PHC管樁在橋梁工程中的適用性及優化設計

摘要 PHC管樁技術有著質量可控、施工便捷、不均勻沉降小等優點，被廣泛應用于工程建設中。文章以我國某工程實例為基礎，結合現場管理及試驗，通過理論計算及數值模擬的方法，從承臺優化、填芯補強等方面入手分析了PHC管樁的設計優化。同時，對動靜載試驗結果進行觀測與分析，論證PHC管樁在橋梁工程中的適用性，為我國基礎工程建設提供理論支持。

關鍵詞 橋梁工程;PHC管樁;適用性;優化設計

中圖分類號 U445.551 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0166-03

引言

預應力高強度混凝土管樁是目前工程建設中常用的一類基樁，也被稱為PHC管樁。PHC管樁具有良好的工程性質，同時造價相對較低，經濟性突出，主要用于民用及工業建筑建設中，但在橋梁工程中卻涉及的較少[1]。所以，針對PHC管樁在橋梁工程中的適用性分析尤為必要。

1 工程概況

文章以我國某橋梁工程為例展開分析，項目全長約70.28 m，設計寬度為2×15.4 m，設計荷載定為公路I級。上部結構選用先張法生產的4孔16 m空心板，采用預制生產、現場裝配的方式完成施工;下部結構采用柱式墩和內板式橋臺設計。該項目原設計方案采用鉆孔灌注樁，后應業主要求變更為直徑600 mm、壁厚110 mm的PHC管樁，并將該橋定為試驗路段，對其展開受荷分析與設計優化。

2 橋梁樁基礎受荷分析

2.1 橋梁上部結構荷載計算

為了簡化計算、降低工作量，統計分析墩柱上覆荷載上一般將結構自重簡化為線荷載，作用點定在墩帽上：預制空心板及鋪裝層視為墩帽所受的均布荷載，護欄則視為集中荷載，并將墩帽、墩柱當作一個整體進行分析[2]。具體來看，上部結構自重荷載轉換后可得：跨徑為16 m的預制空心板自重荷載標準值為11.36 kN/m2;護欄自重荷載標準值為1.0 kN/m;厚度為10 cm 的瀝青混凝土自重荷載標準值為2.3 kN/m2;厚度為10 cm 的現澆混凝土自重荷載標準值為2.4 kN/m2。將上述均布荷載累計附加，并將其分布區段長度定為16.5 m，護欄自重荷載作為集中荷載計算，如圖1所示。

若不考慮行車荷載的影響直接統計分析橋墩上豎向荷載：中間橋墩頂所受豎向集中荷載值為2 284 kN;邊側橋墩頂所受豎向集中荷載值為1 441 kN。綜合考慮橋墩及承臺自身重量的影響，可以得出1、2、3號橋墩承臺底所受的豎向荷載分別為2 008 kN、2 851 kN、2 008 kN。

2.2 橋梁汽車荷載計算

統計分析作用于蓋梁的汽車荷載，取蓋梁兩側各半跨寬度作為計算范圍，并根據偏心壓力法計算得到墩柱的影響線形狀，進而得到最不利的加載影響線。基于統計所得的荷載水平，計算得承臺頂的力系情況。通過力學求解即可得出橋墩承臺頂的最不利水平荷載約為78 kN，最不利豎向荷載約為3 251 kN以及最不利彎矩約為624 kN·m。

3 承臺設計及平面布置

借助空間桁架分析模型來計算的樁，在設計承臺時應當對荷載分布、水文地質等形成全面的認識，并重點從承臺厚度及樁間距兩個方面研判承臺設計的科學性。在對承臺厚度及樁間距兩個因素分別進行單變量分析后，還需要綜合考慮承臺設計優化多重影響因素的相互關聯性，得出最優的取值。

在分析這一問題時可以將多因素影響抽象為數學模型，將其視為MATLAB優化中的多目標規劃問題：其中目標為承臺的材料消耗量（M）;主要變量為樁間距（L）、承臺有效高度（h0）及頂層鋼筋與承臺底的間距（δ）。在具體工程中可根據實際情況確定以上參數具體的取值，并通過MATLAB完成優化，該項目經優化后的結果如表1所示。

根據表1中數據即可得到：合理樁間距也即最小樁間距。但這一結果僅按撐系桿設計模式發展而來，未能考慮到工程實際需求。在實際工程中，樁間距還有最小值的要求，所以按照規范要求取為3倍樁徑。對處于正常使用下的PHC樁承臺有效厚度進行分析與求解，可得到如表2所示的結果。

根據承臺底的實際荷載分布情況，可計算得到單樁荷載分布的具體數值。在樁長、樁數及樁頂荷載不變的情況下，樁基礎的優化主要包括了承臺及樁間距兩部分。需要先計算得出承臺的最小有效厚度，同時采用PHC樁的橋梁工程樁間距一般在3～4倍樁徑的范圍內，根據MATLAB的優化功能來改進模型取值，確定最佳設計方案。

將樁間距確定為3倍的樁徑，承臺有效厚度確定為124 cm，則承臺實際厚度=有效厚度+深入承臺長度=124 cm+10 cm=134 cm。在該項目中，承臺的實際厚度定為150 cm，樁間距取為3倍的樁徑，這與理論分析值較為接近。

4 填芯設計

該項目模型分析以B型PHC樁為對象展開，主要初始參數：直徑為60 cm，壁厚11 cm，長度為15 m，樁內填芯選用C25混凝土，鋼筋的類型及用量為6Φ16。此外，在土體材料的選擇上，參數應當重點考慮變形及強度兩個方面。在應用快速拉格朗日有限差分法時，主要借助體積模量K及剪切模量G來描述材料的變形情況，其中K和G可按照下式計算：

式中，E——楊氏模量;υ——泊松比。

土體的楊氏模量E則可借助室內試驗的方法確定，并按照進行換算。

數值分析所用的全部參數均來自試驗實測數據，且與PHC樁體、水文地質相關的參數在分析過程中保持恒定。

基于有限單元法網格劃分的基本要求，一般對應力水平較高、應力變化復雜的位置采用更密集的網格[3]。而對應力水平較小、應力變化簡單的位置則可采取更稀疏的網格劃分。

研究表明，填芯工藝能夠顯著提升管樁的力學性能，尤其是抗彎與抗剪能力，且在填芯后管樁的不利截面更加明確，應力分布也更加合理[4]。在填芯處理后，管樁上可能導致水平開裂的Z向正應力以及導致剪切破壞的XY向剪應力均得到了均勻化，且整體水平較未處理管樁有效降低。合理布置的填芯對管樁能夠起到加固、分擔的作用，使其承載能力得到顯著提升，但值得注意的是增加填芯長度對于樁身抗剪能力沒有顯著影響，且對抗彎能力的提升突出。此外，對于填芯長度大于最大彎矩點1 m以上時，即使增加填芯長度，樁最不利截面的應力情況也不會產生較大變化。所以，在實際設計中，一般以大于最大彎矩點1 m作為設計填芯長度。

基于橋墩基礎的荷載分布情況，求得單樁所受荷載大致為：20 kN水平荷載，156 kN·m彎矩，同時結合樁體上彎矩及剪力展開分析，得到其分布分別如圖2、圖3所示。

沿樁身的最大剪力一般認為在樁端位置，即樁與承臺的連接點處。在考慮地震作用影響時，樁端由于存在應力集中往往最早發生斷裂，在設計時就可借助填芯法著重強化樁端力學性能。樁身的彎矩一般在土體下約3 m位置達到峰值，且一般大于201 kN·m，也就是說高于樁基抗裂彎矩檢驗值，因此這一位置也是填芯補強的重點區域。為了降低施工難度，提升項目整體效益，填芯作業所用的材料一般可選用與承臺材料級配相同的C25水泥，鋼筋一般可采用10@100，填芯的長度以4 m為宜。經計算可得到填芯后樁體極限抗彎承載力達到了550 kN·m，且抗裂彎矩檢驗值達到了278 kN·m，較補強前有更好的力學性能。

5 橋梁動靜載實驗

為了明確PHC樁基的受力狀態，項目借助動靜載試驗展開分析。其中靜載試驗借助等效加載的形式完成，加載通過三軸自卸式裝載車來實現，為了保證試驗能夠達到預期目的，并保證加載過程的安全可靠，等效加載需要始終處于嚴格受控的狀態下并合理選定荷載效率系數。加載過程的荷載一般可按照4車道進行布置。選定加載位置及工況時應當盡可能滿足以下基本原則[5]：采用盡可能少的車輛來達到預期最大荷載，同時根據工程實際條件優化加載工況，將試驗的時間控制在合理的范圍內。在不降低試驗整體效率的同時，可以對不同工況做出適當的合并處理，各個工況在滿足自身檢驗內容的同時，盡量兼顧其他檢驗內容。該項目靜載試驗實測得到各個橋墩的沉降量均為0 mm，表明未產生沉降，橋梁處于相對安全狀態。

而在動載試驗中，采用兩輛三軸自卸車完成加載，使其分別按照10 km/h、20 km/h、30 km/h的速度行駛并在測試面位置制動，由此來施加給橋梁較大的沖擊作用，測量基礎的位移情況作為試驗結果，其結果如表3所示。

根據上表可以發現，車輛行駛速度越高基礎所發生的水平位移也就越大，但變化量較小。試驗測得最大水平宜約為0.07 mm，這也表明在動載試驗中橋梁的承載能力較好。

6 結束語

基于已有PHC管樁工程案例，針對PHC樁基礎的設計進行優化分析：首先需要基于工程現場的荷載及場地條件展開初步設計，明確設計方案的主體及要點，并厘清設計優化應當關注的重點參數。其次，按照上文所論述的承臺優化、填芯優化等方法分別展開優化設計。最后，將優化后的設計方案與原方案進行比對，評價其經濟性、科學性，并借助動靜載試驗進一步檢驗。主要得到下述結論：

（1）相較于梁式設計方法，在PHC樁承臺設計中應用“撐-系-桿”方法具有更好的經濟性。

（2）填芯處理能夠顯著改善樁體的抗彎、抗剪能力，使其水平承載力大大提升。這一方法在水平荷載比較突出的項目中具有很好的應用意義。

（3）按照3倍樁徑的標準確定樁間距能夠使群樁發揮良好的工作性能，達到合適的群樁效應系數，同時還可以起到荷載分擔作用，控制承臺截面尺寸。所以對于摩擦型群樁而言，3倍樁徑可以作為樁間距的取值標準。

（4）在該項目的樁基優化設計中，樁間距確定為3倍樁徑，承臺厚度及填芯長度分別定為1.5 m和4 m。根據實測得到的數據來看，PHC樁處于安全可靠的狀態，能夠滿足工程預期使用要求，具有良好的優化效果。

參考文獻

[1]李旺昌. PHC管樁在高速公路橋梁工程中的應用分析[J]. 建筑技術開發， 2021（14）： 89-90.

[2]趙生星. 淺談PHC預應力混凝土管樁在高速公路橋梁中的應用[J]. 黑龍江交通科技， 2021（5）： 107-108.

[3]楊麗娜， 張光義. PHC管樁應用于橋梁基礎中的設計探討[J]. 運輸經理世界， 2020（9）： 41-42.

[4]盧東明. 城市橋梁工程施工技術研究[J]. 中國科技投資， 2019（8）： 26+34.

[5]黃康. PHC管樁基礎在橋梁工程中的設計應用[J]. 公路交通科技（應用技術版）， 2018（10）： 217-220.

收稿日期：2022-01-13

作者簡介：劉冉（1988—），男，本科，工程師，研究方向：道路橋梁工程設計。