鐵路橋梁跟鉆法管樁在砂性土中的合理構造分析

阮白一

( 中鐵上海設計院集團有限公司,上海 200070)

1 概述

近年來高速鐵路在國內發展十分迅速，橋梁在鐵路中所占比例不斷提高，樁基在工程中的使用量達到前所未有的高度。在華東地區，部分樁基礎占橋梁總投資可達25%以上。目前，鐵路樁基預制化程度低，仍以鉆孔樁為主，僅有小部分區段可采用預應力高強混凝土管樁(以下簡稱PHC管樁)。常用的打入法、靜壓法等PHC管樁工法受環境影響大、工效低、適用工程地質面窄等缺陷影響，難以在鐵路項目中大范圍推廣[1-6]。

跟鉆法[7-8]作為新型的預制管樁施工工法，具有環保、單樁承載力高等優點，并且在砂性土中具有較好的經濟性，目前在部分工民建工程中已得到應用。研究鐵路橋梁跟鉆法管樁在砂性土的合理構造，能進一步提高其適用性及經濟性，對跟鉆法在鐵路橋梁領域的推廣具有重要意義。

本文研究具體思路為：(1)參考連鎮鐵路砂性土地質工點，利用GTS-NX軟件建立跟鉆法管樁實體模型，計算分析擴大頭破壞界面及不同尺寸擴大頭承載能力。(2)參考連鎮鐵路工點，分析在滿足鐵路規范及合理布樁的前提下，在常用墩高范圍內，不同樁徑、壁厚管樁的經濟性及適用性。

2 跟鉆法施工工藝

跟鉆法是在鉆機長螺桿的前端設置能打開的特殊鉆頭，并將鉆桿插入PHC管樁中空部，邊鉆孔取土邊將樁沉入土中。臨近持力層時，通過油壓閥打開鉆頭擴大翼，固定擴大鉆翼后鉆進，形成局部擴孔。在持力層中鉆進一定深度后通過鉆桿對底部注漿，并用擴大翼反復攪拌形成擴大球根，再將管樁插入球根內形成擴大頭。擴大頭包含樁周擴大頭及樁底擴大頭兩部分。跟鉆法工藝流程如圖1所示。

注：D為管樁外徑。圖1 跟鉆法工藝流程

3 連鎮鐵路砂性土工點情況

連鎮鐵路為新建速度250 km/h雙線客運專線鐵路，ZK活載。選取的砂性土工點位于五峰山長江特大橋北岸引橋，場地土層分布見表1，場地的靜力觸探曲線如圖2所示。

表1 場地土層分布

圖2 靜力觸探曲線

4 擴大頭有限元計算分析

4.1 有限元模型

采用商業有限元軟件GTS-NX，對不同尺寸擴大頭在軸向力作用下受力情況進行分析。有限元模型中管樁樁長均為45 m，管樁型號均為φ800～φ130 mm，各編號擴大頭尺寸如表2所示。

表2 擴大頭編號及尺寸

注：D為管樁外徑。

4.2 擴大頭破壞界面

跟鉆法管樁擴大頭需將管樁所承受的荷載傳遞給接觸的土體，所以擴大頭存在兩個較為重要的接觸面：管樁與擴大頭之間的固結界面及擴大頭與土體之間的接觸面。由于材料不同，承載力達到極限時，破壞會在這兩個界面之一發生。

編號1尺寸擴大頭在荷載Q=5 000 kN時的剪應力分布如圖3、圖4所示。根據應力分布結果，擴大頭與土接觸界面處豎向剪切應力τ1=45 kPa，擴大頭與土接觸界面容許剪應力[τ1]=66 kPa，管樁與擴大頭界面豎向剪切應力τ2=28 kPa，容許剪應力[τ2]=461 kPa，有限元模擬結果顯示，擴大頭破壞更容易發生在擴大頭與土接觸界面上。

4.3 不同尺寸擴大頭承載能力

跟鉆法的擴大頭部分能有效提高PHC管樁的單樁承載力，不同擴大頭尺寸對管樁承載力影響不同[9-15]。在有限元模型中模擬樁基靜載試驗，可得不同編號擴大頭管樁的Q-S曲線。按樁頭沉降位移40 mm控制，編號1～5跟鉆法管樁單樁承載能力分別為6 600、6 580、7 120、6 930 kN與7 390 kN。見圖5。

圖3 擴大頭樁土界面豎向剪切應力

圖4 擴大頭與管樁接觸面剪切應力

圖5 管樁模型Q-S曲線

4.4 小結

Q-S曲線顯示在荷載較小時擴大頭尺寸對管樁沉降影響較小，此時荷載主要由樁身側摩阻承擔。當荷載逐漸加大，擴大頭承受的荷載逐漸增加，擴大頭尺寸對沉降的影響也逐漸明顯。在同等情況下，增加擴大頭直徑可以明顯提高單樁容許承載力，并減小沉降。但擴大頭過大會導致鉆頭張開擴大翼及攪拌過程中需要機械提供較大的液壓及動力驅動。因此，推薦擴大頭尺寸采用1.2D～1.4D。同時，需結合地質及設計樁長確定擴大頭的樁周長度。

5 跟鉆法管樁合理樁徑及壁厚比選

5.1 樁徑比選范圍及方法

目前國標圖集中預制管樁樁基直徑范圍為0.3～1.2 m，考慮鐵路橋梁受力特點，φ0.8 m以下管樁在鐵路橋梁中缺乏適用性。同時考慮樁基尺寸標準化，本次僅對φ0.8 m、1.0 m、1.2 m樁徑進行比選分析，不考慮φ0.9 m、1.1 m等鐵路非常用樁徑。

本文在滿足橋梁剛度、承載力并且合理布樁的前提下，以跟鉆法下部基礎費用及單位線剛度所需費用作為比選指標，對不同樁徑管樁在砂性土工點進行比選。比選結果如圖6、圖7所示。

圖6 不同墩高下部基礎費用曲線

圖7 不同墩高下部基礎單位線剛度所需費用曲線

5.2 樁徑比選結果

對于墩高≤8 m，φ0.8 m樁徑的管樁經濟性較明顯，φ1.2 m樁徑的次之，但φ1.2 m樁徑管樁根數較少，施工工期較短。

對于墩高9≤H≤11 m，φ1.2 m樁徑的管樁經濟性較明顯，φ0.8 m樁徑次之。

對于墩高12≤H≤16 m，φ0.8 m樁徑的管樁經濟性較明顯，φ1.0 m的管樁次之，但φ1.0 m樁徑管樁根數較少，施工工期較短。

5.3 管樁壁厚比選

國標圖集中φ0.8 m及以上管樁通常具有兩種壁厚供選擇，如φ1.0 m樁徑的管樁壁厚為110、130 mm兩種，采用110 mm時下部結構縱向線剛度較采用130 mm時有一定的減小，減少約10%。鐵路橋梁下部結構通常為剛度控制，鐵路規范也對線剛度有嚴格的規定，采用小壁厚管樁對橋梁設計較為不利，對于部分墩高在相同布樁條件下，采用較小壁厚管樁將突破規范允許值(表3)，需增加樁數才能滿足規范要求，缺乏經濟性。推薦鐵路管樁采用圖集中較大壁厚型號。

表3 部分墩高下不同壁厚管樁剛度對比

6 結論

(1)通過有限元模擬對鐵路跟鉆法管樁在砂性土中的承載力進行了分析，根據數值模擬結果，跟鉆法管樁擴大頭能有效提高承載力，綜合考慮后推薦擴大頭尺寸采用1.2倍～1.4倍樁徑。

(2)樁徑壁厚經濟性、適用性對比顯示，φ0.8 m、φ1.0 m、φ1.2 m跟鉆法管樁在不同墩高條件下有各自的適用性，同等樁徑條件下選擇較厚壁厚管樁更適用于鐵路橋梁。