预应力管桩在高速铁路深厚软土地基处理中的应用

朱爱民

(上海铁路局,上海 200070)

1 工程概述

近几年我国高速铁路迅猛发展,仅上海地区在建的高速客运专线铁路就有：京沪高速铁路、沪宁城际铁路、沪杭客运专线铁路等。与普速铁路相比,高速铁路对路基工后沉降控制提出了更高的要求。对无砟轨道铁路的路基,在无砟轨道铺设完成后的工后沉降应满足扣件调整和线路竖曲线圆顺的要求,工后沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量15 mm。

普速铁路地基处理一般针对软弱土地基,处理目的是保持地基稳定和减少地基沉降。通常采用排水固结法、复合地基法等措施,即可满足工后沉降控制要求。对于高速铁路,特别是深厚层软土地基上的高速铁路路基,这些处理措施难以满足工后沉降控制要求,需要采用更加科学、有效的处理措施,一般均采用以桩基为主的地基处理措施。

2 上海地区预应力管桩路基处理主要形式

2.1 预应力管桩桩承式路堤

桩承式路堤由路堤填料、水平加筋体、桩(桩帽或桩梁)和地基土组成,是近年来在软土地区高速铁路路基应用较多的一种地基处理方法。桩帽和桩帽以下的土体以及桩体之间构成小的刚性单桩承台,而桩帽顶部设置的加筋碎石垫层则形成一个大的柔性承台(图1)。其具有以下优点：路堤荷载通过桩向深层地基传递,因而路堤总沉降及工后沉降较小；桩和水平加筋体的共同作用使得路堤侧向变形减小、稳定性提高；路堤稳定性高,无需分期填筑,可缩短施工工期。适用于有砟轨道铁路地段,由于桩间土沉降的影响,在无砟轨道铁路地段使用时,还需结合其他措施,如预压等。

图1 预应力管桩桩承式路堤横断面示意

2.2 预应力管桩桩筏基础

即管桩+钢筋混凝土筏板的整体结构(图2)。其特点是路堤荷载全部由桩承担,并直接传递到下卧层,沉降计算时仅考虑下卧层的沉降。与桩承式路堤相比,沉降控制作用更为明显,可用于沉降控制更为严格的无砟轨道地段。

图2 预应力管桩桩筏基础横断面示意

3 京沪高速铁路上海虹桥站预应力管桩应用情况

3.1 工点工程地质条件

京沪高速铁路上海虹桥站DK1 300+800～DK1 301+620段地貌属滨海平原地区,地势低平,地表水系发育。区内地层均为第四系松散堆积层,总厚度在100 m以上,以第四系全新统及上更新统海积、冲海积黏性土及砂类土为主,属典型的深厚层软土地基。地基土分层物理力学指标见表1。

表1 虹桥站地层物理力学性质

3.2 工点设计方案

DK1 300+800～DK1 301+300段为无砟轨道地段,填高2.0～2.5 m,地基处理采用预应力管桩桩筏基础结构形式。管桩混凝土强度等级C60,壁厚10 cm,直径50 cm。桩长43 m,桩间距2.4 m，桩按正方形布置。筏板宽14.4 m,纵向节长11.98 m,厚0.5 m。

DK1 301+300～DK1 301+620段为有砟轨道地段,填高2.0～3.0 m,采用预应力管桩桩承式路堤结构形式。管桩混凝土强度等级C60,壁厚10 cm,直径50 cm。桩长27.0～30.0 m,其中DK1 301+300～DK1 301+342段设无砟轨道与有砟轨道过渡段,桩长34～37 m。管桩桩间距2.4 m,桩按正方形布置。管桩桩顶设置C30混凝土现浇桩帽,尺寸为1.6 m×1.6 m×0.35 m,帽顶上设置0.6 m碎石垫层,并于其间铺设一层土工格室。

4 管桩承载力及贯入度计算

4.1 承载力计算

管桩单桩竖向极限承载力,一般按下式计算,并验算桩身材料强度

(1)

式中,Rk为单桩竖向极限承载力标准值；fsi为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；qc为极限端阻力标准值；s2为桩身横截面面积；li为按土层划分的各段桩长；u为桩身周边长度。

4.2 贯入度计算

锤击打入桩设计贯入度一般根据试桩成果按格氏公式计算

(2)

式中,e为打桩最后阶段平均每锤的贯入度,cm；n为桩及桩垫材料系数,无桩垫时,n=0.5；ε为恢复系数,无桩帽时,ε2=0.25；Q为锤重,kN；q为桩、桩帽、桩锤的非冲击部分重力，kN；H为落锤高度，cm；A为桩的横截面积，cm2；m为安全系数。

5 管桩施工工艺及质量控制方法

5.1 管桩施工工艺

该段管桩采用锤击法施工工艺,流程为：(1)场地平整,桩机就位；(2)锤击打入第一节桩；(3)起吊第二节桩；(4)电焊接桩,检查焊接质量和垂直度；(5)锤击打入第二节桩；(6)重复打桩工艺,直至达到设计桩长；(7)移动桩机,进行下一根桩的施工；(8)质量检测；(9)开挖桩帽土体,立模,现浇桩帽；(10)铺筑碎石垫层及土工格室。

5.2 管桩施工质量控制要点

(1)接桩

采用焊接接桩，接头个数不宜超过3个。桩头宜高出地面0.5～1.0 m，桩头处宜设导向箍便于就位,上下节桩应保持顺直,中心偏差不宜大于2 mm。对接前上下端板表面应用钢丝刷清理干净,坡口处露出金属光泽,对接后若接触面不密实,可用不超过5 mm的钢片嵌填,达到饱满为止,并点焊牢固。

(2)收锤条件

根据设计及试桩确定收锤控制标准。本工点为摩擦桩,以桩底高程控制为主,同时参考根据试桩确定的贯入度。对桩端有好持力层的一般可通过最后十击贯入度和最后1 m沉桩锤击数等指标来确定是否收锤。

(3)截桩

沉桩到位后仍有一大截管桩外露时,应实施截桩。截桩采用专用切割机,边切割边浇水。严禁在管桩没有完全切断时采用大锤敲断或桩机别断。

(4)“浮桩现象”控制

管桩施工时因挤压地下土层,软土层形成超孔隙水压力,产生挤土效应,使先打入的桩涌起,导致桩的整体承载力降低,这种现象简称“浮桩现象”,它是管桩工程应用时必须解决的问题。现场通过采用如下措施进行了有效控制。

①选择合适的打桩顺序,以减少后打桩挤土对先打桩的影响。主要有先内后外、先深后浅、采取跳打、对称施打、分段均衡施工等措施。

②选择适当的打桩速度,控制日入土桩量。每日打桩速度太快,日入土桩量太大,将造成土体剪切及固结时效未到,超孔隙水压力未明显减弱,土体应力未消散,加剧了挤土效应。

③采用土体卸压措施。主要方法是打减压孔,根据软土层深度及厚度,隔一定距离打减压孔(最有效的方式是采用螺旋杆钻机取土成孔,否则土体经扰动后,反而使孔洞周围土体的孔隙水压力有所加大,造成不良的局面),以便能及时卸除压桩挤土效应造成的土体压力。

④加强排水,尽快使打桩引起的超孔隙水压力消散,常用措施有井点降水、砂井排水和塑料排水板排水,也可采用挖沟降水和排水措施。

6 现场测试分析

6.1 载荷试验分析

图3为本工程43.0 m管桩典型载荷试验相关曲线(加荷为设计荷载的2倍)。从图中可以看出,管桩的Q-s曲线较平缓,未出现明显拐点,s-lgt曲线也未出现斜率剧增的曲线,沉降量也很小,但是卸载后回弹量相对较大。统计表明12根30 m管桩最大沉降15.6～25.2 mm,回弹8.73～12.74 mm,回弹率46%～75.9%；4根43 m管桩最大沉降7.26～12.01 mm,回弹5.57～8.13 mm,回弹率54.3%～84.9%。43 m管桩与30 m管桩比较,沉降量小而回弹率大,设计43 m管桩为无砟轨道区段,桩端位于⑦1层,30 m管桩为有砟轨道区段,桩端位于⑤3层,说明设计采用措施合理。

载荷试验总沉降均较小,说明管桩在设计荷载作用下产生的向下刺入变形量较小。

对2根试桩管桩进行了破坏性加载试验,取破坏荷载的前一级荷载作为实测竖向极限承载力,与根据公式(1)计算的竖向极限承载力进行对比,见表2。

表2 计算和试验承载力对照 kN

从承载力对比看,计算值与试验值接近,结合载荷试验沉降量综合分析,计算值仍偏于保守。

6.2 沉降分析

表3为基床底层已经填筑到位的沉降观测数据,无砟轨道地段沉降量11.07～20.47 mm,有砟轨道沉降量24.62～26.27 mm。

表3 沉降观测汇总

通过采用曲线拟合法进行当前荷载作用下的后期沉降预测,并计算基床表层和二期恒载的沉降量。初步结果表明,43 m管桩桩筏基础可满足高速铁路无砟轨道工后沉降控制要求,30 m管桩桩承式路堤可满足高速铁路有砟轨道工后沉降控制要求。

7 结语

(1)控制工后沉降变形不均匀或过大,是客运专线轨道铺设的主要目标,因此对地基的加固、沉降观测、沉降评估是客运专线建设成功的关键。

(2)采用预应力管桩对上海地区深厚层软土地基进行处理,能够有效地控制沉降量,有利于行车的高稳定性、高平顺性、高舒适性。

(3)通过合理周期的路基沉降观测证明：管桩桩筏基础可满足高速铁路无砟轨道工后沉降控制要求,管桩桩承式路堤可满足高速铁路有砟轨道工后沉降控制要求。

[1]JGJ94—2008，建筑桩基技术规范[S].

[2]程志潮.浅谈软土地基静压预应力管桩的抗浮桩措施[J].福建建筑，2006(4)．

[3]贺学文，郭创科，辛晓辉.预应力管桩在软土路基基底加固中的应用[J].铁道标准设计，2008(4).