铁路桥梁管桩基础刚度及合理布桩形式研究

2021-10-14张池权宋子威

铁道标准设计 2021年11期

张池权,武兵,宋子威

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

管桩适合于软土地区施工[1]，与钻孔桩相比较，具有①产品工厂化预制生产，质量稳定可靠；②采用打入法施工，承载力高、经济性好；③施工方便、快捷，无需钢护筒和检测管等辅助材料；④施工过程中不产生泥浆、钻渣，生态环保等优点。在铁路桥梁中推广使用管桩，符合国家节能减排、低碳环保的要求和国家基础设施建设向绿色化、装配化和工业化发展的趋势[2-3]。

在我国铁路桥梁工程中，管桩以往在涵洞及框架桥的基础中应用较多[4-6]，采用的多为φ30 cm～φ80 cm中、小直径管桩；随着管桩经济和环保效能的日益突出，目前在长三角地区、珠三角等软土地区的铁路大中桥梁基础中应用逐渐增多[7-9]。已有对大中桥应用管桩基础的施工、检测、承载力以及管桩与承台连接的数值模拟和试验等研究较多[10-12]。

以某特大桥8φ1.0 m和10φ1.0 m两个桥墩桩基为例，进行了管桩与钻孔桩圬工量与刚度的比较，桩基承载力分别根据铁路规范中的钻孔桩和打入桩的计算公式计算，对比计算结果如表1所示。

表1 钻孔桩与管桩基础对比

由计算结果可知，配置8φ1.0 m和10φ1.0 m桩基的两个桥墩结果规律相似，预应力管桩均比钻孔桩面积小54.8%，桩长短30%，节约圬工量65%，经济性好[13]；由于管桩内部为空心，截面被大幅削弱，基础刚度也大幅减小，下部结构纵向刚度减小24%～31%，横向刚度减小30%～35%。由于列车运行对桥梁下部结构刚度要求较高，研究经济有效地提高管桩基础刚度的方法很有必要。

2 管桩基础刚度的影响因素

本文分别从拉大桩距、增加桩数、加大桩径、采用斜桩、不同斜率以及管桩填芯的角度，探讨其对管桩基础刚度的影响[14-15]。典型的8φ1 m和10φ1 m的管桩布置如图1所示。

图1 典型8φ1 m和10φ1 m管桩基础(单位：cm)

2.1 桩间距对刚度的影响

本次研究主要比较8φ1.0 m的管桩基础，梅花式布置形式(图1)，分析了桩间距对不同地质条件下两种桩长的下部结构刚度影响，如图2所示。

图2 桩间距对刚度的影响

由图2可知，桩长为34，39，44 m的管桩，桩间距为1.9 m时的基础纵桥向刚度分别为432,408,381.4 kN/m；管桩基础桩间距为2.1,2.3 m时,相比于管桩基础桩间距为1.9 m时的纵桥向刚度分别增长了11.11%和18.98%、10.54%和20.88%、9.28%和21.89%。可以发现，随着纵向桩间距的加大，桥墩纵向线刚度增加效果明显，加大桩间距是日常设计中最常用的增加基础整体刚度的手段。

2.2 桩数对刚度的影响

采用8φ1.0 m和10φ1.0 m管桩基础进行比较，桩基布置均采用梅花形布置(图1)，承台厚度均为2 m。

由表2可知，桥墩编号1号、2号、3号、4号、5号的10φ1.0 m管桩(直桩)相比于8φ1.0 m管桩(直桩)的纵向刚度增幅分别为45.3%、30.4%、36.2%、35.1%、35.6%；横向刚度增幅分别为23.8%、13.6%、11.5%、11.7%、15.3%。可以得到，通过增加桩数来提高桥墩刚度的效果明显。但增加桩数会显著提高圬工量，经济性差，可在加大桩距不能满足刚度要求的情况下选用。

表2 桩数对刚度的影响

2.3 桩径对刚度的影响

采用8φ0.6 m与8φ1.0 m管桩进行比较计算，桩基均采用梅花形布置,承台厚度均为2 m。

由表3可知，桥墩编号1号、2号、3号、4号、5号的8φ1.0 m管桩(直桩)相比于8φ0.6 m管桩(直桩)的纵向刚度增幅分别为135.8%、154.9%、180.0%、181.3%、177.8%；横向刚度增幅分别为124.1%、138.6%、166.5%、164.9%、161.1%。可以得到，通过加大桩径来提高桥墩刚度的效果显著。但加大桩径同增加桩的数量一样会显著增加工程造价，可在加大桩距和桩数不能满足刚度要求的情况下选用。

表3 桩径对刚度的影响

2.4 斜率对刚度的影响

本次研究主要比较管桩基础8根桩梅花形布置条件下，斜桩斜率的不同对基础刚度的影响[16-17]。不同桩长桩基桥梁纵向刚度随斜率变化如图3所示，基础尺寸如图4所示。

图3 不同桩长桩基桥梁纵向刚度随斜率变化

图4 斜桩基础布置(单位：cm)

从图3可以看出，纵向刚度随斜率的加大而加大。斜桩的斜率从1/10增到1/7时，桩长从34.5～44 m，纵向刚度分别增加了14.3%、15.0%、12.9%、12.6%、12.2%、11.5%、12.5%。可以看出，随斜率的增加纵向刚度增加明显，且桩长较短时斜率的影响效果更明显。但随着斜率增加，施工难度[18]和检测难度也会随之上升，因此斜率不宜过小。

2.5 管桩填芯对刚度影响

为了研究填芯混凝土对整体刚度的影响[19]，利用Midas软件建立有限元模型如图5所示，基于土弹簧法来模拟桩土相互作用，其线刚度按“m法”进行计算，分别建立填芯混凝土高度为0～5 m的11个管桩承台模型，对比其在水平力作用下的位移，分析上部填芯混凝土对刚度的影响变化规律。所建11个模型在水平力作用下的最大水平变形值详见表4。

图5 Midas模型

表4 填芯高度对桩顶水平位移的影响

从表4和图6可以看出，在水平力的作用下，结构的水平变形与填芯混凝土高度呈现出S形变化的规律，在0～2 m呈现出逐渐加快的下降趋势，2～3.5 m呈现出线性的下降趋势，3.5～5 m呈现出逐渐变缓的下降趋势。

图6 桩基水平位移随填芯高度变化

由图6可以看出，在填芯混凝土高度在3 m处的变化率是最快的，因此直径1.0 m的管桩内填芯混凝土高度可以取为3 m，这一结论与10G409《预应力混凝土管桩》图集的规定“管桩填芯混凝土的高度H≮3D”是吻合的。从计算数据可以看出，管桩填芯混凝土的高度H≮3D的情况下，填芯混凝土可提高单桩刚度10%左右。

3 管桩基础桩的合理布置形式研究

TB 10093—2017《铁路桥涵地基和基础设计规范》对桩的布置规定如下：打入桩的桩尖中心距不应小于3倍桩径。振动下沉于砂土内的桩，桩的中心距不应小于4倍桩径。桩尖爆扩桩的桩尖中心距应根据施工方法确定。上述各类桩在承台板底面处桩的中心距不应小于1.5倍桩径。

按照规范规定，当采用直径1.0 m以上的大直径管桩而不采用斜桩时，承台的尺寸将比钻孔桩大，为满足刚性角要求，承台厚度也会增加。但当边桩采用斜桩布置以后，不仅可以增大刚度，承台尺寸也会大幅变小。以直径1.0 m桩为例，比较PHC管桩和钻孔桩的承台尺寸。

表5各墩承台顶墩身截面尺寸为2.3 m×8.2 m圆端形，PHC边桩纵向斜置。

表5 不同类别的桩基及布置形式汇总

由表5可知，当采用大直径管桩时，若全部采用直桩布置，为满足桩间距及刚性角的要求，承台必须加大、加厚。边桩采用斜桩后，不仅有效减小了承台尺寸，还增加了桥墩刚度及抵抗水平力和弯矩的能力。当采用斜桩时，为了使群桩受力更合理，顺桥向布置的桩的列数不宜小于3列，即最外侧2列采用斜桩，中间采用直桩。

合理的桩基布置形式应同时满足充分发挥单桩承载力、满足线刚度要求，尽量减小承台尺寸和便于施工和检测等要求。根据本文的分析，对于客运专线铁路推荐的管桩基础布置原则如下：(1)墩高不高，线刚度不控制设计时，优先采用8根，行列式布置，全部直桩；(2)当采用8根桩承载力[20]满足要求、线刚度不满足要求时，采用梅花形布置，顺桥向布置的最外2排6根桩采用斜桩，中间1排2根桩采用直桩；(3)墩高较高时，根据承载力要求选择9～12根桩，9、12根桩行列式布置；10、11根梅花式布置。推荐顺桥向布置的最外2列桩采用斜桩，中间桩采用直桩；(4)当墩高继续增加时增大桩径。根据经验，墩高较高时需采用斜桩才能满足线刚度要求。