延米1 677元，結(jié)合修正后地質(zhì)參數(shù)對(duì)墩高12 m(平均墩高)的簡(jiǎn)支梁橋墩樁基重新進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如表3所示。

表3 鉆孔樁與旋挖植樁對(duì)比

經(jīng)對(duì)比可知，針對(duì)該鐵路項(xiàng)目，由于旋挖植樁管樁具有較好的承載能力，在工程中可優(yōu)化樁基布置形式并有效縮短樁長(zhǎng)，樁長(zhǎng)可由37.5 m縮短至26.5 m，縮短了29.3%；而順橋向剛度和橫橋向剛度與鉆孔樁相仿，剛度相差均在2%以內(nèi)。沉降值雖略有提高，但依然在?鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范?(TB 10002—2017)容許范圍內(nèi)。相比鉆孔樁，旋挖植樁法樁基總造價(jià)減少了4.7%，具有一定經(jīng)濟(jì)性。

5.3 旋挖植樁法環(huán)境噪聲影響分析

傳統(tǒng)錘擊法沉樁帶來(lái)的噪聲振動(dòng)問(wèn)題對(duì)預(yù)制樁的推廣較為不利，沿線存在居民區(qū)等環(huán)境敏感點(diǎn)時(shí)，往往要求環(huán)境影響范圍在200 m以上才具備實(shí)施條件。采用旋挖植樁工法，錘擊、振動(dòng)沉樁成為輔助工藝，通過(guò)重錘輕擊、減少錘擊數(shù)，可有效降低環(huán)境影響。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)實(shí)測(cè)，沉樁期間，50 m范圍噪聲實(shí)測(cè)值平均為72.9 dB(A)，100 m范圍噪聲實(shí)測(cè)值為66 dB(A)，150 m范圍噪聲實(shí)測(cè)值為59.8 dB(A)，按照建筑施工場(chǎng)界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 12523—2011)規(guī)定，建筑施工場(chǎng)界晝間噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)為不超過(guò)70 dB(A)，基本滿足環(huán)保要求。

6 結(jié)論

本課題結(jié)合安徽省某鐵路項(xiàng)目對(duì)鐵路橋梁大直徑管樁新型施工工法進(jìn)行了有益的探索，完成了現(xiàn)場(chǎng)施工及靜載試驗(yàn)，新工藝樁基承載能力達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

(1)旋挖植樁法管樁施工工藝在黏性土為主地質(zhì)層時(shí)具有較好的適用性，輔助沉樁采用錘擊、振動(dòng)下沉均可順利將管樁沉至指定標(biāo)高。

(2)根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果，旋挖植樁法管樁具有較好的豎向、水平承載能力，均能滿足設(shè)計(jì)要求并有一定富余。

(3)在單樁豎向、水平荷載加載至屈服荷載之前，預(yù)制樁的承載性能(不同承載力對(duì)應(yīng)的沉降、水平位移)均優(yōu)于灌注樁。

(4)針對(duì)該鐵路項(xiàng)目地質(zhì)情況，提出了旋挖植樁法管樁的豎向承載力建議公式，及樁側(cè)、樁端土層極限承載力修正系數(shù)α、β建議取值，為旋挖植樁法管樁在工程中的應(yīng)用提供了依據(jù)。

(5)針對(duì)該鐵路項(xiàng)目地質(zhì)情況，旋挖植樁法管樁在工程應(yīng)用中相比鉆孔灌注樁具有一定經(jīng)濟(jì)性。