螺纹桩在宣绩高速铁路路基工程中的应用.pdf
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1、第 63 卷 第 7 期2023 年7 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.7July 2023文章编号:10031995(2023)07013404螺纹桩在宣绩高速铁路路基工程中的应用杨烨中国铁路设计集团有限公司,天津 300142摘要 以螺纹桩加固宣绩(宣城绩溪)高速铁路松软土路基段为背景,研发螺纹桩信息化施工系统并应用在螺纹桩工艺性试验中,分析螺纹桩复合地基加固效果。结果表明:通过螺纹桩信息化施工系统电流传感器反馈不同地层的钻杆电流值可以确保桩底进入持力层,可为该区域今后铁路工程的建设提供数据支持;对于较高压缩性的松软土地层,复合地基应力与应变关系具有明显
2、的非线性特征,用双曲线函数拟合沉降观测数据效果最佳。关键词 松软土路基;无砟轨道;螺纹桩;工艺性试验;工后沉降;堆载预压;沉降观测中图分类号 U213.1 文献标识码 A DOI:10.3969/j.issn.10031995.2023.07.26引用格式:杨烨.螺纹桩在宣绩高速铁路路基工程中的应用 J.铁道建筑,2023,63(7):134137.在我国高速铁路设计和施工中,经常采用桩网复合地基结构对松软土路基进行加固。传统复合地基桩网结构桩侧阻力来自桩与桩侧土体摩擦力,而螺纹桩复合地基桩网结构等效侧阻力来自桩与桩侧土体摩擦力和螺牙与土体的咬合力。螺纹桩具有单桩承载力和复合地基承载力高的特性
3、,在相同承载力要求下比普通桩节省材料30%以上1。孙文怀等2在石武客运专线螺纹桩加固软土地基的研究中发现,螺纹桩单桩承载力在黏性土等地层中具有优势,同时节约材料更加经济。蔡鹏3在南沿江铁路螺纹桩加固软土地基的研究中发现,螺纹桩充分挤密桩周土体,能充分发挥桩间土的承载能力。张博宇4发现应用在蒙华铁路的变截面挤密螺纹桩具有对土层适应性强、承载力高、环保效果好、工程造价低等优点,在重载铁路加固软土工程中应用前景十分广阔。宋玉昊5发现蒙华铁路开发的专用挤土钻具采用上宽下细的变截面螺纹桩加固软土减少了大面积浅部断桩的缺陷,提高了成桩质量。李红文等6发现螺纹桩施工过程中对土体扰动性低,材料利用率高,桩身质
4、量可靠,环保效果好。上述研究对于螺纹桩的高经济性、高承载能力、施工优势明显的特点进行了探索,但是对于螺纹桩施工工艺的研究甚少,尤其对于如何准确确定终桩条件,使桩底打到持力层等关键环节缺乏进一步研究。螺纹桩在高速铁路建设中大规模应用较少,其关键原因在于螺纹桩施工过程中无法复核施工图地层,导致无法准确判断桩底是否进入持力层。近年来随着路基智能建造技术的发展,螺纹桩信息化施工系统逐步成熟完善,螺纹桩具备在高速铁路建设中大规模应用的条件。本文依托宣绩高速铁路DK62+960 DK63+010、DK73+700 DK73+750、DK80+800 DK80+850三个代表性螺纹桩复合地基加固区段,结合螺
5、纹桩信息化施工系统在工艺性试验中的应用,分析螺纹桩复合地基加固效果。相关研究成果将有助于复合地基处理松软土路基工程的高效建设和螺纹桩在铁路工程的广泛推广。1 螺纹桩施工工艺 1.1工程概述DK62+960 DK63+010、DK73+700 DK73+750、DK80+800 DK80+850三个区段螺纹桩(图 1)采取正方形布置,桩径 0.5 m,间距 2.2 m,桩顶设置C35素混凝土桩帽,桩帽以上铺设0.5 m厚碎石垫层,垫层内夹铺一层高强度双向土工格栅,桩底进入细圆图1螺纹桩结构收稿日期:20230216;修回日期:20230417基金项目:中国铁路设计集团有限公司科技开发课题(202
6、2A02036002)作者简介:杨烨(1990 ),男,工程师,硕士。E-mail:第 7 期杨烨:螺纹桩在宣绩高速铁路路基工程中的应用砾土或粗圆砾土持力层不小于1.5 m,设计单桩承载力不小于 400 kN,复合地基承载力不小于 160 kPa。三个区段地层情况见表1。1.2工艺流程进场后对原地面进行清理和平整,施作临时排水设施。用全站仪放好螺纹桩点位并插木桩撒白灰标识。旋挤式螺纹桩机就位,保证场地整平压实,确保钻机不倾覆。旋转钻进成孔,将孔周边土体挤密钻至设计持力层。提升钻杆,反向回转,管内泵压送混合料。1.3工艺性试验大规模螺纹桩施工前须要进行工艺性试验,其目的在于确保设备、工艺、施工顺
7、序合理,确定拌和料配合比、坍落度、搅拌时间、拔管速度等各项工艺参数,保证成桩质量。为了确保正确和高效地获取各项工艺参数,螺纹桩机加装了信息化施工系统,如图2所示。通过天线监测钻机提钻时拔管速度以及钻进深度,通过倾角传感器确保桩身垂直度。在钻机钻进过程中,遇到不同的地层,通过电流传感器反馈不同的钻杆电流值,达到验证与复核勘察设计阶段地层的效果。终桩条件采用设计桩长和电流值双控,当地质条件不符时动态调整设计,确保螺纹桩底进入持力层不小于1.5 m。工艺参数获取后通过主控箱对数据进行汇总、处理后上传至铁路工程管理信息化平台实现实时监控管理。通过对三段工艺性试验段落不同地层对应的电流值的分析与总结,结
8、合现场地质钻芯取样,得出粉质黏土、粉土、粉砂、细圆砾土、粗圆砾土的电流参考值为50、40、20、180、190 A。当钻进电流值大于180 A时可认为桩底已进入持力层,同时钻进深度达到与设计桩长一致可作为终桩条件。螺纹桩信息化系统可为大规模桩基施工提供数据支持,同时不同地层对应钻进电流值可为该区域今后铁路工程的建设提供支持。2 螺纹桩复合地基沉降计算 工后沉降满足规范要求是检验螺纹桩复合地基加固效果的关键。在三个工艺性试验段分别选取DK63+000、DK73+700、DK80+820三处代表性沉降观测点进行工后沉降分析。按照TB 101062010 铁路工程地基处理技术规程 和TB 10001
9、2016 铁路路基设计规范 分别计算复合地基加固区沉降和下卧层沉降,沉降计算值相加乘以沉降经验修正系数即为复合地基总沉降7。本区松软土主要分布在宣城水阳江一级阶地,地形起伏较大,松软土发育,厚度主要在3 6 m。由第四系全新统冲洪积黏性土组成,局部夹薄层粉土、粉砂,工程地质条件差。地基处理选择下部工程地质条件较好的地层作为持力层。结合区域地质情况、地区沉降资料以及该区域商合杭铁路、合福铁路、杭黄铁路松软土地基处理情况,综合确定沉降经验修正系数取0.9。复合地基加固区沉降计算方法主要有应力修正法、桩身压缩量法、复合模量法,TB 101062010推荐使用复合模量法,即土体的压缩性通过复合压缩模量
10、来判断,最后用分层总和法计算复合地基加固区沉降量。TB 101062010 推 荐 下 卧 层 附 加 应 力 采 用Boussinesq法、应力扩散法进行计算,应力扩散法计算结果受扩散角选取的影响很大,因此下卧层的应力可以按照Boussinesq法求解。铁路路基类似条形基础,在条形荷载作用下,计算得到地基中心点下某深度处的附加应力后,再采用分层总和法计算下卧层沉降量,结果见表2。图2螺纹桩信息化施工系统表1工艺性试验段自上而下地层情况地层Q4al+pl粉质黏土Q4al+pl粉土Q4al+pl粉砂Q4al+pl细圆砾土Q4al+pl粗圆砾土泥质砂岩泥质砂岩厚度/m1 40.5 4.01 35
11、105 9地层特性硬塑 软塑松散 稍密松散 稍密稍密 中密稍密 中密强风化弱风化承载力/kPa120 16090120300400300400压缩模量/MPa81724354040岩土施工等级表2代表性沉降观测点沉降量计算值里程DK63+000DK73+700DK80+820设计桩长/m898持力层Q4al+pl粗圆砾土Q4al+pl粗圆砾土Q4al+pl细圆砾土加固区沉降/mm2.252.582.94下卧层沉降/mm3.613.853.68沉降经验修正系数0.90.90.9总沉降/mm5.275.795.96135铁道建筑第 63 卷施工期沉降随时间的变化分析有三种方法:TB 1010620
12、10 和 TB 100012016 推荐的基于分层总和法的计算分析;根据固结理论建立土体本构模型,采取数值计算分析;根据现场实测沉降数据采取函数拟合进行沉降数据分析。常用的拟合函数分析方法有Asaoka法、双曲线法、泊松曲线法、指数曲线法8。其中双曲线函数法对于具有较高压缩性的松软土地层尤为适用。分别用Asaoka法、双曲线法、泊松曲线法、指数曲线法对三处代表性沉降观测点实测路基沉降数据进行了拟合,结果发现用双曲线函数拟合沉降变形曲线得到的拟合效果最佳。3 路基变形观测 3.1堆载预压和沉降变形观测螺纹桩施工完成后开展路基本体自下而上分层填筑施工,分层填筑厚度0.3 m,基床底层以下填筑A、B
13、、C1、C2组填料,基床底层填筑A、B组填料。基床底层及以下部分填筑完成并满足压实系数和地基系数的要求后开展堆载预压施工,对路基进行变形观测的仪器和元器件在堆载预压土方施工前埋设完毕。堆载预压的目的是使大部分沉降在施工期发生,有效减少使用期间工后沉降的发生。预压土高度3 m,横向边坡坡度1 1。沉降观测板位于路堤中心处,沉降观测板底板埋设于路基基底,置于垫层顶部。沉降观测桩在一个横断面设置5个,基床底层施工完成后,预压土填筑前在基床底层顶面埋设2个沉降观测边桩。在路基施工期沉降稳定通过卸载评估后进行堆载预压土卸载,随后开展基床表层施工。其余3个沉降观测桩在基床表层施工完成后布置于基床表层顶面上
14、。堆载预压土及沉降观测布置见图3。3.2路基沉降变形观测数据分析堆载预压开始后进行路基沉降变形观测,观测期不少于6个月,须要经历一个雨季。DK63+000、DK73+700、DK80+820三处代表性沉降观测点所在路基工点分别于2021年11月、2021年12月、2022年2月开始施加预压荷载。路基沉降变形观测频次在堆载预压开始阶段1次/d,沉降变形突变时23次/d,堆载预压土填筑完成后第1 3个月观测频次1次/7 d,第4 6个月1次/14 d,6个月以后1次/30 d。本区段松软土地层具有较高压缩性,复合地基的应力与应变关系具有明显的非线性特征。DK63+000、DK73+700、DK80
15、+820 三处代表性沉降观测点现场实测沉降数据及拟合双曲线见图4。可知:三处路基沉降实测数据与拟合双曲线具有高度的相关性。DK63+000、DK80+820两处沉降过程中曲线波动幅度较平缓,未出现长时间连续下沉的现象。DK73+700处粉质黏土和粉土层厚达6 m。松软土层在受到荷载压缩过程中,由于土层较厚,土体渗透性较小,在路基本体填筑荷载和堆载预压荷载逐渐增加的过程中土体内自由水排出速率的增加幅度小于荷载的增加幅度。随着荷载的不断增加,自由水的排出速率突破临界值,导致土体沉降变形发生剧烈变化,沉降过程中实测数据波动幅度较大。DK63+000、DK73+700两处沉降数据趋向稳定状态,未出现异
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