預應力砼管樁在高速公路橋梁設計中的應用

摘要：預應力砼管樁作為一種新型基礎，以其施工方便、承載力高、質量可靠等優點在房建工程、市政工程、港口工程中得到廣泛的應用。但預應力砼管樁在我省高速公路橋梁中尚未采用，現進行試點設計，取得成功數據后，再進行推廣應用。

關鍵詞：預應力砼管樁 高速公路 橋梁

1 工程概況

安徽某座高速公路橋梁，橋梁主要跨徑25米，共23跨，第14-18跨上部結構為25米現澆預應力砼箱梁結構，現選取第14-18號橋墩采用預應力砼管樁基礎。

2 預應力砼管樁基礎設計

2.1 場地工程地質條件

橋梁處場地為黃淮沖積平原，屬典型的沖積平原地貌，地面標高為39米左右，地下水位埋深為1.60～5.40m。土層除第①層為第四系全新填筑土外，其余土層均為第四系全新沖積層，地層中沒有大的孤石、障礙物及堅硬夾層，地層也沒有從松軟到堅硬的突變，可以用預應力砼管樁基礎。現將各層分述如下表：

2.2 試樁

2.2.1 試樁施工

通過計算，一根預應力砼管樁的豎直承載力為1900KN，極限承載力3800KN。在設計預應力砼管樁基礎前，先進行試樁，為設計預應力砼管樁基礎提供重要參考。試樁位于橋墩附近，試驗樁采用C80砼的預應力砼管樁，直徑選取600mm，臂厚130mm。通過試算，樁長17.5米，樁底位于中砂層。為避免施工過程中擠土效應過大，而造成施工困難，樁間距取3.5倍樁徑。該處主要地層為粉砂性土及粘土，因封底十字形樁靴更適用于穿越粉砂性土及粘土，并以此作為持力層的土層，本次試樁第一根樁采用十字樁靴。為了進行比較，第二根樁采用開口型樁靴。開口型樁靴特點是在沉樁過程中，樁身下部1/3－1/2樁長的內腔被土體充塞，內腔土塞為管樁提供了內側摩阻力。

打樁機械采用履帶式8.0t柴油錘，最終貫入度控制在3~5cm/10擊（達到這一貫入度時承載力可達到5000KN），施工時嚴格按打樁工藝流程施工。試樁施工工藝流程為：測放樁位→樁機就位→吊樁落位→樁段對中調直→打樁→接樁→再打樁→送樁→記錄整理等。施工時采用兩臺經緯儀觀測垂直度，在施工至最后階段在樁身畫上刻度，用水準儀觀測貫入度。接樁焊接采用二氧化碳保護焊，焊縫的質量主要通過外觀檢查。

第一根試樁最終貫入度為40mm/10擊，第二根樁最終貫入度為50mm/10擊，樁身保持垂直。兩根樁入土有效貫入深度均為15米，與最初估算的17.5米有一定差距，表明土的實際阻力以及承載力比原設計地質資料中的數據高。

2.2.2 檢測

試樁施工完成，開挖土方后，進行了破壞性靜載試驗。通過第一根樁的單樁豎向抗壓靜載試驗Q～S曲線可以看出，試樁加載至6000KN時，樁頂總沉降量為43.4mm，末級荷載作用下樁頂沉降量達到9.0mm，樁頂隨荷載沉降速率為0.0582mm/KN，從卸載回彈情況看，完全卸載后樁頂殘余沉降為36.45mm，最大回彈為6.94mm，回彈率為15.99%。以上情況表明，該樁受壓已達到破壞狀態，應取荷載值5500KN作為該試驗樁的單樁豎向抗壓極限承載力。通過第二根樁的單樁豎向抗壓靜載試驗Q～S曲線可以看出，試樁加載至6000KN時，樁頂總沉降量為47.21mm，末級荷載作用下樁頂沉降量達到10.62mm，樁頂隨荷載沉降速率為0.0212mm/KN，從卸載回彈情況看，完全卸載后樁頂殘余沉降為38.39mm，最大回彈為8.82mm，回彈率為18.68%。以上情況表明，該樁受壓已進入破壞狀態，應取末前級荷載值5500KN作為該試驗樁的單樁豎向抗壓極限承載力。

通過第一根樁的單樁水平靜載試驗Q～S曲線看，水平荷載加載至100KN時，力的作用點位移為3.37mm，末級荷載作用下位移為0.74mm，位移梯度為0.074mm/KN，從卸載回彈情況看，完全卸載后樁頂殘余位移為1.36mm，最大回彈為2.01mm，回彈率為59.64%。以上情況表明，該樁受水平荷載作用未進入破壞狀態，承載能力還有余量，可取最大荷載值100KN作為該試驗樁的單樁水平極限承載力。通過第二根樁的單樁水平靜載試驗Q～S曲線看，水平荷載加載至100KN時，力的作用點位移為4.4mm，末級荷載作用下位移為1.39mm，位移梯度為0.139mm/KN，從卸載回彈情況看，完全卸載后樁頂殘余位移為1.70mm，最大回彈為2.7mm，回彈率為61.36%。以上情況表明，該樁受水平荷載作用未進入破壞狀態，承載能力還有余量，可取最大荷載值100KN作為該試驗樁的單樁水平極限承載力。

通過這兩根試樁的施工及荷載試驗情況來看，預應力砼管樁是一種可靠的基礎形式，受力性能良好，可用作橋梁的基礎。對比這兩根樁的差異，這兩根樁之間存在的差別較小，表明在這里有無樁靴對預制管樁的施工及承載力影響較小。

2.3 基礎設計

原橋梁設計圖紙中，橋梁基礎采用四根直徑1.2米的樁基，每根樁基長33米，樁基頂承臺厚2米，承臺每邊比樁基寬0.5米。考慮到有無樁靴對預應力砼管樁影響較小，橋梁基礎改為采用預應力砼管樁作基礎后，采用開口型預應力砼管樁作基礎。根據試樁結果，樁長為15米時樁承載力可滿足承載力要求，因此確定設計樁長為15米，以貫入度控制為準，實行雙控。為了確保施工質量并考慮到廠家的施工能力，決定采用整根長15米的預應力砼管樁，不設接樁，這樣盡量避免因接樁質量不好而影響整個樁基的承載力。

基礎的平面布置為每個承臺根據橋梁的寬度采用9根樁（3X3）或12根樁（3X4）（如圖一、圖二）。因承臺內樁數相對較多，為防止樁之間因土的擠密而使樁施工困難，樁之間距離為3.5倍樁徑，樁群承載力合力點與其上部構件荷載作用的合力中心相重合。施工時先施工中間的樁基，后施工兩邊的柱基。樁頂進入承臺的長度為10cm，其余部分割除。

對承臺進行正截面抗彎強度的計算、抗剪強度的計算、沖剪和沖切驗算，根據計算結果對承臺進行配筋。承臺每邊比樁最外側寬50cm，承臺厚2米。因預制管樁沒有預埋鋼筋，為了使預應力砼管樁與承臺能夠有機地連接成一個整體，在切樁后在距樁端5米處先用鋼板封閉內孔，然后在里面放入小型鋼筋籠。然后對內孔澆筑混凝土，形成蕊柱。小型鋼筋籠上部伸入承臺里，使樁基與承臺連為一個整體（如圖三）。

2.4 預應力砼管樁的特點

在預應力砼管樁施工完以后，通過對部分樁基進行檢測進行了低應變樁身完整性檢測，其檢測結果均為1類樁，遠高于鉆孔灌注樁的1類樁的比率。并對抽取的3根工程樁進行堆載反力靜載試驗，所有樁基極限承載力均不小于3800KN。對兩組工程樁進行了水平靜載試驗，樁基的水平受力極限承載力均超過100KN，滿足單樁水平承載力的要求。在橋梁基礎施工結束后，橋梁進行了上部結構施工。因此預應力砼管樁可用于高速公路橋梁，但具有其自身的優缺點。

預應力砼管樁基礎的優點包括：①樁的單位面積承載力較高。由于應力砼管樁屬擠土樁，樁打入后其周圍的土層被擠密，樁底土承載力及樁側土阻力得到很大的提高，從而提高了樁基的承載力。②適用于水下施工，樁身砼的密度大，抗腐蝕性能強，施工工效高。③預應力砼管樁樁身質量易于保證和檢查。④施工工期短，同時場地整潔、施工文明程度高。

預應力砼管樁基礎的缺點包括：①受構造影響。因樁徑較小，無法用于獨立樁柱，在橋梁結構中只能適用于群樁基礎，因此橋墩必須有構造承臺。②對地質條件要求高。不易穿透較厚的堅硬地層，當堅硬地層下仍存在需穿過的軟弱層時，則需輔以其他施工措施，如采用預鉆孔（常用的引孔方法）等。不宜在地下障礙物或孤石較多的場地進行施工。③價格相對較高。預應力砼管樁相對鉆孔灌注樁單價較高，但在樁數較多的前提下，綜合價格可能比鉆孔灌注樁低。(4)受場地及運輸條件影響較大。預應力砼管樁施工場地要求相對平整。預應力砼管樁在工廠預制，需從較遠的地方運輸，所以要求交通方便，最好臨近干線公路或航道，以降低造價。

3 結論與建議

目前高速公路已通車，從目前狀況看，這座橋梁運行狀態良好。因此預應力砼管樁基礎可用于高速公路橋梁。通過省外其它地區的實踐也證明，在臨近航道的橋梁，對覆蓋層為軟土或一般土的橋梁，預應力砼管樁基礎在施工工期及工程造價等方面有明顯的優勢。在以后的高速公路橋梁工程中，應推廣這一新技術。

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