一種預應力混凝土管樁在橋梁基礎中的應用

摘要：某中橋結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況成功將原設計鉆孔灌注樁變更為采用高強度預應力混凝土管樁（PHC管樁）作為下部結(jié)構(gòu)基礎。文章結(jié)合該工程實例，對設計、施工、檢測方法進行了闡述，同時荷載試驗結(jié)果論證了預應力管樁在濱海相深厚軟土地基中作為中小橋梁基礎的適用性及可靠性。

關鍵詞：橋梁基礎；預應力；混凝土管樁；橋梁設計；灌注樁基礎 文獻標識碼：A

中圖分類號：U443 文章編號：1009-2374（2017）02-0090-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.043

1 橋梁概況

某中橋橋位區(qū)屬海積平原，地表水體以運鹽河、送水道為主，與海水貫通。橋位地基土多分布軟土層，不宜直接作為基礎持力層。橋梁設計方案中，上部結(jié)構(gòu)采用3×20m簡支預應力混凝土空心板，橋面連續(xù)，下部結(jié)構(gòu)原設計采用鉆孔灌注樁基礎，后調(diào)整設計采用三柱式墩+承臺連接高強度預應力混凝土管樁基礎，PHCΦ800mmB型管樁基礎，壁厚130mm；雙排樁臺，高強度預應力混凝土管樁基礎（下文簡稱“管樁基礎”），橋梁全長66.12m。

2 管樁基礎設計闡述

普通管樁基礎在我國應用始于1957年10月建成通車的萬里長江第一橋——武漢長江大橋，繼而在京廣鐵路鄭州黃河大橋、川黔鐵路重慶白沙沱大橋、京九鐵路南昌贛江橋及南京長江大橋等許多大橋中應用。本次中橋采用高強度預應力混凝土管樁基礎，作為軸壓構(gòu)件使用。出于安全考慮，設計計算時考慮了足夠的設計余量，經(jīng)計算橋墩處樁頂反力1834.9kN，按m法計算樁長48m時，樁基承載力富余11%；橋臺處樁頂反力1248kN，按m法計算樁長44m時，樁基承載力富余20%。

3 管樁基礎施工闡述

根據(jù)現(xiàn)場具體的土質(zhì)和土層情況、沉樁能量要求、周圍建筑物及環(huán)境狀況、打樁設備進出條件等，中橋管樁基礎選擇錘擊法施工。打樁機械選用三點支撐履帶自行式打樁機，打樁錘選用筒式柴油錘。在正式施工前打試樁，通過樁的試打確定施工工藝的合理性、壓樁設備的可用性以及驗證設計、地質(zhì)情況等。選取位置、地質(zhì)條件及其管樁規(guī)格、長度具有代表性的試打樁，試樁選取在工程地質(zhì)勘探孔附近，試打樁施打工藝與工程樁施工一致（圖3）。管樁的接長采用樁頂端板圓周坡口槽焊接連接法。管樁與承臺連接采用樁頂填芯混凝土中埋設連接鋼筋的方式。成樁質(zhì)量檢測包括樁身垂直度、截樁后樁頂標高、樁頂平面位置、樁身完整性、單樁承載力等。成樁的單樁豎向承載力檢測，采用豎向靜載荷試驗法或采用高應變動測法。采用豎向靜載荷試驗法來檢測成樁的豎向承載力時，靜載檢測樁數(shù)量不少于整個工程的工程樁總數(shù)量的1%，且不少于3根；用高應變動測法檢測成樁的單樁豎向承載力時，與檢測樁身完整性同時進行。

4 成橋階段荷載試驗闡述

4.1 目的

本次荷載試驗的目的主要包括：驗證中橋下部結(jié)構(gòu)基礎的設計理論和設計方法，為預應力混凝土管樁應用于中小橋下部結(jié)構(gòu)的建設積累技術經(jīng)驗；檢驗中橋的設計和施工質(zhì)量，為評定工程質(zhì)量優(yōu)劣提供主要技術資料和判定依據(jù)；檢驗中橋的受力性能和正常使用承載能力是否符合設計及規(guī)范要求。

4.2 測試內(nèi)容及截面布置

本次荷載試驗針對該中橋上、下部結(jié)構(gòu)同時進行，下文中僅對下部結(jié)構(gòu)靜力荷載試驗進行闡述。試驗前利用橋梁結(jié)構(gòu)分析專用程序Midas/Civil對該橋進行結(jié)構(gòu)計算分析，計算時按照設計標準采用公路-I級荷載加載，按3車道布載，同時按照規(guī)范取橫向折減系數(shù)，最終根據(jù)包絡圖確定各控制截面實際位置（圖4）。本橋下部結(jié)構(gòu)靜力荷載試驗測試內(nèi)容主要包括：左右幅1#、2#橋墩水平位移、豎向位移、立柱應力。本次試驗在蓋梁底、立柱柱身位置分別布設百分表和應變傳感器完成相關數(shù)據(jù)采集工作（圖5）。

4.3 試驗荷載確定

為了保證荷載試驗的效果，按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011）要求確定控制荷載，在選擇試驗荷載的大小和加載位置時采用靜載試驗效率進行控制。本次靜力荷載試驗采用重約35t的三軸載重汽車進行加載，加載車型如圖6所示。本橋橋墩荷載效率系數(shù)為0.92（設計荷載：1316kN，試驗荷載：1211kN）。試驗之前控制加載車加載噸位，對加載車輛進行過磅稱重，所采用的加載車實際重量分別為35.3噸、34.7噸、34.9噸、36.0噸。

4.4 加載形式與控制

試驗荷載加載有兩種形式：一是沿橋跨方向加載；二是垂直于橋跨方向加載。同時，為了加載安全和了解結(jié)構(gòu)應力和變形隨著荷載增加的變化關系，橋梁靜載試驗的各荷載工況按照要求分級加載完成，并在正式加載前進行橋梁預壓。試驗現(xiàn)場橋面對稱加載如圖7所示：

4.5 成果整理與分析

4.5.1 承載能力評定方法。按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011），經(jīng)過荷載試驗的橋梁，根據(jù)整理的試驗資料，分析結(jié)構(gòu)的工作狀況，進一步評定橋梁承載能力和橋梁概況。結(jié)構(gòu)性能評定根據(jù)如下：一是按施工圖進行計算得到的理論檢算值；二是按規(guī)范規(guī)定的撓度、強度和裂縫容許值。本次試驗結(jié)果結(jié)合結(jié)構(gòu)的具體情況，從校驗系數(shù)、實測值和理論值的關系曲線、相對殘余變位（應變）、結(jié)構(gòu)剛度要求對結(jié)構(gòu)進行最終評定。

4.5.2 成果整理與分析。

第一，位移數(shù)據(jù)分析。位移數(shù)據(jù)以左幅橋1#墩為例，橋墩水平位移變化以大樁號方向為正，豎向位移變化向下為負。

第二，應力數(shù)據(jù)分析。應力數(shù)據(jù)以左幅橋1#墩為例，應力以拉為正，以壓為負。

4.5.3 靜力荷載試驗結(jié)果。本橋在試驗荷載作用下，下部結(jié)構(gòu)剛度、強度均滿足設計要求，在水平方向未發(fā)現(xiàn)水平位移，各測試截面應力變化趨勢處于線彈性狀態(tài)；位移測試控制截面量測的相對殘余變形均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）第8.2.2條的要求，表明卸載之后結(jié)構(gòu)的變形能夠及時恢復，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

5 結(jié)論

建成后的管樁基礎，受力狀況與同類型的樁基礎的理論分析、設計方法和有關計算是一致的，基本組成部分也是相同的，其作為中小橋梁下部結(jié)構(gòu)基礎能滿足公路橋涵地基和基礎設計規(guī)范要求。管樁能否被順利下沉至預定位置和深度是建造管樁基礎的關鍵，隨著施工設備和技術的發(fā)展，管樁下沉施工質(zhì)量也能滿足設計要求。目前的檢測手段、設備和技術也能很好地協(xié)助完成施工質(zhì)量控制工作，成橋階段荷載試驗驗證了中橋下部結(jié)構(gòu)基礎的設計理論和設計方法，為預應力混凝土管樁應用于中小橋下部結(jié)構(gòu)的建設積累了技術經(jīng)驗。另外，在管樁下沉施工方法中，采用錘擊法能夠避免管樁處于振動沖擊狀態(tài)而導致樁身出現(xiàn)裂紋和破壞；高強度預應力混凝土管樁相比較于鉆孔灌注樁作為中小橋下部結(jié)構(gòu)基礎，施工質(zhì)量更容易得到保證；由于高強度預應力混凝土管樁在錘擊法施工過程中結(jié)構(gòu)始終處于受壓應力狀態(tài)，安全可靠，耐久性更優(yōu)。

6 結(jié)語

高強度預應力混凝土管樁（PHC管樁）代替鉆孔灌注樁成功應用于橋梁下部結(jié)構(gòu)基礎中，可以加快橋梁基礎施工進度、節(jié)約工程造價，也能避免發(fā)生鉆孔灌注樁基礎施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)的一些質(zhì)量問題。在類似的建設工程中，在一定的地質(zhì)條件下，注意加強在設計、施工、檢測等各環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，高強度預應力混凝土管樁代替鉆孔灌注樁作為中小橋梁下部結(jié)構(gòu)基礎是完全可行、可靠的，值得參考、借鑒和推廣應用。

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作者簡介：徐善中（1981-），湖南新寧人，蘇交科集團股份有限公司/在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室工程師，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)工程檢測。

（責任編輯：小 燕）