洞庭湖區(qū)高速公路橋梁PHC管樁適應性研究

王 卿，蓋永斌，李 瑜，劉 勇，陳 光

(湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410219)

0 引言

根據(jù)湖南省規(guī)劃，環(huán)洞庭湖區(qū)將新建，改擴建相當規(guī)模的交通基礎設施以滿足環(huán)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟圈發(fā)展的需求，其中不僅有跨江跨河的橋梁，還有部分公路路基出于節(jié)約耕地及防汛保通的需要將采用以橋代路的建造形式，如伍益高速公路、益常高速擴容等。在這些橋梁建設過程中，吸取以往工程的經(jīng)驗教訓，旨在不降低使用功能及結(jié)構(gòu)安全的前提下，探求在施工環(huán)保、提高質(zhì)量、縮短工期、降低造價等方面優(yōu)于常規(guī)鉆孔灌注樁的樁型方案。

PHC管樁是高強預應力混凝土管樁的簡稱，樁身截面為圓環(huán)形，樁身混凝土強度等級為C80及以上[1]。由于PHC管樁具有單樁豎向承載力高、耐久性好、施工速度快、環(huán)保、造價低、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點[2-5]，因而被廣泛應用于建筑、機場、碼頭、堤壩和道路等工程中。

國內(nèi)外學者針對PHC管樁的工程特性及工藝適應性進行了大量研究：邢皓楓等[6]通過靜荷載試驗、高應變和靜力觸探等現(xiàn)場試驗，研究了PHC管樁側(cè)摩阻力的分布特征，并提出了PHC管樁單樁豎向承載力的修正公式；郭宏磊等[7]基于理論和實測分析，提出了用逐次線性概似法加上殘差修正來預測PHC管樁單樁豎向承載力的方法；康景文等[8]研究了成都卵石地基條件下PHC管樁錘擊成樁工藝的適應性及豎向承載力的分布規(guī)律，為成都卵石地區(qū)PHC管樁承載力的確定提供了有益參考；Dung等[9]通過現(xiàn)場試驗和有限元分析，研究了溫度對PHC管樁受力性能的影響；律文田等[10]、蔡健等[11]、劉春林等[12]和Park等[13]也對PHC管樁的豎向承載力及受力性能進行了大量的理論數(shù)值分析和試驗研究。

近年來橋梁工程中開始有了采用PHC管樁作為橋梁基礎的工程實例[14-15]，但湖南省內(nèi)及洞庭湖區(qū)尚未有此先例，工程設計，施工及管理人員對PHC管樁的了解較少，對于橋梁工程是否可以采用PHC管樁作為基礎尚存在不同的看法，故有必要對PHC管樁在洞庭湖區(qū)地質(zhì)條件下的成樁工藝適應性和豎向承載力進行研究，以驗證PHC管樁在洞庭湖區(qū)地質(zhì)條件下作為橋梁基礎是否具備可行性。

本研究以位于洞庭湖區(qū)的湖南省首個裝配式橋梁基礎工程——湖南省伍市至益陽高速公路為依托，對洞庭湖區(qū)橋梁PHC管樁的成樁工藝適應性進行研究，分別采用堆載試驗法和自平衡試驗法研究PHC管樁的豎向承載力特性，研究成果可為洞庭湖區(qū)及其他類似地質(zhì)條件下公路橋梁采用PHC管樁基礎提供有益參考。

1 工程概況

1.1 地形地質(zhì)概況

湖南省伍市至益陽高速公路位于湖南省東北部，洞庭湖南緣，路線全長83.302 km，沿線主要為丘陵、崗地、河流階地地貌、濱湖平原地貌。從湘陰縣城以北至益陽市赫山區(qū)筆架山鄉(xiāng)的路段位于洞庭湖濱湖平原區(qū)，受湖區(qū)地形地質(zhì)條件影響及防洪抗汛的需求，本段大規(guī)模采用高架橋方案通過，橋梁長度達30 km。場地勘察深度范圍內(nèi)地層主要分布第四系全新統(tǒng)人工填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、砂層、圓礫等。試樁試驗場地樁長范圍內(nèi)各土層的物理力學參數(shù)見表1。

表1 試樁場地各土層地質(zhì)參數(shù)Tab.1 Geological parameters of each soil layer on pile test site

1.2 試樁參數(shù)

伍市至益陽高速公路施工前共完成了4根PHC管樁的靜載荷試驗，其中2根PHC管樁采用自平衡法，2根PHC管樁采用堆載法，樁基類型為本工程擬大規(guī)模應用的PHC600(130)-AB管樁。PHC管樁靜載荷試驗概況見表2，試樁場地各土層地質(zhì)分布情況如圖1所示。

圖1 試樁場地各土層地質(zhì)分布剖面圖Fig.1 Geological distribution profile of each soil layer in pile test site

表2 PHC管樁靜載荷試驗概況Tab.2 General situation of static load test on PHC pipe pile

2 現(xiàn)場試驗

2.1 錘擊沉樁工藝試驗

依托工程在試樁前編制了《伍益高速公路橋梁預應力混凝土管樁錘擊沉樁施工指南》，對打樁機具、送樁器，錘擊沉樁施工過程控制，異常情況處理等進行了具體的規(guī)定。為驗證公路橋梁PHC管樁采用錘擊沉樁工藝對洞庭湖區(qū)地質(zhì)條件的適應性，共進行6根PHC管樁的試打，并結(jié)合堆載試驗、自平衡試驗結(jié)果確定了該工程場地條件下的收錘標準。具體收錘標準如表3所示。

表3 伍益高速公路橋梁管樁收錘標準Tab.3 Hammer retraction criterion for pipe piles for Wushi-Yiyang expressway bridge

2.2 堆載試驗

試樁PHC2-1和PHC2-2采用堆載試驗測試。堆載試驗由預制混凝土梁及鋼梁搭成堆載平臺，在平臺上堆放混凝土梁塊，構(gòu)成加載反力系統(tǒng)，如圖2所示。加載采用2臺QF-1000-200分離式油壓千斤頂，通過BZ70-1油泵加載，千斤頂額定加載力為10 000 kN；加載過程由RS-JYC靜載荷測試分析儀自動控制，自動數(shù)據(jù)采集、記錄和存儲。采用慢速維持荷載法，單循環(huán)加載試驗。

1—主梁；2—承壓板；3—千斤頂；4—試樁；5—百分表(位移傳感器)；6—基準梁；7—付梁；8—混凝土梁塊。圖2 堆載試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of heap load test

試樁沉降變形通過對稱布置于樁頭的4個位移傳感器采集，精度0.01 mm。位移傳感器采用磁性表座固定于基準梁上，基準梁采用工字鋼，基準梁支點與試樁中心的距離為4.5 m，與壓重平臺支承邊的距離為4.0 m。加載重心應與試樁軸線一致。加載應分級進行，采用慢速維持加載法，加載過程中不使荷載超過每級的規(guī)定值。試樁每級加載量按預估最大加載量的1/10-1/15進行，第1次加載2級荷載，卸載的每級卸載量按2級加載量進行。預估最大荷載采用設計荷載的2倍。堆載試驗所用儀器設備如表4所示。

表4 儀器設備一覽表Tab.4 List of instrument and equipment

2.3 自平衡試驗

試樁PHC1-2，PHC3-2采用自平衡試驗測試，執(zhí)行具體細則參照《建筑基樁自平衡靜載試驗技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 403—2017)[16-17]。試驗采用慢速維持荷載法，每級加載為200 kN，第1級按兩倍荷載400 kN 加載；卸載也分級進行，每級卸載量為3倍加載級。樁身內(nèi)預先埋設單個荷載箱，荷載箱距離樁端0.2 m，如圖3所示。

利用樁身各土層分界面處布置的光纖應力計所測數(shù)據(jù)計算出樁身軸力，間接求出不同土層樁側(cè)阻力，樁端阻力可由下荷載箱所測數(shù)據(jù)減去下段樁側(cè)阻力求得。采用4支電子位移計測量試樁位移量的變化，電子位移計通過磁性表座固定在基準梁上，2支用來測量荷載箱頂板的位移，2支用來測量荷載箱底板的位移。

2.4 分布式光纖布置

對試樁試驗的PHC管樁進行分布式光纖監(jiān)測，在加載過程中實時獲取樁身軸力分布，推導樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律，從而獲得不同土層的樁側(cè)摩阻參數(shù)，為工程設計和指導施工提供技術(shù)依據(jù)和建議。

3 PHC管樁靜載試驗結(jié)果及分析

3.1 樁側(cè)摩阻力與深度變化關系

利用樁身預埋內(nèi)力測試元件，根據(jù)樁身軸力和樁身截面的參數(shù)計算得到，計算公式如下：

(1)

式中，τ為第i層土的側(cè)摩阻力；D為樁的直徑；Li為相鄰斷面光纖應力計間的距離。通過自平衡試驗可測得PHC管樁在各級荷載作用下各土層的側(cè)摩阻力沿深度分布的曲線如圖4所示，各土層實測樁側(cè)摩阻力及其對應位移如表5～表6所示。

圖4 自平衡試驗樁側(cè)阻力-深度曲線Fig.4 Curves of pile side resistance vs. depth obtained by self-balancing test

表5 PHC1-2各土層側(cè)摩阻力Tab.5 Side friction resistance of PHC1-2 in each soil layer

由表5～表6可以看出：各土層的實測摩阻力變化趨勢與地勘報告土層摩阻力變化趨勢一致，表明現(xiàn)場試驗結(jié)果正確；各土層的實測摩阻力均高于地勘報告土層摩阻力，尤其在圓礫層中PHC管樁側(cè)摩阻力發(fā)揮情況良好，這是因為PHC管樁沉樁過程中會產(chǎn)生擠土效應，從而導致樁側(cè)摩阻力相比于鉆孔灌注樁有一定程度的提高。通過現(xiàn)場沉樁工藝試驗和自平衡試驗，驗證了PHC管樁在本項目洞庭湖區(qū)地質(zhì)條件下具有良好的適應性。

3.2 樁端阻力與位移變化關系

利用自平衡試驗中荷載箱設于樁端附近的特點，可以得到不同荷載下的樁端阻力，還可以通過加載過程中測得的位移量得到不同樁端阻力對應的樁端位移，據(jù)此可以繪制出樁端阻力與位移的關系曲線，如圖5所示。

圖5 自平衡試驗樁端阻力-位移曲線Fig.5 Curves of pile end resistance vs. displacement obtained by self-balancing test

3.3 樁頂荷載與樁頂沉降變化關系

采用堆載試驗測試的PHC2-1，PHC2-2試樁可以直接得到樁頂荷載與樁頂沉降的Q-s曲線，采用自平衡試驗測試的PHC1-2，PHC3-2試樁需要將所得結(jié)果根據(jù)相關規(guī)程中方法轉(zhuǎn)換成等效的樁頂荷載與樁頂沉降的Q-s曲線，具體如圖6所示。

由圖6可以看出，所有PHC管樁在試樁加載破壞之前，樁頂沉降均隨著加載的增大而增大，近似呈線性發(fā)展趨勢。加載至破壞時，除試樁PHC2-1的Q-s曲線呈緩變型外，其余所有試樁樁頂均出現(xiàn)快速下沉、沉降量急劇增大，表明樁體發(fā)生了刺入破壞，呈現(xiàn)出典型的摩擦樁破壞模式。

3.4 樁端樁側(cè)承載比

通過自平衡試驗，可以求得各試樁的總側(cè)阻力和總端阻力，具體如圖7所示。

圖7 試樁總側(cè)阻力及總端阻力Fig.7 Total side resistance and total end resistance of test piles

由圖7可以看出，各試樁的端阻力占比均比較接近，變化幅度在29%～33%之間。端阻力有著一定的占比，表明本項目洞庭湖區(qū)以圓礫作為持力層的PHC管樁為端承摩擦型樁。

上述試驗結(jié)果表明：對于洞庭湖區(qū)以圓礫作為持力層的地質(zhì)條件而言，PHC管樁能有效發(fā)揮樁端承載力，樁端承載力在整個單樁承載力中占比較高，同時各土層PHC管樁側(cè)摩阻力發(fā)揮良好，且明顯高于地勘報告中的土層摩阻力。因此，采用PHC管樁作為橋梁基礎時，可根據(jù)設計要求合理采用群樁形式，以充分發(fā)揮PHC管樁的承載力性能，從而滿足橋梁樁基承載力的設計要求。

4 PHC管樁豎向承載力對比分析

PHC管樁采用錘擊法進行擠土施工，樁端必然存在一定程度的土塞效應。管樁土塞有利于單樁承載力的發(fā)揮，因此在分析計算洞庭湖區(qū)PHC管樁單樁豎向極限承載力時應予以考慮。

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[18]在計算管樁承載力時考慮了土塞效應，并根據(jù)樁端進入持力層的深度與樁徑之比，引入了樁端阻力折減系數(shù)λp，具體計算公式如下：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)，

(2)

式中，Qsk為總極限側(cè)阻力標準值。Qpk為總極限端阻力標準值。Aj為管樁空心樁樁端凈面積。u為樁身周長。Ap1為管樁空心樁敞口面積。λp為樁端土塞效應系數(shù)。hd為樁端入土層深度。d為管樁外徑；當hd/d<5時，λp=0.16hd/d；當hd/d≥5時，λp=0.8；qsik為極限側(cè)阻力標準值。qpk為極限端阻力標準值。li為試樁樁長。

邢皓楓等[6]認為，PHC管樁存在不能忽略不計的24%左右土塞效應，因此在進行PHC管樁單樁豎向極限承載力計算時應考慮土塞產(chǎn)生的內(nèi)壁側(cè)摩阻力和樁端土密實增加的端阻力，并提出了PHC管樁單樁承載力修正公式如下：

Quk=(u1+αu2)hiqsik+βApqpk，

(3)

式中，α和β分別為土塞效應修正系數(shù)和端阻力修正系數(shù)；u1和u2分別為PHC管樁的外壁周長和內(nèi)壁周長；qsik為極限側(cè)阻力標準值；qpk為極限端阻力標準值；hi為各土層厚度；Ap為管樁外壁面積。

將上述兩種公式計算所得的PHC管樁單樁承載力與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比，對比結(jié)果如表7所示。其中Quk1，Quk2，Quk3分別表示試樁單樁承載力實測值，《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》計算值，文獻[6]計算值。

表7 單樁承載力計算值與實測值對比Tab.7 Comparison of single pile bearing capacity calculated values with measured values

由表7可以看出，Quk1與Quk2單樁承載力最大偏差為8%，最小偏差為7%，說明實測值與《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》計算值誤差較小，可靠性更高；同時《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》公式取值偏保守，安全系數(shù)大于1。Quk1與Quk3單樁承載力最大偏差為25%，最小偏差為22%，說明實測值與文獻[6]計算值誤差較大，可靠性差；同時文獻[6]中取值偏高，安全系數(shù)小于1。這是因為文獻[6]中計算單樁承載力的公式對整個樁身范圍的側(cè)阻力進行了修正，而PHC管樁土塞效應有一定的有效高度，不會在整個樁長范圍內(nèi)產(chǎn)生，因此導致文獻[6]計算值大于實測值。

經(jīng)過對比分析上述兩種方法的計算值和實測值，可以看出在洞庭湖區(qū)采用《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》公式計算PHC管樁單樁承載力的誤差相對較小，同時可保證有一定的安全系數(shù)。

5 結(jié)論

本研究以洞庭湖區(qū)伍益高速公路中小跨徑橋梁為工程背景，試驗研究了PHC管樁在洞庭湖區(qū)地質(zhì)條件下的成樁工藝適應性及單樁豎向承載力特征，得到以下結(jié)論。

(1)伍益高速公路橋梁PHC管樁基礎的成功應用，證明了PHC管樁采用錘擊沉樁工藝對洞庭湖區(qū)地質(zhì)具有良好的適應性。

(2)所有PHC管樁在試樁加載破壞之前，沉降變形均近似呈線性發(fā)展趨勢；加載至破壞時，呈現(xiàn)典型摩擦樁破壞模式。在洞庭湖區(qū)地質(zhì)條件下，PHC管樁能有效發(fā)揮樁端承載力，平均端阻力占比約為31%，為端承摩擦型樁。各土層PHC管樁側(cè)摩阻力發(fā)揮良好，且明顯高于地勘報告中的側(cè)摩阻力值。

(3)經(jīng)過實測值和兩種計算公式所得計算值的對比分析，表明在洞庭湖地區(qū)采用《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》計算PHC管樁單樁承載力的誤差相對較小，同時可保證有一定的安全系數(shù)。

目前，伍益高速公路已全線通車，進一步顯示出洞庭湖區(qū)高速公路橋梁采用PHC管樁具有良好的適應性，本研究成果可為洞庭湖區(qū)及其他類似地質(zhì)條件下公路橋梁采用PHC管樁基礎提供有益參考。