锚固桩的检算及施工

赵 凤

1 锚固桩在铁路既有线桥涵接长中的应用

随着铁路技术和经济的发展,既有的单线铁路和小半径区段已经不能满足经济的发展,电气化双线铁路和高速重载铁路已经成为主流,这样在对既有线路电气化改造和重载铁路改造中需要对既有的桥涵加长。路基大多数采用强风化的岩石碎块作为填料,路基强度高、刚度大,但土体粘聚力差,在高速重载列车运行时产生的强烈振感下,开挖暴露面如没有强有力的防护,路基本体极易坍塌,加之一般桥涵施工周期2周～4周,在此期间内,土体侧向变形一直在发展,对挡护结构一直在增加,而重载铁路的轨道下沉量不应大于2 mm,所以不允许防护结构发生位移或偏转。

锚固桩是工程中用来对有滑坡可能的高路堑进行预加固的一种方式,桩身锚入地面一定深度,在土压力的作用下,桩身悬臂端顶部只产生很小的水平位移,就有效遏止了土体变形的发展。桥涵接长中采用锚固桩也是将桩身锚入基底以下,桩身悬臂端承受路基土体侧向压力以及列车经过时产生的侧向压力。在计算土压力时,按主动土压力公式进行计算,主动土压是防护结构发生一定变形时的极限土压力;而锚固桩限制了土体侧向变形发展也就是减小了土的压力。

2 锚固桩的检算

2.1 原则及理论依据

锚固桩是将桩身锚入基底以下,桩身悬臂端承受路基土体侧向压力以及列车经过时产生的侧向压力。在计算土压力时,按主动土压力公式进行计算,主动土压是防护结构发生一定变形时的极限土压力;而锚固桩限制了土体侧向变形发展也就是减小了土的压力。锚固原则为锚入基底以下长度大于外露长度的0.85倍,按钢筋混凝土桩设计。在这里我们以大秦铁路某桥涵接长施工来举例说明锚固桩的检算过程,防护桩施工采用锚固式防护桩进行施工。在一般情况下,防护桩按φ 1.20 m的混凝土桩设置,混凝土强度C20,采用Ⅱ级钢筋。挖孔桩施工,C30钢筋混凝土护壁,绑扎钢筋后浇筑混凝土。

2.2 检算过程

2.2.1 防护桩Z1检算

本次按最大桩身外露5.8 m计算,具体布置及桩身长度见图1。

1)主动土压力计算:

φ=30,r=18 kN/m3。

Ea=1/2×r×ka×h2=0.5×18×[tan(45°-φ/2)]2×5.82=100.9 kN/m。

作用宽度取1.7 m,p=100.9×1.7=171.5 kN。

作用点距基底h/3。

弯矩 M1=171.5×5.8/3=331.6 kN◦m。

剪力Q1=171.5 kN。

2)列车活载产生侧向压力。

按中荷载计算(扩散按45°考虑,道碴厚度取35 cm,枕木长度2.6 m):

分布于路基上压力为:q=5×220÷[(2.6+0.35×2)×(6+2×0.35)]=49.8 kN/m2。

传递于桩身压力为k2a×q=16.4 kN/m2,考虑列车动力作用取15 kN/m2。

作用宽度取1.7 m,p=0.333 333×49.8×5.8×1.7=163.7 kN。

作用点距基底为h/2。

弯矩 M2=p×h/2=474.7 kN◦m。

剪力Q2=163.7 kN。

总弯矩 ∑M=M1+M2=806.3 kN◦m。

总剪力 ∑Q=Q1+Q2=335.2 kN。

3)配筋计算。

由于考虑施工方便,施工采用圆桩,计算时将桩身简化为100 cm×100 cm的桩身,保护层为3 cm,h0=970 mm。

系数 as=M/fcbh02=806 300 000/(9.6×1 000×9702)=0.089。

系数§=1-(1-2as)1/2=0.09。

配筋率ρ=§(fc/fy)=0.09×(9.6÷300)=0.002 8。

钢筋截面积 AS=ρ×b×h0=2 793.6 mm2,取 6φ 25,AS=2 943 mm2,间距8 cm,采用通长配筋。

远离线路一侧配置2根φ 14 mm钢筋,间距50 cm,两侧空余处布置12根φ 14 mm钢筋,间距20 cm。桩身抗剪计算:桩身抗剪能力:

混凝土抗剪满足要求。

按构造配筋φ 8@200 mm。

混凝土桩身与既有桥身间有40 cm空隙,为防止列车高速运行时边坡土体垮塌,采用15 cm厚钢筋混凝土予以封闭,钢筋锚入桩身内30 cm。

2.2.2 防护桩Z2检算

由于防护桩外露平均高度仅为2 m,土压力较小,列车活载侧向压力按45°扩散,桩身距活载分布边缘1.25 m,侧向压力高度为0.75 m。桩身锚入深度4 m,可按构造配筋,靠线路侧布置3根φ 14,远离线路侧为 2 根 φ 12。

3 锚固桩的施工

3.1 定位

定位时如地下线缆不能迁移时则对桩位进行调整,如调整度为5 cm左右,可不需重新检验。如调整量较大,则必须重新调整。

3.2 挖孔

按一般的挖孔桩进行开挖,开挖中对桩孔周边土体采用现浇混凝土进行护壁,护壁厚度10 cm,配筋为环形φ 8@200,竖向筋4φ 6不变,如线路中心距离小于 3 m,护壁应加厚 12 cm,配筋为φ 10@200竖向筋不变,护壁混凝土采用C20混凝土现场拌制,混凝土中加入早强剂。护壁浇筑后内模间加入十字木撑,以防止孔壁坍塌,水位线以下开挖时如渗水比较小,可采用机械排水,边挖边抽水,如渗水较大,可采用管井降水,将水位降至孔底以下。

3.3 桩身施工

桩身按锚固面处弯矩配置受弯钢筋。由于由锚固面至桩顶弯矩递减为0,所以桩身受弯钢筋采用部分钢筋分段配筋,以节省材料。桩身混凝土受剪一般情况下均满足要求,但为防止桩身混凝土浇筑时的意外情况及增强抗剪性能按φ 8@200构造配筋。

桩身钢筋采用地面加工焊接孔内绑扎,桩身混凝土采用拌合站混凝土,汽车泵导入孔内机械振捣密实。

3.4 桩间土防护

防护桩桩身间距净距50 cm～70 cm。由于桩身为圆形,夹制了桩后土体。浇筑桩身混凝土前,由桩身内伸出φ 14钢筋,该钢筋锚入桩身50 cm。浇筑桩身混凝土时必须将此钢筋剔除,清理干净,与桩身混凝土结合为一体。为提高桩间土稳定性,雨期采用防水材料,对桩间土进行覆盖,以防雨水浸泡土体。

4 安全监测

防护桩混凝土浇筑10 d后,方可开始开挖桥涵基坑,安全监察人员应经常对防护桩及防护桩路基进行监测并记录入本,现场需准备编织袋、方木、钢管等抢险物资,以满足应急之需。

5 结语

锚固桩的施工方法较多,这里仅介绍了挖孔桩的施工方法,而且根据地质和水文条件的不同,在施工方法和工艺选择上比较灵活。