PHC管桩在地铁车辆段中的应用_吴珩.pdf

12摘要：地铁车辆段由于后期土方填筑量较大，常常发生工后沉降较大等问题。以杭州某地铁车辆段地基加固为例，通过现场高应变检测试验，探讨 PHC 管桩在地铁车辆段中的应用效果，分析桩身的完整性情况，验证 PHC 管桩的承载力。结果表明：PHC 管桩竖向抗压极限承载力均大于 1 000 kN，满足结构及设计要求；PHC 管桩桩身结构完整性系数 均为 1，表明检测的 PHC 管桩均为类桩；PHC 管桩均已发挥了侧阻力和端阻力，端阻力与总阻力比值位于 37%44%，侧摩阻力与总阻力比值位于 56%63%；PHC 管桩在地铁车辆段地基加固中具有较好的应用效果。关键词：PHC 管桩；地铁车辆段；现场试验；高应变检测；地基加固中图分类号：U455文献标志码：B文章编号：1009-7716（2023）01-0246-04PHC 管桩在地铁车辆段中的应用收稿日期：2022-03-16项目基金：中铁十六局集团有限公司技术开发项目（ZT16J-HZJCJJ1-KY-01）作者简介：吴珩（1989），男，学士，工程师，从事隧道及地下空间施工技术方面工作。吴珩，吕文甫，齐小亮，王一桦，易云鹏（中铁十六局集团有限公司，北京市 101100）DOI:10.16799/ki.csdqyfh.2023.01.0600引言由于承载力较高、施工速度快等优点，PHC 管桩在软弱地基加固补强方面应用较广泛。由于土方填筑、列车运营等作用，常使地铁车辆段地基发生沉降，因此对地铁车辆段路基地基进行加固是施工中的关键环节。PHC 管桩已广泛地应用于路基地基加固中1。洪宏兴等2研究了大直径 PHC 管桩在砂层中沉桩的影响因素和施工技术。冯光华等3研究了护岸块石、岩石地层 PHC 管桩沉桩影响因素及规律。张启等4研究了淤泥质土层中 PHC 管桩承载力的影响因素并进行了单桩承载力和桩身完整性验算。余升友等5分析了 PHC 管桩作为桩基时承载力的特性。朱晓伟6分析了高速铁路采用 PHC 管桩和钻孔灌注桩两种桩型的受力特性。张洪毓等7分析了淤泥质地层中PHC 管桩的变形规律，提出了淤泥质地层中承载力计算参数取值的相关问题。张旭生8研究了老黏土地层中 PHC 管桩对地铁车辆段路基地基加固的效果。在管桩作为建筑物基础、加固地基等方面已有较多的研究，主要包括 PHC 管桩的沉桩技术、承载力影响因素和变形特性等，但 PHC 管桩在软弱地层地铁车辆段地基加固中的应用研究较少。现以杭州某地铁车辆段 PHC 管桩加固工程为例，通过对 PHC管桩进行现场高应变检测试验，分析 PHC 管桩的桩身完整性情况，验证了单桩承载力。1工程概况1.1工程简介杭州某地铁车辆段停车场为满足地基承载力的要求，防止工后发生沉降，地基加固主要采用换填、高压旋喷桩和 PHC 管桩的方式。车辆段停车场周边主要为城市道路，场地北侧为规划道路永盛路，南侧为育才路，东侧为规划道路蓬达路，西侧为协东线，道路宽度为 7 m。地铁车辆段平面见图 1 所示。1.2工程水文地质条件地铁车辆段场地施工影响范围内主要为填土、粉砂土及淤泥质土等。土层物理力学指标见表 1 所列。场地地下水类型主要为潜水、孔隙承压水和基岩裂隙水。潜水主要赋存于浅部填土层和粉土层中。孔隙承压水赋存于粉砂层中和圆砾层中。基岩裂隙水主要赋存于下部基岩风化裂隙内，对工程施工影响很小。2试验方案2.1试验目的通过对 PHC 管桩进行现场高应变检测试验，得URBAN ROADS BRIDGES&FLOOD CONTROL第 1 期（总第 285 期）2023 年 1 月图 1地铁车辆段平面图14成果应用246表 1土体物理力学指标一览表出 PHC 管桩的桩身完整性情况和单桩承载力，分析PHC 管桩在软弱地层地铁车辆段中的应用，为相似工程提供指导。2.2试验原理与方案2.2.1计算方法高能量冲击荷载下桩身应力波的传波符合一维应力波动方程，PHC 管桩单桩竖向极限承载力计算可用以下公式计算：Rsp=12（1-Jc）F（t1）+MC/LV（t1）+12（1+Jc）F（t1+2L/C）-MC/LV（t1+2L/C）式中：Rsp为单轴竖向抗压承载力，kN；Jc为土的动阻阻尼系数；F（t1）为测点处力随时间变化的函数，kN；V（t1）为测点处质点运动速度随时间变化函数，m s-1；M 为桩身质量，103kg；L 为桩长，m；C 为弹性波纵波波速，m s-1；t1为速度第一峰值所对应的时刻，s。2.2.2PHC 管桩试验方案PHC 管桩现场试验采用 RS-1616K（S）基桩动测仪与配套的加速度传感器。检测的预应力管桩直径为 400 mm，桩长为 13 m，桩身混凝土强度为 C80，结构及设计要求单桩承载力极限值为 1 000 kN，桩端持力层位于b粉砂层中。此次现场试验采用 9 组PHC 管桩（B1B9）进行高应变检测试验，每组 3 根。PHC 管桩现场高应变检测试验步骤主要包括：（1）假定桩单元参数（弹性模量、桩身阻尼等）；（2）建立与桩单元相邻的土阻力模型；（3）以实测的速度或力（或下行力波、上行力波）作为桩顶边界条件输入，通过求解特征线议程，反算出桩顶的力或速度，上行力波或下行力波；（4）将计算所得曲线与实测曲线比较，如果不符合，则调整单元参数和土“模型”参数，重新计算直到计算曲线与实测曲线不能进一步完善为止；（5）输出拟合曲线、实测曲线等。高应变动力测试装置见图 2 所示。2.2.3桩身完整性判定该项试验采用的 PHC 管桩均为等截面桩，可根据表 2 判断桩身的完整性。桩身完整性系数 和桩身缺陷位置 x 可按照以下公式计算。=F（t1）+Z，V（t1）-2Rx+F（tx）+Z，V（tx）F（t1）+Z，V（t1）-F（tx）+Z，V（tx）x=ctx-t12000式中：为桩身结构完整性指数；t1和 tx分别为速度第一峰和缺陷反射峰所对应的时刻，s；R 为缺陷以上部位土阻力的估计值，kN；x 为缺陷位置与传感器安装点距离，m。3试验结果与分析3.1PHC 管桩单桩竖向承载力图 3 为桩号 B1 和 B2 的 CCWAPC 模拟静荷载试验 Q-S 曲线。由图 3 可得：桩号 B1 的试验单桩竖向抗压极限承载力为 1 049.2 kN，最大沉降为 8.77 mm，桩号 B2 的试验单桩竖向抗压极限承载力为 1 035.8 kN，最大沉降为 6.26 mm。9 组 PHC 管桩（B1B9）的单桩竖向抗压极限承载力结果见图 4 所示和表 3 所列。由图 4 和表 3 可知：试验过程中，最大沉降量为8.77 mm，最小沉降量为 4.44 mm，最小沉降量为最大沉降量的 50.63%，平均沉降量为 6.7 mm；试验检测的 9 组 PHC 管桩竖向抗压极限承载力最大值 为 1 095.5 kN，最小值为 1 015.8 kN，均值为1 052.08 kN，9 组 PHC 管桩竖向抗压极限承载力均大于 1 000 kN，满足结构及设计要求。吴珩，等：PHC 管桩在地铁车辆段中的应用层号岩土名称桩周极限摩阻力标准值qsik/kPa桩端极限承载力标准值qpk/kPa地基承载力特征值/kPa1杂植土0651砂质粉土241002砂质粉土321203砂质粉土夹粉砂441505粉砂夹砂质粉土401406粉砂603 8001701淤泥质粉质黏土14300702淤泥质粉质黏土夹粉砂1640075图 2高应变动力测试装置图表 2桩身完整性判断表桩身完整性类别缺陷程度桩身结构完整性指数 无缺陷1.0轻度缺陷0.81.0明显缺陷0.60.8严重缺陷0.62023 年第 1 期2473.2PHC 管桩桩身完整性分析图 5 为 B2 桩身完整性检测曲线图。由图 5 可知：B2 桩身完整性较好，计算值与试验实测值一致。9 组 PHC 管桩（B1B9）现场高应变检测试验结果见表 4 所列。由表 4 可知：测试的 PHC 管桩桩身结构完整性系数 均为 1，可知桩身完整性均较好，由表2 可判定试验桩均为类桩，充分说明 PHC 管桩在软弱地层地铁车辆段中应用效果较好。3.3PHC 管桩桩端阻力分析通过现场高应变检测试验与计算可知 PHC 管桩的桩端阻力与总阻力，9 组试验桩的桩端阻力、总阻力，以及两者比值，见表 5 所列。从表 5 可得：高应变检测均已发挥了侧阻力和端阻力，端阻力与总阻力比值位于 37%44%，平均占比为 40.7%；侧摩阻力与总阻力比值位于 56%63%，平均值为 59.3%，可知 9 组试验桩均为端承摩擦桩。吴珩，等：PHC 管桩在地铁车辆段中的应用（a）B1 静荷载试验 Q-S 曲线（b）B2 静荷载试验 Q-S 曲线图 3CCWAPC 模拟静荷载试验 Q-S 曲线图图 4PHC 管桩 Q-S 关系图表 3PHC 管桩单桩竖向抗压极限承载力试验值一览表桩号桩径/mm桩长/m设计单桩竖向承载力极限值/kN最大沉降量/mm试验单桩竖向抗压极限承载力/kNB140013.01 0008.771 048.2B240013.01 0006.261 035.8B340013.01 0005.551 075.5B440013.01 0008.141 053.2B540013.01 0004.441 027.7B640013.01 0007.841 068.5B740013.01 0006.481 015.8B840013.01 0006.571 095.5B940013.01 0006.651 048.5图 5PHC 管桩桩身完整性检测曲线图（b）B2 实测力波与计算力波曲线图（a）B2 实测力波与速度波曲线图表 4桩身完整性检测结果汇总表桩号桩径/mm桩长/m完整性桩身结构完整性系数 类别B140013.0桩身完整1.0类B240013.0桩身完整1.0类B340013.0桩身完整1.0类B440013.0桩身完整1.0类B540013.0桩身完整1.0类B640013.0桩身完整1.0类B740013.0桩身完整1.0类B840013.0桩身完整1.0类B940013.0桩身完整1.0类2023 年第 1 期2484结语以杭州某地铁车辆段 PHC 管桩加固工程为例，通过对 PHC 管桩进行现场高应变检测试验，分析PHC 管桩的桩身完整性情况，验证其单桩承载力，得到如下的结论：（1）根据高应变现场检测试验结果，PHC 管桩单桩竖向抗压极限承载力均大于 1 000 kN，满足结构和设计要求。同时，也表明 PHC 管桩在地铁车辆段地基加固中具有质量可靠，承载力高和施工效率高的优点。（2）根据高应变现场检测试验结果，检测的 9 组PHC 管桩桩身结构完整性系数 均为 1，表明桩身完整性较好，均为类桩，充分说明 PHC 管桩在地铁车辆段中应用效果较好，具有较好的推广价值。（3）高应变现场检测试验显示：9 组 PHC 管桩均已发挥了侧阻力和端阻力，端阻力与总阻力比值位于 37%44%，平均占比为 40.7%；侧摩阻力与总阻力比值位于 56%63%，平均值为 59.3%，表明 9 组试验桩均为端承摩擦桩。参考文献：1 张强，王鑫.预应力管桩处理软土地基效果分析J.城市道桥与防洪，2017（11）:185-188.2 洪宏兴，夏国光，盛健，等.大直径 PHC 管桩在印尼密实厚砂层场区沉桩实践J/OL.水运工程:1-42021-12-28.3冯光华，刘志威.带既有护岸结构老港改造项目 PHC 桩沉桩规律研究J.施工技术（中英文），2021，50（19）:101-105.4 张启，王天宝，胡海江.PHC 管桩在天津淤泥质软土中的应用J.土工基础，2021，35（4）:421-424.5 余升友，乐绍林，丁继辉.PHC 管桩承载特性分析研究J.公路，2021，66（6）:335-339.6 朱晓伟.高速铁路大直径桩基础水平承载力机理研究J.铁道建筑技术，2021（2）:7-10，20.7 张洪毓，李乾威，姚孟龙，等.PHC 管桩在淤泥质土道路地基处理中的沉降分析J.建筑施工，2021，43（1）:159-161，165.8 张旭