PHC樁填芯補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在高速公路橋梁工程中的應(yīng)用研究

肖林峻

(聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院,山東聊城 252000)

PHC樁填芯補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在高速公路橋梁工程中的應(yīng)用研究

肖林峻

(聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院,山東聊城 252000)

PHC管樁具有施工質(zhì)量容易控制、施工速度快、工后沉降及不均勻沉降小、單樁承載力高、單位承載力造價(jià)便宜等優(yōu)點(diǎn)。工程中多應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑中,為在高速公路橋梁工程中推廣應(yīng)用,結(jié)合PHC管樁在某高速公路橋梁工程中的應(yīng)用實(shí)例,分析了PHC樁身性狀,從管樁填芯、樁長(zhǎng)和樁間距等幾個(gè)方面,對(duì) PHC管樁在橋梁工程中的應(yīng)用進(jìn)行了研究,最后通過橋梁動(dòng)靜載試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明 PHC管樁能應(yīng)用于高速公路橋梁工程。

PHC管樁; 管樁填芯; P-y曲線法; 承臺(tái)荷載分擔(dān)比; 橋梁

PHC樁在橋梁樁基礎(chǔ)中的應(yīng)用和普及還存在許多問題,其作為一種有廣闊應(yīng)用空間和發(fā)展?jié)摿Φ男滦蜆痘?需要對(duì)其存在的問題進(jìn)行深入研究并找到合適的解決途徑。本文以江蘇省寧常高速公路湯莊分離式立交橋工程為依托,采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)數(shù)值模擬和理論分析的方法對(duì)PHC樁在高速公路橋梁工程中的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)研究,為PHC樁在高速公路橋梁工程中的推廣應(yīng)用提供參考。

1 PHC樁填芯補(bǔ)強(qiáng)研究

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水平靜荷載試驗(yàn)和相關(guān)工程情況,采用大型有限元軟件FLAC先建立樁基礎(chǔ)的三維模型,依據(jù)靜載荷試驗(yàn)中每級(jí)荷載大小進(jìn)行數(shù)值模擬的加載,計(jì)算出樁頂水平位移并和靜載荷及理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),采用P-y曲線法和該數(shù)值模擬模型分析單樁填芯以后受水平荷載時(shí)樁身受力特性的變化是較為合理的。

根據(jù)某實(shí)際工程所在場(chǎng)地土體:0～5m為亞黏土,Es= 10MPa,C=50 kPa,φ=15°,γ=19 kN/m3;5～10m為粉砂, Es=14MPa,C=5 kPa,φ=30°,γ=18.5 kN/m3;10～15m為黏土,Es=11MPa,C=60 kPa,φ=16°,γ=19.5 kN/m3進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn),得到ε50=0.007,Y50=0.024m,實(shí)測(cè)水平極限承載力為424 kN,采用Matlock的P-y曲線法,得到該場(chǎng)地的P-y曲線為

將所研究的影響樁身彎矩分布的三個(gè)因素、單樁所受荷載、樁身材料彈性模量等賦予一定的初始數(shù)值,以便能更好地計(jì)算和分析三個(gè)因素對(duì)樁身彎矩分布的影響。當(dāng)分析任意一個(gè)因素變化對(duì)樁身彎矩分布的影響時(shí),其它因素、單樁所受荷載、樁身材料、土體P-y曲線等保持初值不變,初始值樁徑60 cm,壁厚10 cm,樁長(zhǎng)16m,PHC樁受樁頂水平荷載為200 kN,彎矩為0,樁身混凝土彈模E=3.8×107kPa。計(jì)算結(jié)果見圖 1～圖 3。由計(jì)算結(jié)果可以得出,樁徑的大小對(duì)樁身彎矩分布有著比較顯著的影響,當(dāng)樁徑從 40 cm增大到70 cm時(shí),樁身最大彎矩增大40%,而樁身最大彎矩的位置基本變化不大,都在泥面以下 2～4m處;隨著管樁壁厚的增加,樁身彎矩的變化都不大,壁厚從8 cm到12 cm,最大彎矩值從270 kN·m增加到320 kN·m,增幅不超過20%,而彎矩極值點(diǎn)的位置基本保持不變,這說明在工程實(shí)際中,基本上可以忽略壁厚對(duì)填芯位置的影響;隨著樁長(zhǎng)的增加,最大彎矩點(diǎn)逐步下降,且最大彎矩值增加顯著,樁長(zhǎng)從 9 m增加到18m,最大彎矩值從230 kN·m增加到370 kN·m,增幅達(dá)到60%;當(dāng)水平加載為極限承載力一半時(shí),PHC樁樁身彎矩極值已經(jīng)接近或達(dá)到規(guī)范極限抗裂彎矩值,樁基的安全已經(jīng)存在隱患,因此采用填芯補(bǔ)強(qiáng)是很有必要的。

圖1 樁徑對(duì)樁身彎矩的影響

管樁填芯的研究主要目的是確定管樁樁身需要填芯的確切部位和弄清填芯各因素的影響。采用圓形截面偏心受壓構(gòu)件正截面承載能力的計(jì)算公式Mu=Br3fcd+Dρgr3fsd計(jì)算填芯PHC樁抗彎承載力,式中Mu為填芯管樁截面抗彎承載力,r為樁半徑,ρ為縱向鋼筋配筋率;fcd為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,fsd為鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,g為管樁鋼筋等效鋼環(huán)半徑和管樁半徑之比。采用下列公式計(jì)算填芯 PHC樁抗剪承載力

圖2 壁厚對(duì)樁身彎矩的影響

圖3 樁長(zhǎng)對(duì)樁身彎矩的影響

式中:V為抗剪強(qiáng)度(N);t為管樁壁厚(mm);I為混凝土截面相對(duì)中心軸的慣心矩;S0為相對(duì)于中心軸以上截面中心截面靜矩;fyv為箍筋強(qiáng)度;Asv1為箍筋截面積;α為箍筋和圓環(huán)軸線的夾角;s為箍筋間距;λ為剪跨比,b,h0為矩形截面高和寬;f1為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度;σpc為混凝土法向預(yù)壓應(yīng)力。

計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),填芯對(duì)管樁極限抗彎、抗剪承載力影響較大;當(dāng)混凝土級(jí)別達(dá)到 C60時(shí),管樁水平抗彎極限承載力增大到780 kN·m,增幅達(dá)到80%;當(dāng)初始的填芯混凝土級(jí)別是 C20的時(shí)候,管樁水平抗剪極限承載力已經(jīng)從 263 kN提高到 374 kN,增幅達(dá)到 43%,補(bǔ)強(qiáng)效果十分顯著。配筋對(duì)管樁極限抗彎、抗剪承載力影響不明顯,當(dāng)配筋率增大到原配筋量 3倍的時(shí)候,抗彎承載力的增幅僅僅達(dá)到了 10%,采用箍筋的用量是初始用量的4倍時(shí),其抗剪承載力比一倍鋼筋用量時(shí)僅僅增加22%。采用上述FLAC有限元模型對(duì)管樁填芯長(zhǎng)度進(jìn)行分析,填芯長(zhǎng)度分別采用從樁頂至超過樁身最大彎矩點(diǎn) 0.5m、1.0m、1.5m,計(jì)算結(jié)果表明填芯體長(zhǎng)度的增加對(duì)樁身抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)基本沒有什么影響,當(dāng)填芯體長(zhǎng)度超過最大彎矩點(diǎn) 1m時(shí),增加填芯長(zhǎng)度對(duì)樁身最不利受荷面的應(yīng)力分布的影響較小。

2 PHC樁樁長(zhǎng)與間距有限元分析

運(yùn)用FLAC建立三維有限元模型,對(duì)樁長(zhǎng)、樁間距進(jìn)行數(shù)值分析;樁基礎(chǔ)三維計(jì)算模型初始情況如下:直徑60 cm,壁厚11 cm,長(zhǎng)度為15m的B型PHC樁,樁間距為3倍樁徑,樁數(shù)為 4根,承臺(tái)厚度為2m,承臺(tái)平面尺寸隨樁數(shù)和樁間距的變化而改變。計(jì)算時(shí)對(duì)承臺(tái)邊緣到角樁中心的距離進(jìn)行控制,保持為D/2+30 cm,數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果見圖 4～圖 7。

圖4 承臺(tái)荷載分擔(dān)比與樁長(zhǎng)之關(guān)系

圖5 承臺(tái)荷載分擔(dān)比與樁間距之關(guān)系

從圖 4～圖 7可知,隨著樁長(zhǎng)的增加,承臺(tái)的荷載分擔(dān)比逐漸減小。承臺(tái)的荷載分擔(dān)比在樁長(zhǎng)為10m時(shí)比樁長(zhǎng)為 30 m時(shí)高出 16.2個(gè)百分點(diǎn)。但是樁長(zhǎng)在 20m以上時(shí),承臺(tái)的荷載分擔(dān)比隨樁長(zhǎng)變長(zhǎng)而減小的幅度非常緩慢。承臺(tái)荷載分擔(dān)比隨樁間距的增加而增加,增長(zhǎng)的幅度逐漸趨于緩慢;當(dāng)樁間距從 2倍樁徑變化到 3倍樁徑時(shí),承臺(tái)荷載分擔(dān)比變化最為顯著,當(dāng)樁間距大于 4倍樁徑時(shí),承臺(tái)的荷載分擔(dān)比隨樁間距的增大而增大的幅度變得很小。考慮其群樁效應(yīng),在高速公路橋梁PHC樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中,長(zhǎng)徑比控制在35左右,樁間距布置為 3～4倍樁徑比較合理。

圖6 樁長(zhǎng)變化時(shí)群樁荷載-沉降曲線

圖7 樁間距變化時(shí)群樁荷載-沉降曲線

3 結(jié)論

(1)樁徑的大小對(duì)樁身彎矩分布有著比較顯著的影響,樁身最大彎矩的位置基本變化不大,都在地面以下 2～4 m處;隨著管樁壁厚的增加,樁身彎矩的變化都不大,彎矩極值點(diǎn)的位置基本保持不變,在工程實(shí)際中,基本上可以忽略壁厚對(duì)填芯位置的影響;隨著樁長(zhǎng)的增加,最大彎矩點(diǎn)逐步下降,且最大彎矩值增加顯著,樁長(zhǎng)從9m增加到18m,最大彎矩值從230 kN·m增加到370 kN·m,增幅達(dá)到60%;當(dāng)水平加載為極限承載力一半時(shí),PHC樁樁身彎矩極值已經(jīng)接近或達(dá)到規(guī)范極限抗裂彎矩值,樁基的安全已經(jīng)存在隱患,采用填芯補(bǔ)強(qiáng)是很有必要的。

(2)填芯對(duì)PHC管樁極限抗彎、抗剪承載力影響較大;配筋對(duì)管樁極限抗彎、抗剪承載力影響不明顯,通過填芯體混凝土級(jí)別的增大來提高管樁水平極限抗彎、抗剪承載力是一種十分可行的方案。

(3)填芯體長(zhǎng)度的增加對(duì)PHC管樁樁身抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)基本沒有什么影響,當(dāng)填芯體長(zhǎng)度超過最大彎矩點(diǎn) 1 m時(shí),增加填芯長(zhǎng)度對(duì)樁身最不利受荷面的應(yīng)力分布的影響較小,因此在實(shí)際工程中采用的填芯長(zhǎng)度以超過最大彎矩點(diǎn) 1 m左右為宜。

(4)隨著PHC管樁樁長(zhǎng)的增加,承臺(tái)的荷載分擔(dān)比逐漸減小;承臺(tái)荷載分擔(dān)比隨樁間距的增加而增加,增長(zhǎng)的幅度逐漸趨于緩慢;考慮其群樁效應(yīng),在高速公路橋梁PHC樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中長(zhǎng)徑比控制在 35左右,樁間距布置為 3～4倍樁徑比較合理。

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TU984.191

A

2009-09-04

肖林峻(1975～),男,山東聊城人,主要從事建筑施工管理。