软土地区250 km/h箱梁存梁台座设计方案研究

王 金 香

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308)

1 概述

盐通铁路南通西至张家港段工程位于江苏省南通市和张家港市境内，为设计速度250 km/h的高速铁路。线路北起在建沪通铁路南通西站，自南通西站两侧分别单线引出，合为双线桥后接入沪通铁路长江特大桥，从桥上双线接出并在接入张家港站前分为两单线两侧外包接入张家港高架站。

张家港制存梁场主要负责站前Ⅱ标DK173+972.014～DK191+269.484段长江特大桥南引桥梁预制箱梁的制备和存放。该梁场位于长江南岸，区域河网纵横，水系发达，场区地质属于软弱富水地层，因此梁场的设计则尤为复杂。在最优的梁场平面布置形式下，并保证梁场安全适用、经济合理，选择恰当的地基处理措施以满足承载力和沉降控制的要求则成为本工程的重点及难点。

本文针对双层900 t的箱梁存梁台座地基处理方案比选及论证，在软土地区采用预应力管桩加固措施施工效率高、处理效果好且较为经济，可为类似工程提供参照和借鉴。

2 工程地质概况

该梁场位于长江南岸，坑塘遍布，水系发达，地层主要为第四系全新统人工堆积层素填土，第四系全新统冲积层粉土，海陆交互沉积层粉砂、粉质黏土与粉土交互层、粉质黏土、淤泥质粉质黏土，第四系上更新统冲积粉砂、细砂。工程地质条件属深厚软土地层，地基压缩性较高，基本承载力普遍较低。自上而下主要地层物理力学指标见表1。

表1 主要地层物理力学指标

3 地基处理方案比选

张家港梁场作为大型临时工程，主要承担盐通高速铁路通张段站前Ⅱ标桥梁架设的预应力混凝土箱梁的制备、试验和存放的功能。在该区域软弱富水地层下，进行地基处理以满足梁场沉降控制要求则显得非常重要，初步考虑采用预应力管桩、钻孔灌注桩、CFG等刚性地基处理设计方案进行比选。

3.1 预应力管桩

预应力混凝土管桩可分为后张法预应力管桩和先张法预应力管桩。先张法预应力管桩是采用先张法预应力工艺和离心成型法制成的一种空心筒体细长混凝土预制构件，主要由圆筒形桩身、端头板和钢套箍等组成。预应力混凝土管桩代号为PC，PC桩的混凝土强度不得低于C60。主要适用于非抗震设计和抗震设防烈度6度～8度地区的工业与民用建筑等的低承台桩基础工程，可用于基础变形控制严格的软弱地基加固，不适用于含孤石或障碍物较多且不易清除的地基和桩端以上存在难以穿透坚硬地层的地基。施工时主要有柴油锤击打或静力压桩两种，柴油锤要根据承载力合理选用锤重和冲击能量，原则是重锤低击优于轻锤高击，轻锤高击容易打烂桩帽。打入式成桩主要控制有桩长和最后三阵贯入度或两者双控。静力压桩选用压桩重约为特征值的2.2倍～2.5倍，静力压桩比较直观，成桩后承载力比较有保证。

3.2 钻孔灌注桩

灌注桩系是指在工程现场通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中形成桩孔，并在其内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩，依照成孔方法不同，灌注桩又可分为沉管灌注桩、钻孔灌注桩和挖孔灌注桩等几类。处理深度及施工地质条件基本不受限制。

3.3 CFG桩

由水泥、粉煤灰和碎石或石屑形成的一种可变强度桩，与褥垫层形成一种刚性复合地基。可用于处理黏性土、粉土、砂土和自重固结的素填土等地基，不适用于淤泥地基。对淤泥质土、泥炭土及夹有块石或碎石、卵石层的地基，应按地区经验或通过现场试验确定其适用性。CFG桩处理地基后可以显著降低地基沉降，提高地基承载力。处理深度最大能达到25 m。施工主要有长螺旋钻孔成孔及沉管灌注成桩两种工艺，软土地基处理方式比较表见表2。

表2 软土地基处理方式比较表

课题组对250 km/h的预制箱梁双层存梁台座基础地基处理方案，按照安全可靠、经济合理的原则，综合考虑该工程的地质条件、施工工艺、工期要求、环境影响等因素，进行多方案比选，最终确定采用预应力管桩地基处理设计方案，张家港存梁场平面布置图见图1。

4 预应力管桩设计方案

4.1 存梁台座设计检算

4.1.1承载力计算

根据JGJ 94—2008建筑桩基技术规范,计算敞口预应力空心桩单桩竖向承载力标准值Quk。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)。

当hb/d<5时，λp=0.16hb/d；当hb/d≥5时，λp=0.8。

其中，qsik为桩的极限侧阻力标准值；qpk为桩极端端阻力标准值；Aj为空心桩端净面积；Ap1为空心桩敞口面积；hb为桩端进入持力层深度；d为桩外径。

存梁台座地基处理采用预应力管桩，桩径0.5 m，壁厚0.1 m，桩长31 m，单桩承载力特征值为1 100 kN。

两侧桩承台承受两个箱梁自重，则每端桩承台上部的荷载标准值为8 200×2/2=8 200 kN。

单侧承台自重为6×2.2×1.5×25=495 kN。

每根桩承受的荷载为(8 200+495)/8=1 086.9 kN<1 100 kN,满足要求。

4.1.2沉降计算

按照单桩沉降计算简化法，单桩沉降主要是由桩身材料压缩变形ΔC与桩底土层的压缩变形ΔK组成，即：S=ΔC+ΔK=NLEA+NCA,其中,N为作用于桩顶的竖向压力；E为桩身材料的受压弹性模量；L为桩的长度；C为桩底处土层的竖向抗力地基系数；A为桩的横截面面积。

按照旁边的桥梁钻孔地质资料进行计算，S=3.12 mm<10 mm,满足沉降要求。

4.2 设计方案

预应力管桩+承台组成的桩板结构是一种新型路基基础工程，在目前高速铁路设计中为保证路基工后沉降要求，该种结构体系得到了广泛应用，但在大临工程设计中采用的比较少。基于该场地地基差、软土分布比较深，为保证双层梁体存梁的稳定、沉降要求，在两侧端部设置预应力管桩(摩擦桩)+承台+支撑垫石的结构形式。其中预应力管桩采用10G409图集中PC-500-A-100,承台厚度1.5 m，垫石0.8 m高。存梁台座立面、平面布置详见图2。

4.3 成桩检测及运营开通效果

为了保证加固效果，根据设计要求，预应力管桩分别采用了静载荷试验对单桩承载力进行了检测。检测结果单桩承载力均能达到设计要求。

该梁场已于2019年10月取得生产许可，目前基本完成梁体的加设，施工质量良好。

5 结语

工程所处属海相沉积的软土地区，具有高含水量、高液限、高压缩性、孔隙率大、力学强度低的特点。文中综合比较了预应力混凝土管桩、CFG桩及钻孔灌注桩三种地基处理方式，从地质条件、施工工艺、工期要求、环境影响及工程经济性等因素进行综合比选后，采用的预应力混凝土管桩方案既安全可靠同时在造价上具有一定的优势，皆有施工工期短、施工质量易于控制，该项目采用的方案实施效果良好，目前已完成全面梁体施工加设。

预应力混凝土管桩在处理该类海相深厚软土且对沉降要求比较高的结构基础加固中较为合适。但对于夹有中厚层砾状地层时，存在施工难度大甚至需要增加引孔措施方可实施，具有一定的局限性，可考虑采用钻孔灌注桩方案。