預應力管樁在高速鐵路深厚軟土地基處理中的應用

朱愛民

(上海鐵路局,上海 200070)

1 工程概述

近幾年我國高速鐵路迅猛發展,僅上海地區在建的高速客運專線鐵路就有：京滬高速鐵路、滬寧城際鐵路、滬杭客運專線鐵路等。與普速鐵路相比,高速鐵路對路基工后沉降控制提出了更高的要求。對無砟軌道鐵路的路基,在無砟軌道鋪設完成后的工后沉降應滿足扣件調整和線路豎曲線圓順的要求,工后沉降一般不應超過扣件允許的沉降調高量15 mm。

普速鐵路地基處理一般針對軟弱土地基,處理目的是保持地基穩定和減少地基沉降。通常采用排水固結法、復合地基法等措施,即可滿足工后沉降控制要求。對于高速鐵路,特別是深厚層軟土地基上的高速鐵路路基,這些處理措施難以滿足工后沉降控制要求,需要采用更加科學、有效的處理措施,一般均采用以樁基為主的地基處理措施。

2 上海地區預應力管樁路基處理主要形式

2.1 預應力管樁樁承式路堤

樁承式路堤由路堤填料、水平加筋體、樁(樁帽或樁梁)和地基土組成,是近年來在軟土地區高速鐵路路基應用較多的一種地基處理方法。樁帽和樁帽以下的土體以及樁體之間構成小的剛性單樁承臺,而樁帽頂部設置的加筋碎石墊層則形成一個大的柔性承臺(圖1)。其具有以下優點：路堤荷載通過樁向深層地基傳遞,因而路堤總沉降及工后沉降較小；樁和水平加筋體的共同作用使得路堤側向變形減小、穩定性提高；路堤穩定性高,無需分期填筑,可縮短施工工期。適用于有砟軌道鐵路地段,由于樁間土沉降的影響,在無砟軌道鐵路地段使用時,還需結合其他措施,如預壓等。

圖1 預應力管樁樁承式路堤橫斷面示意

2.2 預應力管樁樁筏基礎

即管樁+鋼筋混凝土筏板的整體結構(圖2)。其特點是路堤荷載全部由樁承擔,并直接傳遞到下臥層,沉降計算時僅考慮下臥層的沉降。與樁承式路堤相比,沉降控制作用更為明顯,可用于沉降控制更為嚴格的無砟軌道地段。

圖2 預應力管樁樁筏基礎橫斷面示意

3 京滬高速鐵路上海虹橋站預應力管樁應用情況

3.1 工點工程地質條件

京滬高速鐵路上海虹橋站DK1 300+800～DK1 301+620段地貌屬濱海平原地區,地勢低平,地表水系發育。區內地層均為第四系松散堆積層,總厚度在100 m以上,以第四系全新統及上更新統海積、沖海積黏性土及砂類土為主,屬典型的深厚層軟土地基。地基土分層物理力學指標見表1。

表1 虹橋站地層物理力學性質

3.2 工點設計方案

DK1 300+800～DK1 301+300段為無砟軌道地段,填高2.0～2.5 m,地基處理采用預應力管樁樁筏基礎結構形式。管樁混凝土強度等級C60,壁厚10 cm,直徑50 cm。樁長43 m,樁間距2.4 m，樁按正方形布置。筏板寬14.4 m,縱向節長11.98 m,厚0.5 m。

DK1 301+300～DK1 301+620段為有砟軌道地段,填高2.0～3.0 m,采用預應力管樁樁承式路堤結構形式。管樁混凝土強度等級C60,壁厚10 cm,直徑50 cm。樁長27.0～30.0 m,其中DK1 301+300～DK1 301+342段設無砟軌道與有砟軌道過渡段,樁長34～37 m。管樁樁間距2.4 m,樁按正方形布置。管樁樁頂設置C30混凝土現澆樁帽,尺寸為1.6 m×1.6 m×0.35 m,帽頂上設置0.6 m碎石墊層,并于其間鋪設一層土工格室。

4 管樁承載力及貫入度計算

4.1 承載力計算

管樁單樁豎向極限承載力,一般按下式計算,并驗算樁身材料強度

(1)

式中,Rk為單樁豎向極限承載力標準值；fsi為樁側第i層土的極限側阻力標準值；qc為極限端阻力標準值；s2為樁身橫截面面積；li為按土層劃分的各段樁長；u為樁身周邊長度。

4.2 貫入度計算

錘擊打入樁設計貫入度一般根據試樁成果按格氏公式計算

(2)

式中,e為打樁最后階段平均每錘的貫入度,cm；n為樁及樁墊材料系數,無樁墊時,n=0.5；ε為恢復系數,無樁帽時,ε2=0.25；Q為錘重,kN；q為樁、樁帽、樁錘的非沖擊部分重力，kN；H為落錘高度，cm；A為樁的橫截面積，cm2；m為安全系數。

5 管樁施工工藝及質量控制方法

5.1 管樁施工工藝

該段管樁采用錘擊法施工工藝,流程為：(1)場地平整,樁機就位；(2)錘擊打入第一節樁；(3)起吊第二節樁；(4)電焊接樁,檢查焊接質量和垂直度；(5)錘擊打入第二節樁；(6)重復打樁工藝,直至達到設計樁長；(7)移動樁機,進行下一根樁的施工；(8)質量檢測；(9)開挖樁帽土體,立模,現澆樁帽；(10)鋪筑碎石墊層及土工格室。

5.2 管樁施工質量控制要點

(1)接樁

采用焊接接樁，接頭個數不宜超過3個。樁頭宜高出地面0.5～1.0 m，樁頭處宜設導向箍便于就位,上下節樁應保持順直,中心偏差不宜大于2 mm。對接前上下端板表面應用鋼絲刷清理干凈,坡口處露出金屬光澤,對接后若接觸面不密實,可用不超過5 mm的鋼片嵌填,達到飽滿為止,并點焊牢固。

(2)收錘條件

根據設計及試樁確定收錘控制標準。本工點為摩擦樁,以樁底高程控制為主,同時參考根據試樁確定的貫入度。對樁端有好持力層的一般可通過最后十擊貫入度和最后1 m沉樁錘擊數等指標來確定是否收錘。

(3)截樁

沉樁到位后仍有一大截管樁外露時,應實施截樁。截樁采用專用切割機,邊切割邊澆水。嚴禁在管樁沒有完全切斷時采用大錘敲斷或樁機別斷。

(4)“浮樁現象”控制

管樁施工時因擠壓地下土層,軟土層形成超孔隙水壓力,產生擠土效應,使先打入的樁涌起,導致樁的整體承載力降低,這種現象簡稱“浮樁現象”,它是管樁工程應用時必須解決的問題。現場通過采用如下措施進行了有效控制。

①選擇合適的打樁順序,以減少后打樁擠土對先打樁的影響。主要有先內后外、先深后淺、采取跳打、對稱施打、分段均衡施工等措施。

②選擇適當的打樁速度,控制日入土樁量。每日打樁速度太快,日入土樁量太大,將造成土體剪切及固結時效未到,超孔隙水壓力未明顯減弱,土體應力未消散,加劇了擠土效應。

③采用土體卸壓措施。主要方法是打減壓孔,根據軟土層深度及厚度,隔一定距離打減壓孔(最有效的方式是采用螺旋桿鉆機取土成孔,否則土體經擾動后,反而使孔洞周圍土體的孔隙水壓力有所加大,造成不良的局面),以便能及時卸除壓樁擠土效應造成的土體壓力。

④加強排水,盡快使打樁引起的超孔隙水壓力消散,常用措施有井點降水、砂井排水和塑料排水板排水,也可采用挖溝降水和排水措施。

6 現場測試分析

6.1 載荷試驗分析

圖3為本工程43.0 m管樁典型載荷試驗相關曲線(加荷為設計荷載的2倍)。從圖中可以看出,管樁的Q-s曲線較平緩,未出現明顯拐點,s-lgt曲線也未出現斜率劇增的曲線,沉降量也很小,但是卸載后回彈量相對較大。統計表明12根30 m管樁最大沉降15.6～25.2 mm,回彈8.73～12.74 mm,回彈率46%～75.9%；4根43 m管樁最大沉降7.26～12.01 mm,回彈5.57～8.13 mm,回彈率54.3%～84.9%。43 m管樁與30 m管樁比較,沉降量小而回彈率大,設計43 m管樁為無砟軌道區段,樁端位于⑦1層,30 m管樁為有砟軌道區段,樁端位于⑤3層,說明設計采用措施合理。

載荷試驗總沉降均較小,說明管樁在設計荷載作用下產生的向下刺入變形量較小。

對2根試樁管樁進行了破壞性加載試驗,取破壞荷載的前一級荷載作為實測豎向極限承載力,與根據公式(1)計算的豎向極限承載力進行對比,見表2。

表2 計算和試驗承載力對照 kN

從承載力對比看,計算值與試驗值接近,結合載荷試驗沉降量綜合分析,計算值仍偏于保守。

6.2 沉降分析

表3為基床底層已經填筑到位的沉降觀測數據,無砟軌道地段沉降量11.07～20.47 mm,有砟軌道沉降量24.62～26.27 mm。

表3 沉降觀測匯總

通過采用曲線擬合法進行當前荷載作用下的后期沉降預測,并計算基床表層和二期恒載的沉降量。初步結果表明,43 m管樁樁筏基礎可滿足高速鐵路無砟軌道工后沉降控制要求,30 m管樁樁承式路堤可滿足高速鐵路有砟軌道工后沉降控制要求。

7 結語

(1)控制工后沉降變形不均勻或過大,是客運專線軌道鋪設的主要目標,因此對地基的加固、沉降觀測、沉降評估是客運專線建設成功的關鍵。

(2)采用預應力管樁對上海地區深厚層軟土地基進行處理,能夠有效地控制沉降量,有利于行車的高穩定性、高平順性、高舒適性。

(3)通過合理周期的路基沉降觀測證明：管樁樁筏基礎可滿足高速鐵路無砟軌道工后沉降控制要求,管樁樁承式路堤可滿足高速鐵路有砟軌道工后沉降控制要求。

[1]JGJ94—2008，建筑樁基技術規范[S].

[2]程志潮.淺談軟土地基靜壓預應力管樁的抗浮樁措施[J].福建建筑，2006(4)．

[3]賀學文，郭創科，辛曉輝.預應力管樁在軟土路基基底加固中的應用[J].鐵道標準設計，2008(4).