預制管樁在近海公路橋梁樁基礎中的應用
——以福清G324新厝公路樁板梁橋為例

程沛媛, 邱俊峰, 王壇華, 黃金局

(1.福建省交通規劃設計院有限公司, 福州 350004; 2.近海公路建設與養護新材料技術應用交通運輸行業研發中心, 福州 350004)

預應力混凝土管樁是采用離心和預應力工藝成型的圓環形截面的混凝土預制構件。近年來,預應力混凝土管樁由于其承載力高、施工速度快,具有良好的技術性能和顯著的經濟效益,越發被重視,應用范圍越來越廣泛[1-2]。目前,預制管樁基礎應用主要還是集中在工業、民用建筑和港口碼頭等工程中[3-4],不同領域工程在設計基準期、耐久性、承載力等方面存在較大差異,使得公路橋梁基礎的關于預應力管樁基礎方面設計、施工技術以及相應的標準規范累積不夠,導致公路橋梁樁基礎應用所占比例較少。公路橋梁樁基礎應用主要采用是灌注樁基礎,少數學者對公路橋梁的管樁基礎應用進行研究,施協東[5]、李旺昌[6]、黃康[7]等結合具體的工程應用,對普通管樁基礎設計、施工工藝進行分析。目前的應用研究還是基于普通的PHC管樁普通樁基,對于復合樁基應用少有提及。

許多學者對管樁基礎的性能進行了研究。張季超等[8]對混凝土管樁的耐久性進行探討,提出了多因素綜合作用下的耐久性研究方法。常洪林等[9]采用ABAQUS軟件研究了豎向荷載與焊接接頭的腐蝕程度對PHC管樁抗震性能的影響,提出了在樁身配置一定非預應力筋改善管樁的抗震性能。柴林杰等[10]采用ABAQUS對抱箍式連接接頭、嚙合式連接接頭以及內扣式連接接頭的力學性能進行研究,得出嚙合式連接接頭承載能力高,受力直接,是最經濟合理的機械性連接接頭。陳東升等[11]對不同沉樁方式、樁型的模型單樁進行樁基靜載實驗研究,得到靜壓樁的豎向極限承載力增大的速率和幅度比振動樁大,以及圓樁的豎向極限承載力增大的速率和幅度最大,管樁次之,方樁最小。周威等[12]對勁擴復合樁進行現場單樁載荷試驗研究,研究結果表明表現出大直徑樁的承載特性,勁擴復合樁的極限承載力是同直徑鉆孔灌注樁的1.39～1.69倍,側阻力計算值與預制樁及灌注樁樁側阻力經驗值的比值平均值為1.54～2.50。綜上所述,目前關于管樁基礎的性能已經取得一些成果,為樁基礎的研究和應用提供了理論基礎借鑒。但大多數研究主要還是針對單一性能進行,這與實際工程應用存在一定的差距,特別對于近海腐蝕環境中復合管樁在橋梁基礎應用。

基于福建省福清市公路樁板梁橋工程預制管樁基礎的應用,針對福建省近海腐蝕環境,對復合管樁樁基在橋梁基礎中的首次應用進行研究,從樁基礎選型、設計、承載力及施工要點分析等進行探討,為后期近海橋梁樁基礎推廣應用預制管樁基礎提供參考。

1 工程概況

福建省福清市公路樁板梁橋,上部為預制鋼筋混凝土板,標準跨徑6 m,下部結構為樁柱一體的預制樁柱,8～16 孔一聯,采用剛構體系,即預制樁柱直接與上部梁板固結連接,聯長50～98 m,單幅寬度為17.75 m,預制樁基礎采用復合植入預制管樁基礎[13],如圖1所示。

項目沿線大部分地區發育流塑狀淤泥及淤泥質黏土、淤泥,厚度為0.4～5.2 m,層底埋深為0.9～6.2 m;淤泥質黏土,厚度為0.6～6.6 m,層底埋深2.0～8.6 m,且部分線路跨越水渠、魚塘(部分將被填埋),或臨近河道邊緣。地層主要為流塑狀淤泥及淤泥質黏土,可塑狀粉質黏土、中密碎石、含碎石粉質黏土及粉土,硬塑狀殘積砂質黏性土,熔結凝灰巖及其風化層,典型地層分布如圖2所示,地層各類土物理力學指標如表1所示。

單位:mm圖1 樁板梁橋橫縱斷面示意圖

圖2 典型地層示意圖

表1 各地層物理力學指標

2 樁基礎選型

樁基礎樁型主要有傳統的灌注樁基礎和預制管樁基礎,結合福建省福清市某公路樁板梁橋工程,針對承載力、經濟性、施工工藝等方面進行對比分析。

2.1 樁基礎方案設計

2.1.1 預制樁方案

預制樁基礎采用植入法復合管樁基礎方案,預制管樁直徑為600 mm,外芯為100 mm厚混凝土層,復合樁基礎外徑為800 mm。本工程選用長芯復合樁,其管樁設計長度需大于外芯長度,樁端持力層根據地質條件不同可選擇砂土狀強風化熔結凝灰巖或碎塊狀強風化熔結凝灰巖。鉆孔深度應預留管樁錘擊入土深度Δ,錘擊入土深度應結合樁端地質情況及錘擊設備綜合確定,不同土層的預留錘擊入土深度Δ及收錘標準最終應通過現場試樁確定,如圖3(a)所示。

2.1.2 灌注樁方案

為了同深度對比分析,擬定灌注樁徑及承載力與植入法復合管樁基礎一致,樁基直徑為800 mm,樁端持力層也可選擇砂土狀強風化熔結凝灰巖或碎塊狀強風化熔結凝灰巖,如圖3(b)所示。

單位:mm圖3 樁基礎方案設計示意圖

2.2 方案比選分析

2.2.1 承載力對比分析

項目下部結構為一體化預制管樁柱,依據《公路橋涵地基與基礎設計規范》JTG D63—2007中規定,計算單樁軸向受壓承載力特征值。依據本項目實際情況選取不同地質條件、不同持力層情況計算承載力,計算對比如表2所示。

由表2可知,樁基直徑同為800 mm,同等樁長的預制管樁和灌注樁,在不同情況的地質情況、不同持力層情況下,預制管樁單樁豎向受壓承載力較灌注樁可提高1.6 倍以上。若達到相同單樁受壓承載力,相對于預制管樁基礎而言,灌注樁所需樁長更長。由此可知,預制管樁基礎有更高豎向承載力,可降低工程量。

表2 灌注樁與預制樁單樁軸向受壓承載力計算分析

2.2.2 經濟性分析

工程造價作為方案比選的主要因素之一,現就兩種方案的經濟性進行分析。上節對比分析可知相對比灌注樁,預制管樁可減小工程量,進而降低造價。灌注樁采用旋挖灌注樁,樁徑為800 mm,綜合單價約為1 200元/m,預制管樁采用植入工法沉樁,管樁直徑為600 mm,植樁外徑為800 mm,綜合單價約為950元/m,具體造價分析如表3所示。

由表3可知,相同單樁受壓承載力下,灌注樁工程造價為3.840和2.760 萬元,而預制管樁工程造價為2.185和1.520 萬元,預制管樁基礎方案造價節省了約50%,具有顯著的經濟性。

表3 灌注樁與預制樁造價分析

2.2.3 施工工藝分析

常規灌注樁基礎施工一般采用現場綁扎鋼筋籠及混凝土澆筑,施工質量受現場環境、人工等因素影響較大,不易管控,存在樁身質量、樁底沉渣厚度較難控制等問題,灌注樁施工到位后,需滿28 d后方可進行下道工序施工,工期較長。相較于灌注樁,預制樁樁身采用工廠生產,可實現標準化、機械化、智能化生產預制,樁身質量易控制,管樁出廠檢驗合格后方可運輸至現場進行植樁工法施工,植樁到位后,預制樁底直接穿透沉渣層打入強風化巖層中,樁端承載力即可發揮作用,樁側摩阻力7 d可滿足受力要求,工期較短。

3 預制管樁基礎設計

項目位于沿海氯鹽腐蝕環境,地震烈度為7°,峰值加速度為0.1g(g為重力加速度),對下部樁柱的防腐性能、抗彎抗剪能力要求高。下部結構設計時,樁基與橋墩均采用高強防腐管樁,一體施工成型,無須砍樁頭、立模施工橋墩等,施工工效提升50%以上,有效降低對周邊環境影響。

3.1 管樁選型

根據結構受力特點、場區地質條件等工程實際情況,本項目選用PHC-Ⅰ-600-AB和PRC-600-C兩種管樁類型?？紤]上節外露管樁受水平作用較大,選用混合配筋的高強度混凝土管樁(prestressed concrete pipe pile with hybrid reimtorcement, PRC型管樁),以滿足受力要求,打入地下的下節管樁采用普通高強混凝土管樁(prestressed high-strenth concrete pipe pile,PHC型管樁)即可滿足受力要求。樁長根據地質條件不同為15～24 m,以砂土狀強風化、碎塊狀強風化或中風化熔結凝灰巖為樁端持力層。

3.2 管樁構造設計

3.2.1 增加管樁鋼筋保護層厚度

依據規范要求,當樁基礎位于近?；蚝Ｑ舐然锃h境時,劣化機理為海洋環境下的氯鹽引起鋼筋銹蝕,預制基礎最外側鋼筋的混凝土保護層厚度應不小于45 mm,而常規管樁鋼筋保護層厚度約為35 mm,無法滿足要求,故將管樁基礎鋼筋保護層厚度調整為50 mm。

3.2.2 提升管樁樁身混凝土耐久性

樁身材料采用C80海工砼,要求抗滲等級不低于P12,氯離子滲透系數≤2.5×10-12m2/s;預制管樁養生工藝采用常壓蒸汽養護等適合的工藝,保證樁身混凝土后期強度的發展,提高樁身結構耐久性能,解決高壓蒸汽養護帶來的樁身脆性、耐久性能較差等問題[15-16]。

3.2.3 加強樁節間接頭連接措施

預制管樁節間連接為鋼制接頭,須現場施作,通過合理的配樁設計,盡量減少樁間連接接頭并避免接頭外露,樁間連接均采用焊接接頭并涂敷高性能防腐涂層的措施?？紤]在腐蝕環境中,焊縫會發生優先腐蝕,焊接部位腐蝕速度更快,端板的坡口應相應加深,加深的深度應根據焊接施工工藝確定。管樁端板及坡口考慮腐蝕余量后,端板厚度由24 mm調整為26 mm,將坡口的深度和高度(4.5 mm×12 mm)調整為(7.5 mm×20 mm),如圖4所示。

單位:mm圖4 焊接焊口尺寸示意圖

4 管樁基礎承載力分析

項目管樁施工采用植樁工法,植樁工法是一種新型的施工工藝,與常規管樁的受力規律有所不同,目前的交通部行業標準尚未對其承載力計算進行規定?？紤]其為橋梁樁基礎,依據《公路橋涵地基與基礎設計規范》JTG D3363—2019中的相關規定,分析植樁工法的受力特點,提出單樁豎向承載力的計算方法,并通過現場試驗進行對比驗證。

4.1 單樁豎向承載力計算分析

植樁工法是采用機械旋挖成孔,清孔后灌入混凝土,再錘擊植入預應力管樁,即管樁沉入孔底后有錘擊跟進,穿透沉渣打入原狀強風化以上巖層,終孔錘擊標準與沉樁工藝保持一致。根據植樁工法施工的特點,樁側摩阻力主要由管樁外側包裹混凝土與土體之間提供,按規范針對鉆(挖)孔灌注樁給出的計算公式中樁側摩阻力部分計算。樁端承載力僅考慮由預制管樁提供,則按規范針對沉樁相應的計算公式中樁端承載力部分計算。因此,可以得到的橋梁樁基礎中采用植樁工法的復合預制管樁基礎單樁軸向受壓承載力特征值計算公式為

從準則層（一級指標）來看，課堂學習效果V2（83.7）＞課后拓展效果V3（82.1）＞課前預習效果V1（80.2）＞學習監控與反饋V5（79.6）＞求助渠道暢通V4（78.7）。

(1)

式中:Ra為單樁軸向受壓承載力特征值;u為樁身周長;n為土的層數;qik為對應的各土層與樁側的摩阻力標準值;li為各土層的厚度;αr為樁端承載力的影響系數;λp為樁端土塞效應系數;qrk為樁端土的承載力標準值。

4.2 試驗結果對比

在福建省福清市某公路樁板梁橋工程現場進行了1根灌注樁基礎及2 根復合管樁基礎的單樁豎向靜載現場試驗,設計樁長均為15 m?，F場試驗樁基礎持力層為碎塊狀強風化層,為對比灌注樁與預制樁的極限承載力及變形情況,現場開展了破壞荷載試驗,分別計算了灌注樁與預制樁的地基承載力特征值,其中灌注樁基礎為1 664 kN、復合管樁基礎為2 565 kN,故最大試驗荷載取為5 130 kN。試驗采取慢速維持荷載法,加載分級進行,逐級等量加載。計算結果和試驗結果對比如下表4所示。

由表4可知,單樁樁基最大試驗荷載作用下樁頂沉降均小于10 mm,且沒有明顯沉降增大的現象,試驗樁均未達到極限狀態。預制樁的累計沉降值較灌注樁增大約30%,這是由于預制樁樁徑較小,且為中空截面,相同荷載下,樁身變形大于灌注樁。當試驗荷載卸載后,預制樁的殘余變形值較灌注樁減少約50%,這一方面是因為管樁樁身豎向彈性變形的恢復;另一方面是因為灌注樁樁底的沉渣層和原狀土層發生了較大的永久壓縮變形,而預制樁樁底為擠密后的強風化巖層,基本不產生沉降。試驗結果表明提出的復合預制管樁基礎單樁豎向承載力的計算方法是可行的,且有較大富余。

表4 單樁豎向承載力規范計算值與試驗結果對比

5 管樁施工工藝要點分析

工程采用植入法復合管樁基礎,先成孔后植入預制管樁,樁柱一體成型。成孔方式根據地質情況可采用挖鉆孔、長螺旋壓灌、水泥土攪拌等適合的工法,成孔深度應預留管樁錘擊入土深度。錘擊入土深度根據樁端地質情況及振動錘功率確定,不同土層的預留錘擊入土深度及收錘標準最終通過現場試樁確定。成樁以樁底標高及樁長控制為主,貫入度控制為輔,管樁長度根據樁頂反力與地層條件進行計算確定。

5.1 關鍵工序施工要點

植樁工法即采用旋挖鉆孔機械成孔(泥漿護壁)成孔,清孔后向孔底伸入導管,灌入混凝土,植入樁基礎的施工工序為:樁位放樣→旋挖成孔→成孔質量檢查→下導管→灌注混凝土→錘擊植入管樁→成樁。

(1)旋挖成孔:旋挖機鉆頭中心對準樁位中心,鉆孔至設計深度,孔徑較管樁直徑為200 mm。

(2)灌注混凝土:導管底端到孔底的距離為0.5～0.8 m,灌注細石混凝土,水下混凝土導管法灌注,施工現場根據成孔情況酌情調整充盈系數。

(3)錘擊植入管樁:一般情況下,樁底標高、樁端持力層、最后貫入度為收錘標準主要控制指標,其中樁端持力層為定性控制指標,樁底標高及最后貫入度為定量控制指標。

5.2 工法優勢

相對比鉆孔灌注工法,預制管樁基礎施工效率高,且污染小。同時,預制管樁是工廠預制而成,樁身質量容易保證。相對比傳統靜壓、錘擊工法,植樁工法施工的管樁基礎具有樁端持力層、樁長、樁底標高可控性強,避免了施工過程截樁、爆樁等常規沉樁工法存在的問題。主要優勢如下:

(1)相較于灌注樁,預制管樁基礎通過錘擊穿透孔底沉渣,壓入并擠密樁底土層,對持力層要求低,樁長更短;施工工期短,管樁施工到位7 d后即可進行下一道工序施工,而灌注樁養護時間需28 d。

(2)樁端持力層、樁長、樁底標高可控性強,避免了施工過程截樁、爆樁等常規沉樁工法存在的問題。

(3)樁基礎承載能力及穩定性有保證。每根管樁沉入孔底后有錘擊跟進,控制統一的終孔錘擊標準,均穿透沉渣打入原狀強風化以上巖層,地基承載力標準值至少為設計值的1.5 倍及以上,保證了每根樁基礎的穩定性,避免不均勻沉降的發生。

(4)樁身及接頭質量及耐久性能有保證。僅終孔入土時需進行少量錘擊,實際錘擊次數遠小于允許次數,避免了錘擊次數過多帶來的樁身開裂及樁間焊縫損傷。

6 結論

結合福建省某公路橋梁預制管樁應用的工程實例,從樁基礎選型、設計及計算分析以及施工要點分析等進行探討,得到以下結論。

(1)對比灌注樁,分析表明預制管樁基礎有更高的豎向承載力,可降低混凝土及鋼筋用量,具有一定的經濟性。同時,預制管樁裝配化高,樁身質量容易控制,可有效提高施工效率,縮短工期。

(2)對于近海環境中海水或大氣中的氯鹽侵蝕作用,對耐久性提出更高的要求。工程設計時,應根據實際情況采用適當加大保護層厚度、改進樁身材料、采用免蒸養工藝、優化樁間連接等措施改善管樁耐久性能。

(3)提出植樁工法單樁豎向承載力的計算方法是可行的,且計算結果富余程度較大。

(4)通過應用于具體的工程中,歸納和總結了植入法沉樁施工的關鍵工序和要點,對同類工程施工具有一定的指導意義。