十堰山林步道中小支墩结构钢轨桩的模型建立与分析

■谢贤铭

（厦门市市政工程设计院有限公司，厦门 361010）

钢轨桩属于微型桩的一种，是将旧钢轨放置在施工完毕的钻孔中，再浇筑混凝土或水泥砂浆充填钢轨与孔壁间的空间，使钢轨与混凝土或砂浆联成一体而形成的桩。 与大断面钢筋混凝土抗滑桩相比，钢轨桩具有施工工艺简单、速度快且轻便灵活便于施工、工程量小和投资省等优点，在滑坡推力不大、岩体较完整的岩质边坡滑坡防治工程中被广泛应用[1]。 同时由于桩径小、钻机机身轻便灵活、施工机械要求的距离小、对既有线的影响小，也常运用于开挖线距周边建筑物距离较近时的基坑支护或建筑地基加固中。 本文结合十堰市健康步道工程，对小支墩结构的钢轨桩基础进行研究，并探讨了钢轨桩设计及施工相关内容。

1 工程概况

十堰健康步道工程位于十堰市中心城区自然山体上，主线全长约4 km，建设内容包含贴地步道、高架步道、人行隧道、驿站及景观绿化等。 高架步道全宽3.6 m，净宽2.8 m，根据结构物的高低分别采用桥梁高架及小支墩高架两种结构形式，其中桥梁高架全长约2 300 m，小支墩高架全长约430 m。

山体上岩土层自上而下依次分布有素填土、坡积黏性土、强风化片岩、中风化片岩，其中：（1）素填土仅少量山体表面有分布，未经碾压或夯实，层厚0.1～0.3 m；（2）坡积黏性土间断分布于山体表面，主要成分为全风化片岩、少量黏性土及植被腐殖质组成，层厚0.5～1.2 m；（3）强风化片岩节理裂隙发育，层厚1.2～24.7 m，饱和单轴抗压强度平均值2.28 MPa，属极软岩；（4）中风化片岩裂隙较发育，裂面较新鲜，层顶埋深1.2～36.9 m，饱和单轴抗压强度平均值4.35 MPa，属极软岩；片岩易风化，遇水易软化。

2 工程重难点分析及对策措施

2.1 重难点分析

本项目建设地点处于山林中，路线多处于陡峭山体的斜坡上，纵横向地形变化较大，建设过程中存在以下重难点：（1）环保要求高。 现状山体植被茂密，施工过程中应最大程度地减少对现状山体及植被的破坏。 严格控制施工时产生的噪音、空气污染等，严格落实节能环保标准。 （2）施工条件差。 山地陡峭，施工场地狭窄，运输条件差，临时支架搭设困难，大型机械进场困难，无平坦的场地可供材料堆放使用。 （3）施工工期紧。 为减少对生态环境的影响，应尽量缩短施工时间。 （4）景观要求高。 项目处于市中心城区，步道建成后前往游玩的市民及游客较多，不仅要求结构物自身景观效果好，而且要求结构物与周边环境能较好地融合。

2.2 对策措施

对于低矮填方路段，采用路基放坡方式常存在收坡困难、大面积破坏现状坡面植物等问题，而采用挡墙形式将导致成段山体开挖、景观效果较差、挡墙稳定性较差等问题，经综合比较后设计采用小支墩结构进行跨越。 小支墩结构是一种施工简单、对环境影响较小、经济合理、景观效果较好的结构形式。 小支墩采用梁柱框架式结构，横向设置3 根立柱，立柱纵向间距为4 m，立柱顶部设置方钢纵、横梁以方便桥面铺装龙骨的搭设，横梁纵向间距2 m。

由于小支墩结构基础受力较小，设计时提出整体式扩大基础、分离式扩大基础、微型桩基础3 种方案进行比较。

2.2.1 整体式扩大基础

基底应力较小，适用于上部荷载较大或基底土层承载力较低的情况，工程造价适中，全结构估算造价约4 000 元/m2。 但基础工程量较大，在山体横向地面较陡时挖方较多， 对原位土体扰动较大，对山体环境影响最大，不适宜用在地质稳定性较差的地质条件，见图1。

图1 整体式扩大基础结构示意图

2.2.2 分离式扩大基础

基底应力较大，适用于上部荷载较小或基底土层承载力较高的情况，工程造价最低，全结构估算造价约3 800 元/m2。 可以根据山体坡度进行灵活布置，能有效减少山体的挖方，对原位土体扰动较小，对山体环境影响较小，但基础稳定性较差，见图2。

图2 分离式扩大基础结构示意图

2.2.3 微型桩基础

具有较强竖向及水平承载能力，稳定性较好，适合于各种地质情况，但工程造价最高，全结构估算造价约4 300 元/m2。钻机体积小、重量轻、机动性强，对施工场地及施工工作面的要求较小，施工速度快，对原位土体扰动小，对山体环境影响最小，见图3。

图3 微型桩基础结构示意图

2.2.4 基础方案比较

综合考虑对环境影响程度、施工难度、工期、景观效果及工程造价等因素，微型桩方案相对扩大基础方案优势明显。 因钢轨微型桩充分利用已有的钢轨材料， 具有较好的抗剪能力且施工工艺简单，在当地边坡治理及作为支挡结构基础上运用较多，施工技术较成熟，最终采用钢轨桩基础。

3 钢轨桩的设计参数及计算

3.1 钢轨桩设计情况及参数取值

本工程中，小支墩结构横向布置3 根直径为300 mm 的钢轨微型桩基础，桩基混凝土采用C30小石子混凝土，桩长均为4 m。 结合地质资料，最不利桩基础位置的岩土力学参数见表1。

表1 岩土物理力学参数

3.2 计算模型的建立

3.2.1 计算模型

小支墩结构仿真分析采用有限元分析软件Midas Civil 建立三维分析模型，见图4。 墩柱与主梁采用共节点连接，桩基底部固结。

图4 Midas 计算模型示意图

3.2.2 设计荷载

（1）结构自重：以自重荷载形式由程序自动计入，混凝土容重取25 kN/m3；（2）防护栏杆：护栏采用钢结构形式，单侧按q=1.2 kN/m 计入；（3）桥面铺装：采用钢格栅铺装，钢格栅自重为61 kg/m2；（4）人群荷载：5 kPa；（5）温度荷载：整体升降温均按20°；（6）不均匀沉降：按3 mm 考虑。

3.2.3 计算结果

在最不利荷载组合下，最大支反力标准值为118.1 kN，最大支反力设计值为135.3 kN。

3.3 单桩承载力计算

单桩承载力计算包含单桩竖向承载力计算及桩身受压承载力计算两部分内容，并分别与内力计算结果进行验算比较。

3.3.1 单桩竖向承载力计算

根据JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》[2]第5.3.9条，嵌岩桩竖向极限承载力由桩周土总极限侧阻力和嵌岩段总极限阻力组成， 即Quk=Qsk+Qrk， 其中：Qsk=u∑qsikli，Qrk=ζrfrkAp。 式中：u 为桩身周长；qsik为桩周第i 层土的极限侧阻力；li为桩周第i 层土的厚度；ζr为桩嵌岩段侧阻和端阻综合系数； frk为岩石饱和单轴抗压强度标准值；Ap为桩端面积。

Qsk=u∑qsikli=3.1416×0.3×（10×0.1+50×0.5+160×1.2）=205.5 kN

由于嵌岩深径比hr/d=1.2/0.3=4，中风化片岩属于极软岩，查规范表5.3.9 可得ζr=1.48，则Qrk=ζrfrkAp=1.48×4.35×103×3.1416×0.152=455.1 kN，Quk=Qsk+Qrk=205.5+455.1=660.6 kN，竖向承载力特征值，满足要求。

3.3.2 桩身受压承载力计算

参照JGJ 138-2016《组合结构设计规范》[3]第6.2.1 条，型钢混凝土构件受压承载力由混凝土受压承载力和型钢受压承载力组成，N≤0.9φ（fcAc+fa′Aa′）。式中：N 为桩顶轴向压力设计值；φ 为轴心受压稳定系数，φ=1.0； fc为混凝土轴心抗压强度设计值；Ac为混凝土截面面积； fa′为型钢抗压强度设计值；Aa′为型钢截面面积。 其中，Aa′=5 700 mm2，Ac=3.1416×1502-5700=64 986 mm2，Nu=0.9φ（fcAc+fa′Aa′）=0.9×1.0×（14.3×64986+215×5700)/1000=1939.3 kN＞135.3 kN，满足要求。

3.4 其他注意事项

对处于山体斜坡上的钢轨桩基础，当斜坡土体存在滑坡的可能时，桩基不仅要考虑上部结构所传递的荷载，还要考虑边坡下滑力的影响，此时桩基的破坏形式主要有[4]：（1）桩基长度不足，竖向承载力不够，桩基沉降过大；（2）桩基抗弯能力不足，在最大弯矩处被拉断；（3）桩基抗剪能力不足，桩身在滑动面处被剪断；（4）桩基埋深不足，嵌固深度太小或者有的甚至未过滑面导致微型桩锚固力不足从而使桩被推倒。 因此，桩基除了满足竖向承载力外，还应满足桩身正截面受弯承载力及斜截面受剪承载力的要求。 同时，桩基应按抗滑桩进行受力分析，并埋入滑动面以下的稳定基岩中一定深度，以满足抗滑稳定性的要求。

4 钢轨桩施工

4.1 施工工序

钢轨桩基础是一种新型的结构基础，有着施工工艺简单、对周边环境影响小等特点，成孔、混凝土灌注等施工工艺最终直接影响成桩质量，施工工艺与钻孔灌注桩基本相同，只是采用的设备和桩身灌注方式不同，其施工主要包含以下工序[5]：（1）施工准备：材料堆放及加工区进行选址、设备试运行、对全体操作人员开展技术交底。 （2）测量放样：先进行钻孔前定位，钻机开钻前自检自查合格后方可进行下道工序。 （3）钻机成孔：采用履带式液压潜孔钻机进行钻孔，按照设计桩径D 和桩长L，平稳、垂直钻孔，孔位偏差及垂直倾斜度均应满足相关要求。 钻机成孔施工情况见图5。 （4）清孔：采用大风量空压机送风到冲击器进行反复返冲，直至孔底沉渣达到要求。 （5）钢轨吊装及安装：钢轨安装时应注意垂直度及保护层，钢轨轨底应正对边坡推力方向进行放置。 （6）桩身混凝土灌注：由于桩径较小，桩身施工时应严格控制碎石的粒径，采用填碎石压浆法成桩，整个灌注过程应一次完成。

图5 钢轨桩钻孔施工

4.2 施工注意事项

（1）钢轨在焊接前应进行超声无损探伤检查和除锈、除油、校直。 钢轨接头处应做好等强连接，并在连接处补焊钢板，避免接头处强度不足产生破坏。（2）成孔过程中应控制钻孔垂直度，在终孔和清孔后检验孔位和孔深。 （3）填料前应将钻孔中积水抽干，钢轨吊装就位固定后，将压浆管插至孔底，采用孔底返浆的方式保证桩身混凝土密实度。 （4）施工期间应做好周边土体位移、沉降等监测。 （5）注重环保及生态保护，采取捕尘装置减少粉尘污染，尽可能保护天然植被，及时恢复被破坏的植被。

5 工程实施效果

由于小支墩结构采用的钢轨桩基础，施工速度快、需要的操作空间小、钻机轻、振动小，极大地减少了对现状山体环境的影响， 项目建设完成后，获得了主管部门与当地群众的一致好评。 建设完成后的小支墩结构见图6。

图6 小支墩结构场景

6 结语

钢轨桩基础具有单桩承载力高、 施工工艺简单、工期短、对环境影响小等优点，在施工条件复杂的山林步道结构物中具有明显优势。 目前已建的山林步道小型结构物中，扩大基础应用较多而钢轨桩基础则应用较少。 本研究通过钢轨桩在十堰山林步道的实施，验证了钢轨桩基础的良好适用性，为类似工程提供了一定的理论与实践参考，并希望此成功经验能推动钢轨桩在结构基础中的运用。