大直径PHC管桩在连盐铁路中的设计与应用

凌青松(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京　102600)Design and Application of the PHC Tubular Pile with Large Diameteron the Lianyungang-Yancheng Railway LING Qingsong

大直径PHC管桩在连盐铁路中的设计与应用

凌青松(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600)Design and Application of the PHC Tubular Pile with Large Diameteron the Lianyungang-Yancheng Railway LING Qingsong

摘要以新建连盐铁路为工程背景，介绍大直径PHC管桩在设计速度为200 km/h客货共线铁路桥梁桩基中的首次大批量应用及设计方法。通过现场试桩试验，对该新型结构的单桩竖向承载力进行探讨并对相关设计参数进行验证、优化，可为今后类似工程条件下大直径PHC管桩应用推广提供可靠的工程经验。

关键词客货共线铁路PHC管桩试桩试验竖向承载力

1工程背景

新建铁路连云港至盐城线是我国规划沿海铁路运输通道的重要组成部分，也是实施江苏沿海开发国家战略的重要基础设施项目。始于连云港市赣榆县境内的赣榆北站，北接规划青连铁路，南接新长、宁启、沪通铁路，终于新长铁路盐城北站，沿途经过江苏省连云港市4个县及市区，盐城市5个县及市区，全线共设有12个车站。连盐铁路设计时速为200 km，以客运为主，兼顾货运。连盐铁路全线以高架桥梁为主，铁路正线长度234.03 km，其中，桥梁长度149.5 km，占线路63.8%。连盐铁路正线软土地基分布的段落长度合计183.5 km，占该段线路长度的77.5%，岩性为淤泥、淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土，深灰色，软塑—流塑，厚度0.5～19.0 m，主要表现为含水量高，高压缩量性，承载力低。松软土以下地层均为黏性土、粉沙、中粗沙，厚度分布达百米。全线软土地基分布广泛，厚度大、指标差，沉降和刚度指标为本线桥梁设计的控制因素。

2大直径PHC管桩设计

大直径PHC管桩作为一种新型基桩结构，具有桩身质量稳定可靠、耐施打、强度高、穿透能力强、施工迅速简便、节约工期等显著优点，正迅速而广泛地应用于软土地区铁路桥梁工程、港口、码头等工程领域，受到越来越多的设计人员和建设单位的青睐。《关于新建连云港至盐城铁路初步设计的批复》中涉及桥涵专业审批意见为：本线所经地区多为软土地基，结合地形地貌、地质情况等，可在适宜地段选用预应力混凝土管桩基础。

本线位于苏北沿海软土地区，地质情况较差，软弱土质覆盖层较厚，基岩埋藏较深。地质资料揭示0～20 m范围地层为人工填土、流塑淤泥质黏土、软塑黏土，20 m以下地层为硬塑黏性土、粉土、粉细砂，桥梁桩基类型较适合采用打入桩。结合地质情况、桥梁位置及村镇分布情况，部分段落距离既有等级道路较远(100 m以外)，附近无村庄、房屋建筑等设施，将该区段部分桥墩的桩基础设计采用大直径(φ1.0 m)管桩，共涉及盐河特大桥、新沂河特大桥、中山河特大桥部分简支梁桥墩基础。本工程设计的打入桩采用国家建筑标准设计图集(10G409)中的预应力高强混凝土管桩(PHC桩)，预应力管桩型号为PHC-AB1000(130)-b。其相关参数如下：管桩外径1.0 m，内径0.74 m，壁厚0.13 m，采用C80钢筋混凝土。混凝土有效预压应力6 MPa，抗裂弯矩检验值845 kN·m，桩身结构竖向承载力设计值8 900 kN；采用柴油锤或液压锤锤击法沉桩，桩身分段长度控制在17 m以内，根据设计情况需要厂家定制。桩身分段采用法兰焊接，焊接接头端板接头采用环氧树脂漆进行防腐处理；桩尖根据地质条件和设计要求采用开口型钢桩尖。

PHC管桩承载力计算参考《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)中混凝土空心桩的计算方法，考虑了桩端对承载力的贡献。根据地质情况，桩基均按摩擦桩设计，设计管桩群桩基础的桩尖中心距满足《铁路桥涵地基和基础设计规范》要求，按不小于3倍桩径控制，桩长按不超过55 m控制。管桩顶以下3 m范围浇筑混凝土，形成实体段并配置构造钢筋与承台连接。本工程设计管桩单根桩长37.5～49.5 m，桩底均置于硬塑黏性土及饱和中砂层中。

对φ1.0 m PHC管桩与φ1.0 m钻孔摩擦桩作经济比较，具体情况见表1。

计算结果表明，φ1.0 m打入桩比较适合于墩高小于9 m的桥墩基础，尤其适合6 m以下的桥墩基础。当墩高小于6 m时，打入桩的桩长较钻孔桩短10%～15%；当墩高6～9 m时，桩长相当。当墩身大于9 m时，由于大直径PHC管桩刚度较弱，导致基础纵横向刚度偏弱，由于打入桩桩尖中心距不小于3倍的桩径，若增加桩数将导致承台尺寸较大，承台需要加厚或加强配筋。从表1可以看出，PHC管桩造价每个基础较钻孔桩造价便宜6%～10%，经济效益显著。因此，在沿海软土地区桥梁桩基中使用PHC管桩具有明显的经济性。

3单桩竖向承载力计算

(1)参照国家《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)中有关规定，根据土的物理力学指标与承载力参数之间的经验关系，确定敞口预应力混凝土空心桩单桩竖向极限承载力标准值时，可按下式计算

(1)

式中u——桩身截面周长；

qsik——桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；

li——桩穿越第i层土的厚度；

qpk——极限端阻力标准值；

λp——桩端土塞效应系数，当hd/d<5时，λp=0.16hd/d，hd为桩端进入持力层深度；

d、d1——管桩外径、内径。

(2)参照《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB1002.5—2005)中有关规定，打入、震动下沉和桩尖爆扩桩的容许承载力计算公式为

(2)

式中，fi和R分别为桩周土的极限摩阻力和桩尖土的极限承载力。

综合上述《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)和《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB1002.5—2005)中的计算方法，大直径PHC管桩单桩竖向容许承载力的计算公式建议按下式进行计算

(3)

式中，fi和R分别为桩周土的极限摩阻力和桩尖土的极限承载力，可查阅《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB1002.5—2005)得到。

4试桩试验概况

以大直径(φ1.0 m)PHC管桩为主要试验研究对象，选择新建连盐铁路之中山河特大桥，根据主要地质分布情况及现场打入桩实际施工情况，选取沉桩锤击数较少的区段为打入桩试桩试验的工程位置，对3根桩径1.0 m钻孔灌注桩和3根桩径1.0 m打入桩进行单桩竖向静载试验(反力桩法)。静载试验反力由4根锚桩与反力架联合提供，试桩按《铁路工程基桩检测技术规程》(TB10218—2008)办理。根据选定位置的地质资料，按8 000 kN试桩极限荷载，根据上述计算公式，分别反算出钻孔桩、打入桩桩长。试桩、锚桩设计参数见表2。

试桩试验位置对应的地质柱状图见图1。

地质勘察报告揭示的地层状况及工程地质参数见表3。

5试验结果分析

单桩竖向抗压静载试验前、后，各试桩、锚桩桩身均未破坏。根据试验记录，本次单桩竖向抗压静载试验3根钻孔桩和3根PHC管桩中取得有效数据的试桩为S1～S5号，依据试验规范判定各试桩竖向极限承载力值。各试桩竖向极限承载力测试值汇总情况见表4。

根据《铁路工程基桩检测技术规程》(TB10218—2008)有关规定，同时考虑到铁路桥梁基桩受动载作用，且对沉降量的要求较高，对S1、S2号试桩取总沉降量s=40 mm时对应的荷载作为极限承载力。S3～S5号试桩在试验加载过程中均为达到极限。根据规范、规程有关规定，取最大试验荷载值作为试桩的竖向抗压极限承载力。

PHC管桩桩周土分层极限侧摩阻力及桩端土极限端阻力测试值见表5。

6结论

经对新建连盐铁路3根钻孔灌注桩和3根PHC管桩的试桩试验数据作综合判断分析，可得出以下结论：

(1)钻孔灌注桩S1～S3号试桩极限抗压承载力统计值为9 734 kN，PHC管桩S4～S5号试桩极限抗压承载力统计值为12 000 kN，均满足设计要求的8 000 kN。锤击法沉桩PHC管桩的单桩极限承载力，经28 d休止期后与初始状态相比，有显著提高。

(2)实测的桩侧摩阻力值与桩端阻力值均比勘察报告建议值(或推荐值)和规范值有较大幅度的提高。各土层单位极限侧摩阻力及桩端土极限端阻力测试值见表5所示，最大单位极限侧摩阻力出现在17.5～33.8 m土层。

(3)通过实测值与规范计算值对比可以看出，设计时采用的地质参数偏安全，因此设计计算值偏于保守。

基于大直径PHC管桩优良技术性能，本工程采用的大直径PHC管桩在苏北沿海软土地区铁路建设中尚属大批量首次应用并获得成功，体现了大直径PHC管桩旺盛的生命力。苏北地区铁路网建设后期将有连淮扬镇、徐宿淮盐以及盐海线等多条铁路项目，大直径PHC管桩可在今后类似铁路工程中应用推广，还需要在今后的设计与施工实践中不断探索、总结和积累成功经验。

参考文献

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[10]张立新，马广为.预应力管桩在软土地基中的应用[J].铁道勘察，2006(6)

中图分类号：U443.15

文献标识码：B

文章编号：1672-7479(2015)06-0074-04

作者简介：凌青松(1987—)，男，2013年毕业于华东交通大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士，工程师。

收稿日期：2015-11-02