PHC管樁應用于橋梁基礎中的設計探討

1 前言

PHC管樁，即預應力高強度混凝土管樁，是一種新型預制樁。它多采用先張預應力離心成型工藝，通過蒸壓養護制備成空心圓筒形混凝土預制構件。在施工時，采用靜壓、錘擊等方式將其下沉至設計深度。PHC管樁具備良好的抗拉性能、耐久性和單樁承載性能，因此被廣泛應用到民用建筑和橋梁工程中[1]。PHC管樁的建設材料主要是鋼筋和混凝土，由于鋼筋與混凝土的材料性能差異較大，所以施工時在鋼筋、混凝土之間要設置接觸單元，以傳遞鋼筋、混凝土應力。本文結合工程實踐，總結分析PHC管樁在橋梁基礎中的應用，僅供參考。

2 適用條件分析

2.1 樁長條件

PHC管樁由樁側摩阻力和樁端阻力共同承擔上部荷載，要想滿足樁基礎的承載力要求，就應確保樁身的入土深度，將樁端打入強風化層、全風化層、堅硬的黏土層或密實的砂層（或卵石層）。受起吊、運輸等因素制約，PHC管樁節長一般在13m以內，可靈活搭配，接長方便，在施工現場并可根據地質條件變化調整接樁長度。

2.2 地質條件

由于上部結構對橋梁樁基承載力要求較高，預應力管樁的樁端多選擇埋藏較深的基巖、厚度大于5m的強風化巖作為持力層。全強風化花崗巖層具備較高的承載力，標貫擊數超過40，則可以作為樁基礎持力層。強風化巖層作為持力層時，必須要保證嵌巖深度。此外，下列條件不適宜采用PHC管樁：

2.2.1 樁端持力層以上覆蓋層存在孤石、花崗殘積層中未風化的石英巖脈時，沉樁困難，若通過提高沉樁能量的方式繼續沉樁，容易造成樁身斷裂等工程事故，對沉樁影響大。

2.2.2 樁端持力層為軟化基巖、埋藏深的風化巖，由于樁端土層承載力較低、樁端阻力較小，難以確保樁基礎承載力。

2.2.3 地下水對于PHC管樁混凝土、鋼筋、鋼配件等具備較強腐蝕性。

2.2.4 砂土液化嚴重的區域。

2.2.5 沿線具有高壓線塔、運輸不便利的地區。

2.3 應用跨徑

基于理論分析可知，當地質條件允許、試樁承載力滿足要求時，橋梁應用管樁技術具備可行性。然而在實際項目應用中，應當按照跨徑種類、分布、規模等對承臺形式、配樁方案進行設計，合理選擇管徑應用跨徑。

例如，在A 項目橋梁工程中，跨徑小于30m橋段，占據全線長83%，基本為預制梁結構，多為線狀分布。跨徑大于30m的橋梁較少，占據全線17%，多為點狀分布。基礎外荷載大，主墩基礎規模大，如果全部應用管樁基礎，很大程度上會提高運輸、施工和檢測成本，降低項目整體的經濟性。因此，在本項目建設中跨徑小于30m的橋段應該應用管樁基礎[2]。

2.4 管徑選擇

常規橋梁選擇小直徑管樁基礎，常見的類型有D500 和D600管徑，其中D600的結構抗彎能力明顯高于D500。此外，選擇大直徑的D600管樁可以減少承臺下基樁數量和承臺底面積；D600管徑表面積大，因此與土體接觸面積較大，在一定程度上能夠提升單樁承載性能，應用優勢顯著。

3 計算分析受力狀態

橋梁管樁基礎受力計算，涉及樁身承載力計算、單樁承載力、截面抗裂性能驗算等，結合本項目，具體如下：

3.1 計算荷載

在溫度荷載、車輛荷載、恒荷載、地震荷載及風荷載影響下計算管樁基礎承臺底內力，并根據承載力限值、單樁承載性能、正常使用極限狀態，對不同荷載進行組合。通過m 法計算不同基樁內力，選擇荷載組合最大的管樁，并進行承臺的沖切驗算。

3.2 計算管樁基礎抗力

3.2.1 計算樁身截面抗力。分析預應力混凝土管樁以及管樁生產廠家所提供的參數，明確抗裂彎矩、樁受彎承載力、受剪承載力、抗壓承載力、樁身軸心受拉等設計值。在荷載組合作用下，驗算抗裂拉力、抗裂彎矩，以確保其滿足規范標準。

3.2.2 計算單樁承載性能。按照公路橋涵地基、設計基礎規范等要求，在計算單樁軸向受壓允許承載力時采用標準化計算公式。

4 PHC管樁設計要點

結合某地區PHC管樁應用工程實例，分析設計要點問題。項目處于平原區，工程地質條件簡單，綜合分析選擇管樁基礎。管樁基礎設計包含單樁豎向承載力計算、樁基水平承載力計算、樁身強度及裂縫驗算、樁基變形驗算、承臺高度及底板配筋設計等[3]。在設計PHC管樁基礎時，應適當參考本地區同類型工程的設計經驗，結合項目特點，選擇最佳的設計方案。

4.1 方案比選

選擇具備代表性的25m跨小箱梁結構，按照墩高以下15m 雙柱式橋墩配管基礎進行比選計算，并從承臺形式、管樁數量、管徑等角度進行方案比較。為了確保各方案具備直觀性和代表性，按照不同控制工況，從頻遇荷載組合、偶然荷載組合中選擇“永久作用、汽車荷載、升溫組合、制動力作用”的工況；通過“永久作用”的工況計算荷載及其結構，結果如表1所示。不同方案單樁受力結構如表2所示。

表1 參選方案比較

表2 參選方案計算結果

4.2 參選方案計算結果

從表2數據可知，D500共計5根，D600共計4根，在頻遇荷載、偶然荷載作用下，安全系數比較低，無法滿足規范要求。方案1 安全系數處于標準范圍內；方案2 安全系數低，工程量比較多。因此，項目施工選擇方案1，在單個承臺下配置5根D600管樁。

5 經濟性分析

5.1 工程量分析

選擇具備代表性的橋梁，原有施工方案為墩D1.4m、樁D1.6m的H型鉆孔灌注樁，樁基長度為42m。方案1：圓倒角矩形承臺，配置5根D600管樁。將管樁方案和鉆孔灌注樁方案進行比較，結果顯示，鉆孔灌注樁方案的混凝土工程量、鋼筋工程量均明顯高于管樁方案。

5.2 工程造價分析

橋梁基礎造價受地質條件影響，為了確保比選的代表性，根據勘查資料優化設計管樁和鉆孔灌注樁樁長，統計項目各標段所有管樁及鉆孔灌注樁基礎費用后平均到墩造價中，以此獲得墩下管樁基礎、鉆孔灌注樁基礎的比選結果[4]。結果顯示，管樁基礎方案在工程造價上比鉆孔灌注樁方案造價節省11%～35%。基巖埋深越大，則標段節省比例越明顯，平均節省費用為23%，因此管樁的經濟性更為顯著。

6 結語

綜上所述，針對強風化巖層土層厚、基巖埋藏深較大的地質條件，可以采用PHC管樁。通過計算與比較分析可知，在5根D600管樁方案可以應用到中小跨徑常規橋梁中[5]。比較鉆孔灌注樁方案、PHC管樁方案的工程造價，結果顯示，后者的工程造價降低了25%左右，因此，PHC管樁方案具有更顯著的經濟效益。