沿海淤积地区铁路箱梁场制存梁台位基础设计及施工

张才刚

（中铁十四局集团第五工程有限公司，山东兖州272100）

1 工程概况

中铁十四局集团有限公司军马站制梁场设在沧州市沧县李天木回族自治乡军马站村南侧，主要承担石港城际铁路站前五标范围内848孔箱梁的预制、架设施工。

梁场设置梁区、存梁区、混凝土拌和站、钢筋加工区、办公生活区、装梁区共6个功能区。设置制梁台位13个，存梁台位169个（双层存梁），最大存梁能力338孔。箱梁采用中铁咨询设计图纸[2]，图号：通桥（2016）2229-Ⅰ，箱梁顶面宽度12.2 m，底面宽度5.3 m，高度2.628 m，重7 148 kN（714.8 t）。

梁场属暖温带半湿润大陆季风气候，四季分明，温度适中。春旱、夏涝、秋爽、冬干已成规律。常年降水量在550～700 mm，土壤最大冻结深度为0.70 m。

2 桩基设计参数

进场后，邀请地勘单位对梁场进行地质勘察，并出具勘察报告[1]。具体桩基设计参数见表1。

表1 桩基设计参数一览表

3 制梁台位基础设计及施工

制梁台座是预制箱梁的重要结构设施，制梁台座要求其地基不能产生大于2 mm的工后沉降，以此来确保预制箱梁的施工质量。箱梁预初张后箱梁起拱，重量集中在台位两端，根据地勘情况来看，原装地基不能满足承载力要求，台位地基须做加固处理以满足其承载力。加固方式有CFG桩基、混凝土预应力管桩、钻孔桩处理等方式，通过承载力计算、工程造价等多方面比选，选择一种合适的施工方案。

荷载取值：32 m箱梁重7 148 kN；模板重量450 kN；基础混凝土975 kN；其他荷载160 kN。

3.1 CFG桩

制梁台位基础采用桩基加板筏型基础，台位采用φ50 cm的CFG桩进行处理。CFG桩是一种低强度混凝土桩，可充分利用桩间土的承载力共同作用，并可将荷载传递到深层地基中，具有较好的技术性能和经济效果。一般用于处理黏性土、粉土、沙土和桩端具有相对硬土层、承载力标准值不低于70 kPa的淤泥质土、非欠固结人工填土等地基。在箱梁基础两端各3 m范围内各设置12根桩基，间距1.2 m，中间部位设置24根桩基，间距3 m，每个台位共设48根桩基，桩长25 m，桩身采用C20混凝土灌注。

台位基础为C30钢筋混凝土板筏形基础，桩基础深入整体基础10 cm，在基础底，柱桩周围设置厚100 cm的级配碎石褥垫层，控制基础的不均匀沉降；基础上部设3道地基梁，钢底模铺在地基梁上。

由GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》[2]5.2.2条，基础底面的压力可由式（1）确定：

式中，Pk为基础地面压力，kPa；Fk为荷载效应标准组合下，作用于承台顶面的竖向力，kN；Gk为桩基承台和承台上土自重标准值，kN；A为基础受力面积，m2。

代入数据得：Pk=223.92 kPa。

单桩承载力的确定：

计算依据：JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》[4]中公式5.3.3-1和地质勘探报告：

式中，Quk为混凝土预制桩单桩竖向承载力标准值，kN；μ为桩身周长，本项目μ=1.57 m；qsik为用静力触探比贯入阻力值估算的桩周第i层土的极限侧阻力；li为桩周第i层土的厚度（桩长总长为25 m），其中：

第1土层为素填土层，不计摩阻力，土层厚度L1=0.54 m；

第2土层为粉质黏土层，极限侧阻力标准值qsik=13 kPa，平均土层厚度L2=0.49 m；

第3土层为粉土夹粉砂层，极限侧阻力标准值qsik=12 kPa，平均土层厚度L3=1.43 m；

第4土层为淤泥质黏土，极限侧阻力标准值qsik=9 kPa，平均土层厚度L4=5.31 m；

第5土层为粉土夹粉砂，极限侧阻力标准值qsik=12kPa，平均土层厚度L5=6.26 m；

第6土层为粉砂夹粉土，极限侧阻力标准值qsik=15kPa，平均土层厚度L6=6.36 m；

第7土层为粉砂，极限侧阻力标准值qsik=21kPa，钻入土层厚度L7=1.61 m。

α为桩端阻力修正系数，取0.85；psk为桩端附近的静力触探比贯入阻力标准值，计算得1 500 kPa；Ap为桩端面积，0.196 m2。代入数据得：Quk=727.14 kN。

根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》[4]，桩体竖向承载力特征值按式（3）计算：

式中，K为安全系数，本项目取K=2。

代入数据得Ra=363.57 kN。

复合地基承载力fck根据JGJ 79—2012《建筑地基处理规范》中公式7.1.5-2计算：

式中，m为面积置换率，计算得0.121；Ra为桩体竖向承载力特征值，kN；λ为桩体破坏时的桩尖土强度发挥度，λ=0.8；fsk为天然地基土承载力标准值，kN。

代入数据得：fck=287.7 kPa＞Pk=223.92 kPa，满足要求。

3.2 混凝土预应力管桩

制梁台位基础采用桩基加板筏型基础，台位采用φ50 cm的混凝土预应力管桩进行处理，预应力管桩一般为采用先张法工艺[4]制作的预应力高强混凝土管桩（PHC桩）和预应力混凝土管桩（PC桩），主要用柴油锤击打或静力压桩两种方式压入地面，以增强地基承载力。因箱梁张拉后梁的中部有向上起拱，箱梁两端受力较大，在两端各3 m范围内各设置9根桩基，间距3 m，中间部位设置27根桩基间距3 m，每个台位共设45根桩基，桩长25 m。

单桩承载力的确定同样采用式（2），与CFG桩不同的是，混凝土预应力管桩的桩端附近的静力触探比贯入阻力标准值psk=1 900 kPa，代入数据得：Quk=1 064.5 kN，Ra=532.25 kN。

复合地基承载力采用式（4）计算，其中，面积置换率m计算得0.09，则代入数据计算得：复合地基承载力fck=309.92 kPa＞Pk=223.92 kPa，满足要求。

3.3 旋挖钻孔桩

制梁台位基础采用桩基加板筏型基础，台位采用φ150 cm的旋挖钻孔桩桩进行处理，旋挖钻孔桩属于桥梁施工中一种常用方式，一般适用于粉土、砂土、黏土、回填土及含有部分卵石、碎石的地层，采用旋挖钻机成孔，灌注钢筋混凝土成型，用以加强地基承载力。

本项目中，因箱梁张拉后梁的中部有向上起拱，箱梁两端受力较大，在两端各3 m范围内各设置2根桩基，间距3 m，中间部位设置6根桩基间距6 m，每个台位共设10根桩基，桩长30 m，桩身采用C25钢筋混凝土灌注。

计算单桩承载力时，依据地质勘探报告按式（2）计算，其中，μ=4.713 m；桩长总长为30 m；桩端附近的静力触探比贯入阻力标准值为1 500 kPa；桩端面积Ap=1.77 m2，代入数据得：Quk=5 562.104 kN。

桩体竖向承载力特征值Ra按式（3）计算，代入数据得：Ra=2 781.052 kN。

桩顶受力Nk的计算：

对于桩数少于4根的摩擦型桩和端承桩，不考虑承台效应，则：

式中，Fk为荷载效应标准组合下，作用于承台顶面的竖向力，kN；n为桩基中的桩数。

代入数据得：桩顶受力Nk=2 183.25 kN＜Ra=2 781.052 kN，满足要求。

4 存梁台位基础设计及施工

荷载取值：双层32 m箱梁重14 296 kN；基础混凝土1 086 kN。

4.1 CFG桩

32 m箱梁双层存梁台座：存梁台座按双层存梁设计，每个存梁台座采用30根直径为50 cm的CFG桩，每端15根，桩长30 m。

根据式（1）代入数据得：Pk=355 kPa。

单桩承载力根据式（2）计算求得，其中，桩身周长μ=1.57 m；桩长总长为30 m；桩端附近的静力触探比贯入阻力标准值为1 500 kPa；桩端面积Ap=0.196 m2。代入数据得：Quk=891.99 kN。

根据式（3）计算得：Ra=445.99 kN。

根据式（4）计算得复合地基承载力fspk=371.668 kPa＞Pk=355 kPa，满足要求。

4.2 混凝土预应力管桩

32 m箱梁双层存梁台座：存梁台座按双层存梁设计，每个存梁台座采用24根直径为50 cm的预应力桩，每端12根，桩长30 m。

桩端附近的静力触探比贯入阻力标准值psk=1 900 kPa；桩端面积Ap=0.196 m2；桩身周长μ=1.57 m；桩长总长为30 m；面积置换率m＝0.109。

则：Quk=1 261.15 kN；

根据式（3）代入数据得：Ra=630.57 kN。

复合地基承载力fck=414.82 kPa＞Pk=355 kPa，满足要求。

4.3 钻孔桩

32 m箱梁双层存梁台座：存梁台座按双层存梁设计，每个存梁台座采用6根直径为150 cm的旋挖钻孔桩，每端3根，桩长30 m，桩身周长μ=4.713 m，桩长总长为30 m，桩端阻力修正系数α=0.86，桩端附近的静力触探比贯入阻力标准值=1 500 kPa，桩端面积Ap=1.77 m2。

将数据代入式（2），得：Quk=5 5 62.104 kN。

根据式（3），得：Ra=2 781.052 kN。

桩顶受力对于桩数少于4根的摩擦型桩和端承桩，不考虑承台效应，

则：Nk=Fk/n=2 563.5 kN＜Ra=2 781.052 kN，满足要求。

5 经济比选

通过承载力计算可以看出：3种基础处理方式均能满足地基承载力的要求，为节约成本，再进行经济比选每个台位的造价对比见表2。

表2 1个台位造价对比表

经过比选，采用CFG桩基加固的方式不仅能满足基础承载力要求，并且造价较低，施工便捷，所以，本项目梁场选用CFG桩基进行地基加固处理。

6 沉降观测

施工后，对所有制存梁台位使用后进行沉降观测，数据详见表3，制存梁台座沉降数值符合规范要求。

表3 制存梁台位沉降观测表（每区取1组数据）

7 结语

高铁梁场的预制台座及存梁台座的设计和施工是稳定生产高铁箱梁的前提，通过不同方案的比对，从技术上和经济效益上寻找平衡点，存制梁台座施工完成后，经过梁场几个月来的使用情况看，此次设计和施工达到了最初设计的目的和效果，也系统地总结和探讨了沿海淤积地区铁路箱梁场的可行性，控制了施工成本，也为沿海冲积、淤积地区等地质情况较差的地区同类型施工提供了经验。