软路基下修建铁路桥梁摩擦桩的浅谈

　　摘要：基于软路基下修建汉宜铁路桥梁摩擦桩，针对其地质特性对混凝土原材料选择、施工工艺、混凝土配合比进行优化等方面作综合性阐述。
　　关键词：软路基；摩擦桩；灌注混凝土；防水
　　
　　1.引言
　　1.1江汉平原软路基特性
　　在软土路基上修建铁路是铁路路基工程三大技术难题之一。新修汉宜铁路有部分是在汉江冲积平原软土路基上,它与青藏铁路冻土和江南高速铁路软弱基础不同。汉宜铁路位于汉江沿线的湖北天门、仙桃等市，这一路段的软基最浅的有20多米，最深的达30多米，建设单位和设计单位考虑到这一地段的复杂地质，相继采用旋喷桩、水泥搅拌桩、多向水泥搅拌桩、水泥粉煤灰碎石桩（亦称CFG桩）、预应力管桩和插塑板等施工方法，增加软基础的承载力，确保汉宜铁路客运专线的工程质量和运营安全。
　　软路基中含有软弱土层，并且有大量地下水，在此种地质下修建铁路桥梁桩基一般采用钻孔摩擦灌注桩。与预制桩相比具有成本低、施工方便、灵活、无噪音、无振动、少挤土现象等特点；并且钻孔灌注柱适应性强，不受地下水位高低影响，桩的长度、直径、型式可根据需要施工，静承载力大。
　　1.2摩擦桩
　　所谓摩擦桩是指桩顶垂直荷载只由桩侧摩阻力承受，在一定深度内不存在坚硬土层（如软路基）,这种桩靠桩周摩阻力来传递上部荷载。摩擦桩如果桩穿过并支撑在各种压缩土层时，主要依靠桩侧土的摩阻力支撑垂直荷载。在极限承载力状态下，桩顶荷载由桩侧阻力承受的桩。桩尖部分承受的荷载很小，一般不超过10%。如打在饱和软粘土地基，在数十米深度内均无坚硬的桩尖持力层。这类桩基的沉降较大。
　　摩擦桩基础以其承载力高、稳定性好、沉降量小的特性，在建筑工程中广泛应用。在桥梁设计中，如何选择合理的桩基础形式，对于保证安全，节约投资、降低造价有举足轻重的作用。钻孔灌注桩适应各种土层条件下施工，灌注桩基础与预制桩及其他基础相比，可不受地层限制，能大量节约钢材和劳动力，基本不用木材。
　　2.摩擦桩设计分析
　　2.1桩顶轴向荷载与沉降
　　软路基由于其土质层特性，在摩擦桩设计时，必然要考虑其桩顶轴向荷载与沉降的研究，然后对先前设计进行修正，从而使这种桩基在此种路况下更为稳定，使工程更为稳固、安全，同时在一定程度上降低工程成本。
　　在桩基工程的设计和施工中，静载实验法是确定桩轴向承载力的基本方法之一，该法比较符合实际情况，结果较可靠，但需消耗较多的财力人力资源和时间，因此一般只在大型、重要工程或地质交复杂的桩基工程中采用。但可使用非线性弹性材料的盈利应变关系和能量方法（余能公式），推导出桩顶轴向荷载Q与沉降S的数学模型，可以为软路基摩擦桩设计及施工提供简便的理论工具；该模型反映桩周土层的物理力学指标及状体参数，桩顶轴向力Q与桩顶沉降S的互动关系；在实际应用时，仅用勘测资料中的桩周土层物理力学指标，桩体混凝土设计强度及几何参数就可通过计算模型得出Q-S关系，可少做静载实验，降低工程成本。
　　因此，在软路基下修建汉宜铁路桥梁摩擦桩时，不妨可采用静载法及Q-S模型法对桩基设计修正，以降低工程成本。
　　2.2摩擦桩内力影响分析及设计原则
　　影响桩的内力因素有：土体性质、桩身混凝土强度、桩的截面尺寸、入土深度、桩顶荷载大小等。
　　目前，桩基普遍采用文克尔假定，通过求解绕曲微分方程，结合力的平衡条件，计算桩基各部位的内力和位移，该方法称为弹性地基梁法。我国公路、铁路在桩基础的设计中常用的“m”法就属此法。
　　运用此法，并通过对土体性质、桩的入土深度影响分析，设计时应先选定持力层，由于江汉平原软路基，因此持力层厚度应较大，保证桩底进入持力层的深度宜为桩身直径的一到三倍后，再修正桩直径。
　　桩身混凝土强度，对受力影响不大，因此在保证桩身强度前提下，可尽量选择强度小的混凝土以节约成本。
　　摩擦桩承载力相同时，即桩的表面积相同，决定了桩直径与桩长的乘积相同时，桩径与桩长的如何选取时，采用宜长不宜短、宜细不易粗的原则，即为桩的截面尺寸，优先选用长细的桩。
　　2.3摩擦桩施工方法
　　杆斜率严格控制在一定范围内，以保证造孔垂直偏差不超过一定水平。定时桩柱施工程序：平整场地——桩孔定位——钻机造孔——钢筋笼下放——安装导管——桩基混凝土浇筑——提出导管——桩侧土方扩孔——混凝土凿毛接桩——焊接钢筋——柱梁支模——柱梁混凝土浇筑——模板拆除——混凝土养生。
　　钻孔灌注桩施工由稳钻、成孔、安防钢筋笼及导管下放、投放粗骨料、砂浆捣固密实等五道工序和水泥制备、钢筋笼制作二道辅助工序组成。可采取反循环钻机钻孔，并采用导管进行水下混凝土浇筑，然后再浇筑混凝土柱梁的施工工艺。
　　成桩机理：成孔时的水柱在导管提升管具同时，被不断注入孔底的混凝土置换出，由于孔内有混凝土的自重，因而能顺利成孔、成桩。
　　平整场地后，对桩孔进行定位，然后稳钻成孔。桩位测放合格后，钻机就位，首先调整钻杆垂直度，使钻杆垂直对准桩位中心，铺设枕木，使钻机支撑稳固；可采用镶嵌水准泡法、水平管法和吊垂线法进行控制，钻检查钻头叶片磨损情况及时修补，保证桩径。
　　混凝土浇筑：为防止混凝土发生离析，采用带漏斗的导管下放混凝土。事先导管上部的漏斗内有活塞。主要施工参数有：混凝土坍落度、混凝土强度标号、骨料粒径、级配，水泥强度等级、水灰比等。导管靠其自重上下提落，以来捣固，而来上移；边注混凝土，边提升导管，确保导管下边端点始终埋在混凝土中不少于1m；当混凝土面达到孔口时停止灌注混凝土，将孔口周围残土清理干净，提出导管。另一方面，由于拌合砂浆的扩渗、挤压和胶凝的作用，桩端阻力和桩侧阻力有较大的提高，在较弱土层桩身还有局部扩径现象，杜绝了断桩、缩径、孔底虚土等问题，大幅度提高了承载力。
　　提管高度：必须掌握好混凝土在井孔中上升高度，根据井径和管径差计算每次提升管高度，保证管底不脱离砼层，防止“冒桩”。每次提管高度可按下式计算：h=4V/（пD2）。
　　2.4施工注意问题
　　1、设计时须考虑该软路基地质结构，因为不同土层对桩基的剪切力是不一样的，应该准确计算摩擦力，避免造成桩柱上拔，并考虑冬季冻胀力的影响，准确计算受力，防止产生冻拔现象。
　　2、混凝土在浇筑过程中，需安放导管，由于地基土层结构不同或水压力过大，可能出现孔壁塌方或流砂现象或混凝土离析断桩，使其摩擦力达不到设计要求。对导管的基本要求是通过砼的能力满足施工要求，联接要直，接头出密封可靠，不漏水，不漏气。首批砼存储量应使首批灌注下去的砼能满足导管初次埋置深度的需要。
　　3、充分考虑配筋。桩基配筋如满足不了抗拉要求，在切向力的作用下，容易产生断桩现象；应避免配筋长度不足或在同一截面上接筋，以满足抗拉、抗剪强度要求。并且为防止坍孔，撤出钻机后应立即下钢筋笼与导管，因此必须预先制好钢筋笼待用。
　　4、注意水流冲刷，冲刷严重造成桩基实际入土深度缩短，是阻拔减小，桩基上拔。
　　5、在进行混凝土浇筑时，须一次性浇筑成功，中途不可停歇，以免造成混凝土桩基结构不密实、不均匀。
　　6、特别注意的是：由于该工程处于江汉平原软路基下，钻孔灌注桩超灌量会时常发生。产生超灌量的原因主要是由于孔内有一定程度扩孔，此时有一部分砼浆扩散到软土中去，为保证施工质量，发现超灌量应按正规浇筑继续灌注，知道灌满为止。
　　3.桩身混凝土
　　3.1桩身混凝土
　　水泥混凝土具有较强的耐蚀性，对于特殊地质条件的桩基，可以采用特种水泥，掺加抗蚀外加剂解决，为防止钢筋的锈蚀，钢筋保护层一般较厚。
　　就地灌注桩都采用水下混凝土施工工艺，由于首批灌注的混凝土，始终处在后灌各批混凝土之顶层，并与水或泥浆接触，成为后灌混凝土之隔离保护层。因此，首批混凝土应保持必要的塑性，在灌注中不可初凝。水下混凝土应优先采用初凝时间长的水泥，应掺缓凝剂，并应尽可能压缩灌注时间。在灌注后期，由于灌注深度减小，顶托力减小，导致桩顶混凝土并非后灌混凝土顶升所致，而是后灌混凝土与首批混凝土混合而成，因搜皮混凝土污染严重，夹有大量泥沙、杂质，强度低，这样，桩头混凝土质量便很难达到设计要求。因此最后一批混凝土灌注时，要适当增加数量，应使接桩位置20cm以上为后灌混凝土。灌注完成后，立即将表层浮浆及首批混凝土大部分清除掉，接桩时，必须要凿到质量好的混凝土层，并接好桩头。
　　施工时，采用集中拌和、运料车灌注混凝土，要注意混凝土的和易性，拆管时应上下捣动，以防混凝土离析。冒雨灌注水下混凝土，雨水顺储料斗及导管内壁流入混凝土内，稀释部分混凝土，因此雨天施工，要采取防护措施。
　　由于灌注柱无法振捣,完全依靠混凝土的重力自密实,因此,灌注柱混凝土的配合比要用比设计强度高20%左右，坍落度易采用18-22cm，宜采用中砂，砂率应控制在37%-40%，使混凝土有良好的和易性、流动性、便于浇注。
　　另外要考虑混凝土自身的防水性能，该桩身混凝土结构处于地下复杂环境，长期承受地下水的各种作用。由于混凝土是一种非均质材料,从微观结构上看属于多孔体,其内部有许多大小不同的微细孔隙,水的渗透就是通过这些孔隙和裂缝进行的。防水混凝土是依据提高混凝土本身的憎水性和密实度来达到防水要求的,因此,如何正确选择配合比来增加混凝土的密实性,隔断渗水通道,是确保防水混凝土结构抗渗及抗压强度的重要因素。
　　3.2混凝土配合比优化设计
　　配合比设计主要采取以下措施：
　　1） 选择质量优良的原材料：
　　（1）水泥:采用大型水泥生产企业生产的P.O42.5水泥,要求产品质量性能稳定,水泥有足够的富余强度,凝结时间和安全性满足国家标准。
　　（2）骨料：骨料的自身质量及良好的级配比例对混凝土工程结构本身有十分显著的影响。含泥量和泥块含量如果不严格控制,将严重影响混凝土的强度与流动性能,同时硬化混凝土也将产生开裂等现象。石子粒径越大可相应地节约水泥的用量,但石子粒径太大,不仅会影响施工的拌和,而且容易使砂浆与石子界面产生较大的裂缝,这也就形成了混凝土内部的最薄弱环节因此,石子的粒径不宜选择过大。
　　(3)高效减水剂:高效减水剂的质量是配制灌注柱混凝土最重要的材料之一。如果高效减水剂与水泥的相容性较差,配制出来的混凝土就会产生离析、泌水等现象,因此,选择高效减水剂,除了考虑杂质含量、减水率的高低外,还要在实验室进行大量的试验,确定其与水泥的相容性问题。
　　(4)矿物掺合料:在配制混凝土灌注柱时,一定要考虑掺一些矿物掺合料,取代部分水泥。一是可以降低生产混凝土的成本,二是可以降低混凝土内部的温升,减少混凝土的开裂,提高混凝土的耐久性,三是可以改善新拌混凝土的和易性,不至于新拌混凝土出现离析、泌水等现象。
　　以上所有材料的质量必须达到铁建设[2005]160号《铁路混凝土工程程质量验收补充标准》和铁建设[2005]157号《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》要求。
　　2） 严格控制水灰比
　　水灰比是直接影响防水混凝土结构强度和密实度的重要因素。从理论上讲,在满足水泥完全水化及润湿砂石所需水量的前提下,水灰比越小,混凝土的密实度越大,抗渗性及强度也越高。但水灰比过小会影响砼的和易性,给施工造成困难,同时也会降低砼的质量。水灰比过大时,富余水量过多,混凝土在施工时越容易产生泌水等现象。
　　3） 合理选择砂率
　　砂率表明每立方米混凝土中水泥砂浆的体积。灌注柱混凝土的砂率一般控制在38%~40%为宜。因为水泥砂浆不仅起粘结填充作用,还要形成一定厚度的砂浆保护层。这层砂浆保护层包裹在粗骨料的表面并使这些粗骨料颗粒之间相互离开一定距离。这样,一方面使混凝土达到了最大密实度,另一方面又能切断混凝土内部的毛细管道,从而提高了混凝土的抗渗性等耐久性能。
　　4.结语
　　在软路基地质下修建铁路桥梁桩基，可采用钻孔灌注混凝土摩擦桩。施工过程中要注意桩孔的特性，防止新拌混凝土产生离析、泌水、经济损失大等不良状况，灌注砼过程中严格控制导管位置，并注意水流冲刷等。于此同时，考虑到该地质水网密集，要进行混凝土配合比设计的优化。
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