PHC管樁在橋梁工程中的適用性及優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要 PHC管樁技術(shù)有著質(zhì)量可控、施工便捷、不均勻沉降小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中。文章以我國(guó)某工程實(shí)例為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)管理及試驗(yàn)，通過(guò)理論計(jì)算及數(shù)值模擬的方法，從承臺(tái)優(yōu)化、填芯補(bǔ)強(qiáng)等方面入手分析了PHC管樁的設(shè)計(jì)優(yōu)化。同時(shí)，對(duì)動(dòng)靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀測(cè)與分析，論證PHC管樁在橋梁工程中的適用性，為我國(guó)基礎(chǔ)工程建設(shè)提供理論支持。

關(guān)鍵詞 橋梁工程;PHC管樁;適用性;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) U445.551 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）06-0166-03

引言

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁是目前工程建設(shè)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(zhì)，同時(shí)造價(jià)相對(duì)較低，經(jīng)濟(jì)性突出，主要用于民用及工業(yè)建筑建設(shè)中，但在橋梁工程中卻涉及的較少[1]。所以，針對(duì)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(guó)某橋梁工程為例展開(kāi)分析，項(xiàng)目全長(zhǎng)約70.28 m，設(shè)計(jì)寬度為2×15.4 m，設(shè)計(jì)荷載定為公路I級(jí)。上部結(jié)構(gòu)選用先張法生產(chǎn)的4孔16 m空心板，采用預(yù)制生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)裝配的方式完成施工;下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩和內(nèi)板式橋臺(tái)設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目原設(shè)計(jì)方案采用鉆孔灌注樁，后應(yīng)業(yè)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(yàn)路段，對(duì)其展開(kāi)受荷分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2 橋梁樁基礎(chǔ)受荷分析

2.1 橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算

為了簡(jiǎn)化計(jì)算、降低工作量，統(tǒng)計(jì)分析墩柱上覆荷載上一般將結(jié)構(gòu)自重簡(jiǎn)化為線荷載，作用點(diǎn)定在墩帽上：預(yù)制空心板及鋪裝層視為墩帽所受的均布荷載，護(hù)欄則視為集中荷載，并將墩帽、墩柱當(dāng)作一個(gè)整體進(jìn)行分析[2]。具體來(lái)看，上部結(jié)構(gòu)自重荷載轉(zhuǎn)換后可得：跨徑為16 m的預(yù)制空心板自重荷載標(biāo)準(zhǔn)值為11.36 kN/m2;護(hù)欄自重荷載標(biāo)準(zhǔn)值為1.0 kN/m;厚度為10 cm 的瀝青混凝土自重荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2.3 kN/m2;厚度為10 cm 的現(xiàn)澆混凝土自重荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2.4 kN/m2。將上述均布荷載累計(jì)附加，并將其分布區(qū)段長(zhǎng)度定為16.5 m，護(hù)欄自重荷載作為集中荷載計(jì)算，如圖1所示。

若不考慮行車荷載的影響直接統(tǒng)計(jì)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(cè)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(tái)自身重量的影響，可以得出1、2、3號(hào)橋墩承臺(tái)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(jì)算

統(tǒng)計(jì)分析作用于蓋梁的汽車荷載，取蓋梁兩側(cè)各半跨寬度作為計(jì)算范圍，并根據(jù)偏心壓力法計(jì)算得到墩柱的影響線形狀，進(jìn)而得到最不利的加載影響線?；诮y(tǒng)計(jì)所得的荷載水平，計(jì)算得承臺(tái)頂?shù)牧ο登闆r。通過(guò)力學(xué)求解即可得出橋墩承臺(tái)頂?shù)淖畈焕胶奢d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(tái)設(shè)計(jì)及平面布置

借助空間桁架分析模型來(lái)計(jì)算的樁，在設(shè)計(jì)承臺(tái)時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)荷載分布、水文地質(zhì)等形成全面的認(rèn)識(shí)，并重點(diǎn)從承臺(tái)厚度及樁間距兩個(gè)方面研判承臺(tái)設(shè)計(jì)的科學(xué)性。在對(duì)承臺(tái)厚度及樁間距兩個(gè)因素分別進(jìn)行單變量分析后，還需要綜合考慮承臺(tái)設(shè)計(jì)優(yōu)化多重影響因素的相互關(guān)聯(lián)性，得出最優(yōu)的取值。

在分析這一問(wèn)題時(shí)可以將多因素影響抽象為數(shù)學(xué)模型，將其視為MATLAB優(yōu)化中的多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題：其中目標(biāo)為承臺(tái)的材料消耗量（M）;主要變量為樁間距（L）、承臺(tái)有效高度（h0）及頂層鋼筋與承臺(tái)底的間距（δ）。在具體工程中可根據(jù)實(shí)際情況確定以上參數(shù)具體的取值，并通過(guò)MATLAB完成優(yōu)化，該項(xiàng)目經(jīng)優(yōu)化后的結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)即可得到：合理樁間距也即最小樁間距。但這一結(jié)果僅按撐系桿設(shè)計(jì)模式發(fā)展而來(lái)，未能考慮到工程實(shí)際需求。在實(shí)際工程中，樁間距還有最小值的要求，所以按照規(guī)范要求取為3倍樁徑。對(duì)處于正常使用下的PHC樁承臺(tái)有效厚度進(jìn)行分析與求解，可得到如表2所示的結(jié)果。

根據(jù)承臺(tái)底的實(shí)際荷載分布情況，可計(jì)算得到單樁荷載分布的具體數(shù)值。在樁長(zhǎng)、樁數(shù)及樁頂荷載不變的情況下，樁基礎(chǔ)的優(yōu)化主要包括了承臺(tái)及樁間距兩部分。需要先計(jì)算得出承臺(tái)的最小有效厚度，同時(shí)采用PHC樁的橋梁工程樁間距一般在3～4倍樁徑的范圍內(nèi)，根據(jù)MATLAB的優(yōu)化功能來(lái)改進(jìn)模型取值，確定最佳設(shè)計(jì)方案。

將樁間距確定為3倍的樁徑，承臺(tái)有效厚度確定為124 cm，則承臺(tái)實(shí)際厚度=有效厚度+深入承臺(tái)長(zhǎng)度=124 cm+10 cm=134 cm。在該項(xiàng)目中，承臺(tái)的實(shí)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(shè)計(jì)

該項(xiàng)目模型分析以B型PHC樁為對(duì)象展開(kāi)，主要初始參數(shù)：直徑為60 cm，壁厚11 cm，長(zhǎng)度為15 m，樁內(nèi)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(shù)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮變形及強(qiáng)度兩個(gè)方面。在應(yīng)用快速拉格朗日有限差分法時(shí)，主要借助體積模量K及剪切模量G來(lái)描述材料的變形情況，其中K和G可按照下式計(jì)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(nèi)試驗(yàn)的方法確定，并按照進(jìn)行換算。

數(shù)值分析所用的全部參數(shù)均來(lái)自試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，且與PHC樁體、水文地質(zhì)相關(guān)的參數(shù)在分析過(guò)程中保持恒定。

基于有限單元法網(wǎng)格劃分的基本要求，一般對(duì)應(yīng)力水平較高、應(yīng)力變化復(fù)雜的位置采用更密集的網(wǎng)格[3]。而對(duì)應(yīng)力水平較小、應(yīng)力變化簡(jiǎn)單的位置則可采取更稀疏的網(wǎng)格劃分。

研究表明，填芯工藝能夠顯著提升管樁的力學(xué)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(yīng)力分布也更加合理[4]。在填芯處理后，管樁上可能導(dǎo)致水平開(kāi)裂的Z向正應(yīng)力以及導(dǎo)致剪切破壞的XY向剪應(yīng)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(duì)管樁能夠起到加固、分擔(dān)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(zhǎng)度對(duì)于樁身抗剪能力沒(méi)有顯著影響，且對(duì)抗彎能力的提升突出。此外，對(duì)于填芯長(zhǎng)度大于最大彎矩點(diǎn)1 m以上時(shí)，即使增加填芯長(zhǎng)度，樁最不利截面的應(yīng)力情況也不會(huì)產(chǎn)生較大變化。所以，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般以大于最大彎矩點(diǎn)1 m作為設(shè)計(jì)填芯長(zhǎng)度。

基于橋墩基礎(chǔ)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(shí)結(jié)合樁體上彎矩及剪力展開(kāi)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(rèn)為在樁端位置，即樁與承臺(tái)的連接點(diǎn)處。在考慮地震作用影響時(shí)，樁端由于存在應(yīng)力集中往往最早發(fā)生斷裂，在設(shè)計(jì)時(shí)就可借助填芯法著重強(qiáng)化樁端力學(xué)性能。樁身的彎矩一般在土體下約3 m位置達(dá)到峰值，且一般大于201 kN·m，也就是說(shuō)高于樁基抗裂彎矩檢驗(yàn)值，因此這一位置也是填芯補(bǔ)強(qiáng)的重點(diǎn)區(qū)域。為了降低施工難度，提升項(xiàng)目整體效益，填芯作業(yè)所用的材料一般可選用與承臺(tái)材料級(jí)配相同的C25水泥，鋼筋一般可采用10@100，填芯的長(zhǎng)度以4 m為宜。經(jīng)計(jì)算可得到填芯后樁體極限抗彎承載力達(dá)到了550 kN·m，且抗裂彎矩檢驗(yàn)值達(dá)到了278 kN·m，較補(bǔ)強(qiáng)前有更好的力學(xué)性能。

5 橋梁動(dòng)靜載實(shí)驗(yàn)

為了明確PHC樁基的受力狀態(tài)，項(xiàng)目借助動(dòng)靜載試驗(yàn)展開(kāi)分析。其中靜載試驗(yàn)借助等效加載的形式完成，加載通過(guò)三軸自卸式裝載車來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了保證試驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到預(yù)期目的，并保證加載過(guò)程的安全可靠，等效加載需要始終處于嚴(yán)格受控的狀態(tài)下并合理選定荷載效率系數(shù)。加載過(guò)程的荷載一般可按照4車道進(jìn)行布置。選定加載位置及工況時(shí)應(yīng)當(dāng)盡可能滿足以下基本原則[5]：采用盡可能少的車輛來(lái)達(dá)到預(yù)期最大荷載，同時(shí)根據(jù)工程實(shí)際條件優(yōu)化加載工況，將試驗(yàn)的時(shí)間控制在合理的范圍內(nèi)。在不降低試驗(yàn)整體效率的同時(shí)，可以對(duì)不同工況做出適當(dāng)?shù)暮喜⑻幚?，各個(gè)工況在滿足自身檢驗(yàn)內(nèi)容的同時(shí)，盡量兼顧其他檢驗(yàn)內(nèi)容。該項(xiàng)目靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)得到各個(gè)橋墩的沉降量均為0 mm，表明未產(chǎn)生沉降，橋梁處于相對(duì)安全狀態(tài)。

而在動(dòng)載試驗(yàn)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(cè)試面位置制動(dòng)，由此來(lái)施加給橋梁較大的沖擊作用，測(cè)量基礎(chǔ)的位移情況作為試驗(yàn)結(jié)果，其結(jié)果如表3所示。

根據(jù)上表可以發(fā)現(xiàn)，車輛行駛速度越高基礎(chǔ)所發(fā)生的水平位移也就越大，但變化量較小。試驗(yàn)測(cè)得最大水平宜約為0.07 mm，這也表明在動(dòng)載試驗(yàn)中橋梁的承載能力較好。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于已有PHC管樁工程案例，針對(duì)PHC樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化分析：首先需要基于工程現(xiàn)場(chǎng)的荷載及場(chǎng)地條件展開(kāi)初步設(shè)計(jì)，明確設(shè)計(jì)方案的主體及要點(diǎn)，并厘清設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)當(dāng)關(guān)注的重點(diǎn)參數(shù)。其次，按照上文所論述的承臺(tái)優(yōu)化、填芯優(yōu)化等方法分別展開(kāi)優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，將優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案與原方案進(jìn)行比對(duì)，評(píng)價(jià)其經(jīng)濟(jì)性、科學(xué)性，并借助動(dòng)靜載試驗(yàn)進(jìn)一步檢驗(yàn)。主要得到下述結(jié)論：

（1）相較于梁式設(shè)計(jì)方法，在PHC樁承臺(tái)設(shè)計(jì)中應(yīng)用“撐-系-桿”方法具有更好的經(jīng)濟(jì)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(xiàng)目中具有很好的應(yīng)用意義。

（3）按照3倍樁徑的標(biāo)準(zhǔn)確定樁間距能夠使群樁發(fā)揮良好的工作性能，達(dá)到合適的群樁效應(yīng)系數(shù)，同時(shí)還可以起到荷載分擔(dān)作用，控制承臺(tái)截面尺寸。所以對(duì)于摩擦型群樁而言，3倍樁徑可以作為樁間距的取值標(biāo)準(zhǔn)。

（4）在該項(xiàng)目的樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)中，樁間距確定為3倍樁徑，承臺(tái)厚度及填芯長(zhǎng)度分別定為1.5 m和4 m。根據(jù)實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)來(lái)看，PHC樁處于安全可靠的狀態(tài)，能夠滿足工程預(yù)期使用要求，具有良好的優(yōu)化效果。

參考文獻(xiàn)

[1]李旺昌. PHC管樁在高速公路橋梁工程中的應(yīng)用分析[J]. 建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)， 2021（14）： 89-90.

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

[3]楊麗娜， 張光義. PHC管樁應(yīng)用于橋梁基礎(chǔ)中的設(shè)計(jì)探討[J]. 運(yùn)輸經(jīng)理世界， 2020（9）： 41-42.

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

[5]黃康. PHC管樁基礎(chǔ)在橋梁工程中的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J]. 公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）， 2018（10）： 217-220.

收稿日期：2022-01-13

作者簡(jiǎn)介：劉冉（1988—），男，本科，工程師，研究方向：道路橋梁工程設(shè)計(jì)。