铁路桥梁跟钻法管桩在砂性土中的合理构造分析

阮白一

( 中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070)

1 概述

近年来高速铁路在国内发展十分迅速，桥梁在铁路中所占比例不断提高，桩基在工程中的使用量达到前所未有的高度。在华东地区，部分桩基础占桥梁总投资可达25%以上。目前，铁路桩基预制化程度低，仍以钻孔桩为主，仅有小部分区段可采用预应力高强混凝土管桩(以下简称PHC管桩)。常用的打入法、静压法等PHC管桩工法受环境影响大、工效低、适用工程地质面窄等缺陷影响，难以在铁路项目中大范围推广[1-6]。

跟钻法[7-8]作为新型的预制管桩施工工法，具有环保、单桩承载力高等优点，并且在砂性土中具有较好的经济性，目前在部分工民建工程中已得到应用。研究铁路桥梁跟钻法管桩在砂性土的合理构造，能进一步提高其适用性及经济性，对跟钻法在铁路桥梁领域的推广具有重要意义。

本文研究具体思路为：(1)参考连镇铁路砂性土地质工点，利用GTS-NX软件建立跟钻法管桩实体模型，计算分析扩大头破坏界面及不同尺寸扩大头承载能力。(2)参考连镇铁路工点，分析在满足铁路规范及合理布桩的前提下，在常用墩高范围内，不同桩径、壁厚管桩的经济性及适用性。

2 跟钻法施工工艺

跟钻法是在钻机长螺杆的前端设置能打开的特殊钻头，并将钻杆插入PHC管桩中空部，边钻孔取土边将桩沉入土中。临近持力层时，通过油压阀打开钻头扩大翼，固定扩大钻翼后钻进，形成局部扩孔。在持力层中钻进一定深度后通过钻杆对底部注浆，并用扩大翼反复搅拌形成扩大球根，再将管桩插入球根内形成扩大头。扩大头包含桩周扩大头及桩底扩大头两部分。跟钻法工艺流程如图1所示。

注：D为管桩外径。图1 跟钻法工艺流程

3 连镇铁路砂性土工点情况

连镇铁路为新建速度250 km/h双线客运专线铁路，ZK活载。选取的砂性土工点位于五峰山长江特大桥北岸引桥，场地土层分布见表1，场地的静力触探曲线如图2所示。

表1 场地土层分布

图2 静力触探曲线

4 扩大头有限元计算分析

4.1 有限元模型

采用商业有限元软件GTS-NX，对不同尺寸扩大头在轴向力作用下受力情况进行分析。有限元模型中管桩桩长均为45 m，管桩型号均为φ800～φ130 mm，各编号扩大头尺寸如表2所示。

表2 扩大头编号及尺寸

注：D为管桩外径。

4.2 扩大头破坏界面

跟钻法管桩扩大头需将管桩所承受的荷载传递给接触的土体，所以扩大头存在两个较为重要的接触面：管桩与扩大头之间的固结界面及扩大头与土体之间的接触面。由于材料不同，承载力达到极限时，破坏会在这两个界面之一发生。

编号1尺寸扩大头在荷载Q=5 000 kN时的剪应力分布如图3、图4所示。根据应力分布结果，扩大头与土接触界面处竖向剪切应力τ1=45 kPa，扩大头与土接触界面容许剪应力[τ1]=66 kPa，管桩与扩大头界面竖向剪切应力τ2=28 kPa，容许剪应力[τ2]=461 kPa，有限元模拟结果显示，扩大头破坏更容易发生在扩大头与土接触界面上。

4.3 不同尺寸扩大头承载能力

跟钻法的扩大头部分能有效提高PHC管桩的单桩承载力，不同扩大头尺寸对管桩承载力影响不同[9-15]。在有限元模型中模拟桩基静载试验，可得不同编号扩大头管桩的Q-S曲线。按桩头沉降位移40 mm控制，编号1～5跟钻法管桩单桩承载能力分别为6 600、6 580、7 120、6 930 kN与7 390 kN。见图5。

图3 扩大头桩土界面竖向剪切应力

图4 扩大头与管桩接触面剪切应力

图5 管桩模型Q-S曲线

4.4 小结

Q-S曲线显示在荷载较小时扩大头尺寸对管桩沉降影响较小，此时荷载主要由桩身侧摩阻承担。当荷载逐渐加大，扩大头承受的荷载逐渐增加，扩大头尺寸对沉降的影响也逐渐明显。在同等情况下，增加扩大头直径可以明显提高单桩容许承载力，并减小沉降。但扩大头过大会导致钻头张开扩大翼及搅拌过程中需要机械提供较大的液压及动力驱动。因此，推荐扩大头尺寸采用1.2D～1.4D。同时，需结合地质及设计桩长确定扩大头的桩周长度。

5 跟钻法管桩合理桩径及壁厚比选

5.1 桩径比选范围及方法

目前国标图集中预制管桩桩基直径范围为0.3～1.2 m，考虑铁路桥梁受力特点，φ0.8 m以下管桩在铁路桥梁中缺乏适用性。同时考虑桩基尺寸标准化，本次仅对φ0.8 m、1.0 m、1.2 m桩径进行比选分析，不考虑φ0.9 m、1.1 m等铁路非常用桩径。

本文在满足桥梁刚度、承载力并且合理布桩的前提下，以跟钻法下部基础费用及单位线刚度所需费用作为比选指标，对不同桩径管桩在砂性土工点进行比选。比选结果如图6、图7所示。

图6 不同墩高下部基础费用曲线

图7 不同墩高下部基础单位线刚度所需费用曲线

5.2 桩径比选结果

对于墩高≤8 m，φ0.8 m桩径的管桩经济性较明显，φ1.2 m桩径的次之，但φ1.2 m桩径管桩根数较少，施工工期较短。

对于墩高9≤H≤11 m，φ1.2 m桩径的管桩经济性较明显，φ0.8 m桩径次之。

对于墩高12≤H≤16 m，φ0.8 m桩径的管桩经济性较明显，φ1.0 m的管桩次之，但φ1.0 m桩径管桩根数较少，施工工期较短。

5.3 管桩壁厚比选

国标图集中φ0.8 m及以上管桩通常具有两种壁厚供选择，如φ1.0 m桩径的管桩壁厚为110、130 mm两种，采用110 mm时下部结构纵向线刚度较采用130 mm时有一定的减小，减少约10%。铁路桥梁下部结构通常为刚度控制，铁路规范也对线刚度有严格的规定，采用小壁厚管桩对桥梁设计较为不利，对于部分墩高在相同布桩条件下，采用较小壁厚管桩将突破规范允许值(表3)，需增加桩数才能满足规范要求，缺乏经济性。推荐铁路管桩采用图集中较大壁厚型号。

表3 部分墩高下不同壁厚管桩刚度对比

6 结论

(1)通过有限元模拟对铁路跟钻法管桩在砂性土中的承载力进行了分析，根据数值模拟结果，跟钻法管桩扩大头能有效提高承载力，综合考虑后推荐扩大头尺寸采用1.2倍～1.4倍桩径。

(2)桩径壁厚经济性、适用性对比显示，φ0.8 m、φ1.0 m、φ1.2 m跟钻法管桩在不同墩高条件下有各自的适用性，同等桩径条件下选择较厚壁厚管桩更适用于铁路桥梁。