王 卿，蓋永斌，李 瑜，劉 勇，陳 光

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)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(kuò)建相當(dāng)規(guī)模的交通基礎(chǔ)設(shè)施以滿足環(huán)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)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(kuò)容等。在這些橋梁建設(shè)過程中，吸取以往工程的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，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(jià)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(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的簡(jiǎn)稱，樁身截面為圓環(huán)形，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(jià)低、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[2-5]，因而被廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)場(chǎng)、碼頭、堤壩和道路等工程中。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)PHC管樁的工程特性及工藝適應(yīng)性進(jìn)行了大量研究：邢皓楓等[6]通過靜荷載試驗(yàn)、高應(yīng)變和靜力觸探等現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，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(shí)測(cè)分析，提出了用逐次線性概似法加上殘差修正來預(yù)測(cè)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(yīng)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(chǎng)試驗(yàn)和有限元分析，研究了溫度對(duì)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(duì)PHC管樁的豎向承載力及受力性能進(jìn)行了大量的理論數(shù)值分析和試驗(yàn)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(chǔ)的工程實(shí)例[14-15]，但湖南省內(nèi)及洞庭湖區(qū)尚未有此先例，工程設(shè)計(jì)，施工及管理人員對(duì)PHC管樁的了解較少，對(duì)于橋梁工程是否可以采用PHC管樁作為基礎(chǔ)尚存在不同的看法，故有必要對(duì)PHC管樁在洞庭湖區(qū)地質(zhì)條件下的成樁工藝適應(yīng)性和豎向承載力進(jìn)行研究，以驗(yàn)證PHC管樁在洞庭湖區(qū)地質(zhì)條件下作為橋梁基礎(chǔ)是否具備可行性。

本研究以位于洞庭湖區(qū)的湖南省首個(gè)裝配式橋梁基礎(chǔ)工程——湖南省伍市至益陽高速公路為依托，對(duì)洞庭湖區(qū)橋梁PHC管樁的成樁工藝適應(yīng)性進(jìn)行研究，分別采用堆載試驗(yàn)法和自平衡試驗(yàn)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(chǔ)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(zhǎng)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(zhǎng)度達(dá)30 km。場(chǎng)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(yàn)場(chǎng)地樁長(zhǎng)范圍內(nèi)各土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 試樁場(chǎng)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(yàn)，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(yīng)用的PHC600(130)-AB管樁。PHC管樁靜載荷試驗(yàn)概況見表2，試樁場(chǎng)地各土層地質(zhì)分布情況如圖1所示。

圖1 試樁場(chǎng)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(yàn)概況Tab.2 General situation of static load test on PHC pipe pile

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 錘擊沉樁工藝試驗(yàn)

依托工程在試樁前編制了《伍益高速公路橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土管樁錘擊沉樁施工指南》，對(duì)打樁機(jī)具、送樁器，錘擊沉樁施工過程控制，異常情況處理等進(jìn)行了具體的規(guī)定。為驗(yàn)證公路橋梁PHC管樁采用錘擊沉樁工藝對(duì)洞庭湖區(qū)地質(zhì)條件的適應(yīng)性，共進(jìn)行6根PHC管樁的試打，并結(jié)合堆載試驗(yàn)、自平衡試驗(yàn)結(jié)果確定了該工程場(chǎng)地條件下的收錘標(biāo)準(zhǔn)。具體收錘標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

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

2.2 堆載試驗(yàn)

試樁PHC2-1和PHC2-2采用堆載試驗(yàn)測(cè)試。堆載試驗(yàn)由預(yù)制混凝土梁及鋼梁搭成堆載平臺(tái)，在平臺(tái)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(tái)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(cè)試分析儀自動(dòng)控制，自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、記錄和存儲(chǔ)。采用慢速維持荷載法，單循環(huán)加載試驗(yàn)。

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(zhǔn)梁；7—付梁；8—混凝土梁塊。圖2 堆載試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of heap load test

試樁沉降變形通過對(duì)稱布置于樁頭的4個(gè)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(zhǔn)梁上，基準(zhǔn)梁采用工字鋼，基準(zhǔn)梁支點(diǎn)與試樁中心的距離為4.5 m，與壓重平臺(tái)支承邊的距離為4.0 m。加載重心應(yīng)與試樁軸線一致。加載應(yīng)分級(jí)進(jìn)行，采用慢速維持加載法，加載過程中不使荷載超過每級(jí)的規(guī)定值。試樁每級(jí)加載量按預(yù)估最大加載量的1/10-1/15進(jìn)行，第1次加載2級(jí)荷載，卸載的每級(jí)卸載量按2級(jí)加載量進(jìn)行。預(yù)估最大荷載采用設(shè)計(jì)荷載的2倍。堆載試驗(yàn)所用儀器設(shè)備如表4所示。

表4 儀器設(shè)備一覽表Tab.4 List of instrument and equipment

2.3 自平衡試驗(yàn)

試樁PHC1-2，PHC3-2采用自平衡試驗(yàn)測(cè)試，執(zhí)行具體細(xì)則參照《建筑基樁自平衡靜載試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 403—2017)[16-17]。試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，每級(jí)加載為200 kN，第1級(jí)按兩倍荷載400 kN 加載；卸載也分級(jí)進(jìn)行，每級(jí)卸載量為3倍加載級(jí)。樁身內(nèi)預(yù)先埋設(shè)單個(gè)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(yīng)力計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)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(cè)數(shù)據(jù)減去下段樁側(cè)阻力求得。采用4支電子位移計(jì)測(cè)量試樁位移量的變化，電子位移計(jì)通過磁性表座固定在基準(zhǔn)梁上，2支用來測(cè)量荷載箱頂板的位移，2支用來測(cè)量荷載箱底板的位移。

2.4 分布式光纖布置

對(duì)試樁試驗(yàn)的PHC管樁進(jìn)行分布式光纖監(jiān)測(cè)，在加載過程中實(shí)時(shí)獲取樁身軸力分布，推導(dǎo)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(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工提供技術(shù)依據(jù)和建議。

3 PHC管樁靜載試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 樁側(cè)摩阻力與深度變化關(guān)系

利用樁身預(yù)埋內(nèi)力測(cè)試元件，根據(jù)樁身軸力和樁身截面的參數(shù)計(jì)算得到，計(jì)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(yīng)力計(jì)間的距離。通過自平衡試驗(yàn)可測(cè)得PHC管樁在各級(jí)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(shí)測(cè)樁側(cè)摩阻力及其對(duì)應(yīng)位移如表5～表6所示。

圖4 自平衡試驗(yàn)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(shí)測(cè)摩阻力變化趨勢(shì)與地勘報(bào)告土層摩阻力變化趨勢(shì)一致，表明現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果正確；各土層的實(shí)測(cè)摩阻力均高于地勘報(bào)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?yàn)镻HC管樁沉樁過程中會(huì)產(chǎn)生擠土效應(yīng)，從而導(dǎo)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(chǎng)沉樁工藝試驗(yàn)和自平衡試驗(yàn)，驗(yàn)證了PHC管樁在本項(xiàng)目洞庭湖區(qū)地質(zhì)條件下具有良好的適應(yīng)性。

3.2 樁端阻力與位移變化關(guān)系

利用自平衡試驗(yàn)中荷載箱設(shè)于樁端附近的特點(diǎn)，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(cè)得的位移量得到不同樁端阻力對(duì)應(yīng)的樁端位移，據(jù)此可以繪制出樁端阻力與位移的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 自平衡試驗(yàn)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(guān)系

采用堆載試驗(yàn)測(cè)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(yàn)測(cè)試的PHC1-2，PHC3-2試樁需要將所得結(jié)果根據(jù)相關(guān)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(shì)。加載至破壞時(shí)，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(yàn)，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(xiàng)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(yàn)結(jié)果表明：對(duì)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(gè)單樁承載力中占比較高，同時(shí)各土層PHC管樁側(cè)摩阻力發(fā)揮良好，且明顯高于地勘報(bào)告中的土層摩阻力。因此，采用PHC管樁作為橋梁基礎(chǔ)時(shí)，可根據(jù)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求。

4 PHC管樁豎向承載力對(duì)比分析

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

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[18]在計(jì)算管樁承載力時(shí)考慮了土塞效應(yīng)，并根據(jù)樁端進(jìn)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)值。Qpk為總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。Aj為管樁空心樁樁端凈面積。u為樁身周長(zhǎng)。Ap1為管樁空心樁敞口面積。λp為樁端土塞效應(yīng)系數(shù)。hd為樁端入土層深度。d為管樁外徑；當(dāng)hd/d<5時(shí)，λp=0.16hd/d；當(dāng)hd/d≥5時(shí)，λp=0.8；qsik為極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值。qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。li為試樁樁長(zhǎng)。

邢皓楓等[6]認(rèn)為，PHC管樁存在不能忽略不計(jì)的24%左右土塞效應(yīng)，因此在進(jìn)行PHC管樁單樁豎向極限承載力計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮土塞產(chǎn)生的內(nèi)壁側(cè)摩阻力和樁端土密實(shí)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(yīng)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(zhǎng)和內(nèi)壁周長(zhǎng)；qsik為極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；hi為各土層厚度；Ap為管樁外壁面積。

將上述兩種公式計(jì)算所得的PHC管樁單樁承載力與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)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(shí)測(cè)值，《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》計(jì)算值，文獻(xiàn)[6]計(jì)算值。

表7 單樁承載力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)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(shí)測(cè)值與《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》計(jì)算值誤差較小，可靠性更高；同時(shí)《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(shí)測(cè)值與文獻(xiàn)[6]計(jì)算值誤差較大，可靠性差；同時(shí)文獻(xiàn)[6]中取值偏高，安全系數(shù)小于1。這是因?yàn)槲墨I(xiàn)[6]中計(jì)算單樁承載力的公式對(duì)整個(gè)樁身范圍的側(cè)阻力進(jìn)行了修正，而PHC管樁土塞效應(yīng)有一定的有效高度，不會(huì)在整個(gè)樁長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生，因此導(dǎo)致文獻(xiàn)[6]計(jì)算值大于實(shí)測(cè)值。

經(jīng)過對(duì)比分析上述兩種方法的計(jì)算值和實(shí)測(cè)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(jì)算PHC管樁單樁承載力的誤差相對(duì)較小，同時(shí)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(yàn)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(yīng)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(chǔ)的成功應(yīng)用，證明了PHC管樁采用錘擊沉樁工藝對(duì)洞庭湖區(qū)地質(zhì)具有良好的適應(yīng)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(shì)；加載至破壞時(shí)，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(bào)告中的側(cè)摩阻力值。

(3)經(jīng)過實(shí)測(cè)值和兩種計(jì)算公式所得計(jì)算值的對(duì)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(jì)算PHC管樁單樁承載力的誤差相對(duì)較小，同時(shí)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(jìn)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(yīng)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(chǔ)提供有益參考。