鐵路橋梁管樁基礎(chǔ)剛度及合理布樁形式研究

張池權(quán),武 兵,宋子威

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

管樁適合于軟土地區(qū)施工[1]，與鉆孔樁相比較，具有①產(chǎn)品工廠化預(yù)制生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定可靠；②采用打入法施工，承載力高、經(jīng)濟(jì)性好；③施工方便、快捷，無需鋼護(hù)筒和檢測(cè)管等輔助材料；④施工過程中不產(chǎn)生泥漿、鉆渣，生態(tài)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。在鐵路橋梁中推廣使用管樁，符合國(guó)家節(jié)能減排、低碳環(huán)保的要求和國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)向綠色化、裝配化和工業(yè)化發(fā)展的趨勢(shì)[2-3]。

在我國(guó)鐵路橋梁工程中，管樁以往在涵洞及框架橋的基礎(chǔ)中應(yīng)用較多[4-6]，采用的多為φ30 cm～φ80 cm中、小直徑管樁；隨著管樁經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效能的日益突出，目前在長(zhǎng)三角地區(qū)、珠三角等軟土地區(qū)的鐵路大中橋梁基礎(chǔ)中應(yīng)用逐漸增多[7-9]。已有對(duì)大中橋應(yīng)用管樁基礎(chǔ)的施工、檢測(cè)、承載力以及管樁與承臺(tái)連接的數(shù)值模擬和試驗(yàn)等研究較多[10-12]。

以某特大橋8φ1.0 m和10φ1.0 m兩個(gè)橋墩樁基為例，進(jìn)行了管樁與鉆孔樁圬工量與剛度的比較，樁基承載力分別根據(jù)鐵路規(guī)范中的鉆孔樁和打入樁的計(jì)算公式計(jì)算，對(duì)比計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 鉆孔樁與管樁基礎(chǔ)對(duì)比

由計(jì)算結(jié)果可知，配置8φ1.0 m和10φ1.0 m樁基的兩個(gè)橋墩結(jié)果規(guī)律相似，預(yù)應(yīng)力管樁均比鉆孔樁面積小54.8%，樁長(zhǎng)短30%，節(jié)約圬工量65%，經(jīng)濟(jì)性好[13]；由于管樁內(nèi)部為空心，截面被大幅削弱，基礎(chǔ)剛度也大幅減小，下部結(jié)構(gòu)縱向剛度減小24%～31%，橫向剛度減小30%～35%。由于列車運(yùn)行對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)剛度要求較高，研究經(jīng)濟(jì)有效地提高管樁基礎(chǔ)剛度的方法很有必要。

2 管樁基礎(chǔ)剛度的影響因素

本文分別從拉大樁距、增加樁數(shù)、加大樁徑、采用斜樁、不同斜率以及管樁填芯的角度，探討其對(duì)管樁基礎(chǔ)剛度的影響[14-15]。典型的8φ1 m和10φ1 m的管樁布置如圖1所示。

圖1 典型8φ1 m和10φ1 m管樁基礎(chǔ)(單位：cm)

2.1 樁間距對(duì)剛度的影響

本次研究主要比較8φ1.0 m的管樁基礎(chǔ)，梅花式布置形式(圖1)，分析了樁間距對(duì)不同地質(zhì)條件下兩種樁長(zhǎng)的下部結(jié)構(gòu)剛度影響，如圖2所示。

圖2 樁間距對(duì)剛度的影響

由圖2可知，樁長(zhǎng)為34，39，44 m的管樁，樁間距為1.9 m時(shí)的基礎(chǔ)縱橋向剛度分別為432,408,381.4 kN/m；管樁基礎(chǔ)樁間距為2.1,2.3 m時(shí),相比于管樁基礎(chǔ)樁間距為1.9 m時(shí)的縱橋向剛度分別增長(zhǎng)了11.11%和18.98%、10.54%和20.88%、9.28%和21.89%?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著縱向樁間距的加大，橋墩縱向線剛度增加效果明顯，加大樁間距是日常設(shè)計(jì)中最常用的增加基礎(chǔ)整體剛度的手段。

2.2 樁數(shù)對(duì)剛度的影響

采用8φ1.0 m和10φ1.0 m管樁基礎(chǔ)進(jìn)行比較，樁基布置均采用梅花形布置(圖1)，承臺(tái)厚度均為2 m。

由表2可知，橋墩編號(hào)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)的10φ1.0 m管樁(直樁)相比于8φ1.0 m管樁(直樁)的縱向剛度增幅分別為45.3%、30.4%、36.2%、35.1%、35.6%；橫向剛度增幅分別為23.8%、13.6%、11.5%、11.7%、15.3%?？梢缘玫?，通過增加樁數(shù)來提高橋墩剛度的效果明顯。但增加樁數(shù)會(huì)顯著提高圬工量，經(jīng)濟(jì)性差，可在加大樁距不能滿足剛度要求的情況下選用。

表2 樁數(shù)對(duì)剛度的影響

2.3 樁徑對(duì)剛度的影響

采用8φ0.6 m與8φ1.0 m管樁進(jìn)行比較計(jì)算，樁基均采用梅花形布置,承臺(tái)厚度均為2 m。

由表3可知，橋墩編號(hào)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)的8φ1.0 m管樁(直樁)相比于8φ0.6 m管樁(直樁)的縱向剛度增幅分別為135.8%、154.9%、180.0%、181.3%、177.8%；橫向剛度增幅分別為124.1%、138.6%、166.5%、164.9%、161.1%。可以得到，通過加大樁徑來提高橋墩剛度的效果顯著。但加大樁徑同增加樁的數(shù)量一樣會(huì)顯著增加工程造價(jià)，可在加大樁距和樁數(shù)不能滿足剛度要求的情況下選用。

表3 樁徑對(duì)剛度的影響

2.4 斜率對(duì)剛度的影響

本次研究主要比較管樁基礎(chǔ)8根樁梅花形布置條件下，斜樁斜率的不同對(duì)基礎(chǔ)剛度的影響[16-17]。不同樁長(zhǎng)樁基橋梁縱向剛度隨斜率變化如圖3所示，基礎(chǔ)尺寸如圖4所示。

圖3 不同樁長(zhǎng)樁基橋梁縱向剛度隨斜率變化

圖4 斜樁基礎(chǔ)布置(單位：cm)

從圖3可以看出，縱向剛度隨斜率的加大而加大。斜樁的斜率從1/10增到1/7時(shí)，樁長(zhǎng)從34.5～44 m，縱向剛度分別增加了14.3%、15.0%、12.9%、12.6%、12.2%、11.5%、12.5%?？梢钥闯?，隨斜率的增加縱向剛度增加明顯，且樁長(zhǎng)較短時(shí)斜率的影響效果更明顯。但隨著斜率增加，施工難度[18]和檢測(cè)難度也會(huì)隨之上升，因此斜率不宜過小。

2.5 管樁填芯對(duì)剛度影響

為了研究填芯混凝土對(duì)整體剛度的影響[19]，利用Midas軟件建立有限元模型如圖5所示，基于土彈簧法來模擬樁土相互作用，其線剛度按“m法”進(jìn)行計(jì)算，分別建立填芯混凝土高度為0～5 m的11個(gè)管樁承臺(tái)模型，對(duì)比其在水平力作用下的位移，分析上部填芯混凝土對(duì)剛度的影響變化規(guī)律。所建11個(gè)模型在水平力作用下的最大水平變形值詳見表4。

圖5 Midas模型

表4 填芯高度對(duì)樁頂水平位移的影響

從表4和圖6可以看出，在水平力的作用下，結(jié)構(gòu)的水平變形與填芯混凝土高度呈現(xiàn)出S形變化的規(guī)律，在0～2 m呈現(xiàn)出逐漸加快的下降趨勢(shì)，2～3.5 m呈現(xiàn)出線性的下降趨勢(shì)，3.5～5 m呈現(xiàn)出逐漸變緩的下降趨勢(shì)。

圖6 樁基水平位移隨填芯高度變化

由圖6可以看出，在填芯混凝土高度在3 m處的變化率是最快的，因此直徑1.0 m的管樁內(nèi)填芯混凝土高度可以取為3 m，這一結(jié)論與10G409《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》圖集的規(guī)定“管樁填芯混凝土的高度H≮3D”是吻合的。從計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，管樁填芯混凝土的高度H≮3D的情況下，填芯混凝土可提高單樁剛度10%左右。

3 管樁基礎(chǔ)樁的合理布置形式研究

TB 10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)樁的布置規(guī)定如下：打入樁的樁尖中心距不應(yīng)小于3倍樁徑。振動(dòng)下沉于砂土內(nèi)的樁，樁的中心距不應(yīng)小于4倍樁徑。樁尖爆擴(kuò)樁的樁尖中心距應(yīng)根據(jù)施工方法確定。上述各類樁在承臺(tái)板底面處樁的中心距不應(yīng)小于1.5倍樁徑。

按照規(guī)范規(guī)定，當(dāng)采用直徑1.0 m以上的大直徑管樁而不采用斜樁時(shí)，承臺(tái)的尺寸將比鉆孔樁大，為滿足剛性角要求，承臺(tái)厚度也會(huì)增加。但當(dāng)邊樁采用斜樁布置以后，不僅可以增大剛度，承臺(tái)尺寸也會(huì)大幅變小。以直徑1.0 m樁為例，比較PHC管樁和鉆孔樁的承臺(tái)尺寸。

表5各墩承臺(tái)頂墩身截面尺寸為2.3 m×8.2 m圓端形，PHC邊樁縱向斜置。

表5 不同類別的樁基及布置形式匯總

由表5可知，當(dāng)采用大直徑管樁時(shí)，若全部采用直樁布置，為滿足樁間距及剛性角的要求，承臺(tái)必須加大、加厚。邊樁采用斜樁后，不僅有效減小了承臺(tái)尺寸，還增加了橋墩剛度及抵抗水平力和彎矩的能力。當(dāng)采用斜樁時(shí)，為了使群樁受力更合理，順橋向布置的樁的列數(shù)不宜小于3列，即最外側(cè)2列采用斜樁，中間采用直樁。

合理的樁基布置形式應(yīng)同時(shí)滿足充分發(fā)揮單樁承載力、滿足線剛度要求，盡量減小承臺(tái)尺寸和便于施工和檢測(cè)等要求。根據(jù)本文的分析，對(duì)于客運(yùn)專線鐵路推薦的管樁基礎(chǔ)布置原則如下：(1)墩高不高，線剛度不控制設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先采用8根，行列式布置，全部直樁；(2)當(dāng)采用8根樁承載力[20]滿足要求、線剛度不滿足要求時(shí)，采用梅花形布置，順橋向布置的最外2排6根樁采用斜樁，中間1排2根樁采用直樁；(3)墩高較高時(shí)，根據(jù)承載力要求選擇9～12根樁，9、12根樁行列式布置；10、11根梅花式布置。推薦順橋向布置的最外2列樁采用斜樁，中間樁采用直樁；(4)當(dāng)墩高繼續(xù)增加時(shí)增大樁徑。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，墩高較高時(shí)需采用斜樁才能滿足線剛度要求。

4 結(jié)論

根據(jù)上述對(duì)管樁剛度影響因素的計(jì)算分析，主要得出以下結(jié)論。

(1)增加樁間距、樁數(shù)、加大樁徑、采用斜樁和管樁填芯均可提高管樁基礎(chǔ)剛度，但基礎(chǔ)剛度控制時(shí)加大樁數(shù)和樁徑會(huì)增加工程量，經(jīng)濟(jì)性差。采用斜樁對(duì)縱向剛度提升較大，但考慮施工及檢測(cè)要求，斜率不宜采用較大，宜采用1/10～1/9。

(2)對(duì)管樁常用的樁數(shù)的布置形式進(jìn)行了總結(jié)，可根據(jù)墩高和剛度要求合理選擇管樁的基礎(chǔ)布置形式；當(dāng)基礎(chǔ)剛度不足時(shí)優(yōu)先采用加大樁距和設(shè)置斜樁的方法增大基礎(chǔ)剛度。