预应力混凝土管桩在桥梁桩基础中的应用研究

付绪麟,傅敏辉

(石家庄经济学院,河北石家庄050031)

1 引言

预应力混凝土管桩包括预应力高强混凝土管桩(简称“PHC 桩”)、预应力混凝土管桩(简称“PC桩”)和预应力混凝土薄壁桩(简称“PTC桩”)等,是在近代高性能混凝土(HPC)和预应力技术的基础上发展起来的混凝土预制构件,是建设部科技成果重点推广项目。与传统钻孔灌注桩、预制方桩和钢桩相比,预应力混凝土管桩有着单桩承载力高,造价便宜;施工速度快,工效高;桩身完整性好,耐腐蚀性强;对持力层变化大的地质条件适应性强等优点。正因为预应力混凝土管桩的这些特性,弥补了传统灌注桩、预制方桩和钢桩在曹妃甸地区桥梁工程中应用的不足。本文结合预应力高强度混凝土管桩在唐山市曹妃甸地区桥梁工程中的应用实例,就该桩的应用进行研究。

2 研究地区水文地质、工程地质概况

2.1 海洋气象和水文条件

场地东北侧临渤海海域,其潮汐属不规则半日潮型,最高潮位2.70m,最低潮位 0.28m,平均潮位1.76m,平均低潮位0.51m。本场地浅层地下水为潜水类型,场区稳定水位埋深0.70～1.40m(相当于高程3.0m左右),初见水位不明显。

2.2 场地地质构造及地层结构

本场区位于华北断块区的东部,在长期复杂的构造演化中,大致经历了3个阶段：包括太古代至早元古代地台结晶基底的形成、形变和固结阶段;中、晚元古代至古生代稳定地台盖层发育阶段;中、新生代地台解体、陆相盆地盖层形成阶段。

按地层时代、成因类型及工程地质特征划分为6个工程地质层,进而按岩性组合划分为15个工程地质亚层。现按自上而下的顺序将各地层岩性特征及分布规律叙述如下。

2.2.1 人工填土层(Qm1)

人工填土层(Qm1)为灰色,以粉土为主,稍湿——湿,呈稍密、中密状态,含贝壳,土质不均匀。

2.2.2 全新统海相沉积层(Q42m)

(1)粉土B1为灰色,呈稍密状态,粘粒含量高,土质不均匀,含贝壳碎片,局部砂粘混杂。该层分布稳定,一般厚度为 2.60～5.20m,平均层厚 3.82m,底板高程为-4.15～-6.25m。属中压缩性土。

(2)粉土B2为灰色,湿,呈稍密～中密状态,土质不均匀,局部夹粉砂颗粒及粘性土薄层。该层分布稳定,一般厚度为4.00～6.90m,底板高程-9.19～-12.06m。属中压缩性土。

(3)粉质粘土B3为灰色,呈软塑～流塑状态,土质不均匀,夹粉土薄层,含贝壳碎片。该层分布不稳定,层厚3.50～6.10m,底板高程-16.87～-18.55m,属中偏高压缩性土。

2.2.3 全新统沼泽相沉积层(Q41h+al)

(1)粉土C1为浅灰色,湿,呈中密～稍密状态;土质不均匀,夹薄层粉砂及粉质粘土,含腐殖质。该层层厚1.20～4.00m,底板高程-16.87～-18.55m,全场地分布。属中偏低压缩性土。

(2)粉质粘土C2为浅灰色,呈软塑状态;土质不均匀,夹粉土薄层。该层层厚0.70～3.00m,底板高程-18.70～-20.95m,大部分场地分布。属中偏高压缩性土。

(3)粉土C3为浅灰～灰白色,湿,呈密实状态;土质不均匀,夹粉砂,局部夹粉质粘土薄层。该层层厚1.50～3.30m,底板高程-20.69～ -23.85m,全场地分布。属中偏低压缩性土。

2.2.4 上更新统滨海潮汐带沉积层(Q3dmc)

粉质粘土D为浅灰色,呈可塑状态,夹粉土薄层,具黑色斑点,局部粘性较大。该层层厚0.50～2.70m,层底板高程-22.05～-24.37m,全场地分布。属中偏高压缩性土。

2.2.5 上更新统陆相冲积层(Q3cal)

(1)粉土E1为灰黄色,湿,呈中密～密实状态,土质不均匀,局部多夹粉质粘土薄层。该层层厚1.90～4.50m,层底板高程-25.20～ -27.76m,全场地分布属中压缩性土。

(2)粘土E2为灰褐色,可塑,夹薄层粉土,土质不均匀。该层层厚1.00～2.30m,层底板高程-27.18～-28.95m,大部分场地分布。属中偏高压缩性土。

(3)粉质粘土E3为黄褐色,呈可塑状态,土质不均匀,夹粉土团,有铁锈、姜石。该层层厚0.70～4.80m,层底板高程-28.71～-35.51m,全场地分布,属中压缩性土。该层场地夹 E1、E3粉土层,密实状态,多夹粉质粘土薄层,土质不均匀,该层层厚1.00～2.50m,层底板高程-29.25～ -32.46m,属中压缩性土。

(4)粉土E4为黄褐～灰黄色,湿,呈密实状态,土质不均匀,局部夹粉质粘土,见铁锈,含螺壳。该层全场地普遍分布,该层层厚5.20～9.00m,层底板高程-38.45～-41.74m,属中偏低压缩性土。

(5)粉质粘土E5为黄灰色,呈可塑状态,土质不均匀,夹薄层粉土,有铁锈。该层层厚 1.00～4.50m,层底板高程-4045～-44.75m,大部分场地分布。属中压缩性土。

2.2.6 上更新统海相沉积层(Q3bm)

(1)粉土F1为灰色,呈密实状态,土质不均匀,夹粉质粘土,含贝壳碎片。该层层厚1.30～6.50m,层底板高程-43.19～-49.70m,大部分场地分布。属中压缩性土。

(2)粉质粘土F2为灰色,呈软可塑状态,土质不均匀,夹粉土,含贝壳碎片。该层未完全揭露,最大揭露厚度8.00m。属中偏低压缩性土。

2.3 原位测试指标统计

提供40m以上各层土的静力触探锥尖阻力q c、侧摩阻力 fs算术平均值,见表1。

表1 各土层锥尖阻力、侧摩阻力

2.4 地基土的物理力学性质

通过对该区域土体的土工试验,得到该区域沉积物的物理力学性质,野外测试的结果如下。

(1)人工填土层(Qm1)：标贯击数 2～10击,平均击数为5.6击。

(2)粉土层B1孔隙比平均值为0.728,液性指数平均值为 0.61,压缩系数为 0.130～0.290MPa-1,平均值为 0.204MPa-1。粉土层 B2孔隙比平均值为0.727,液性指数平均值为0.60,压缩系数为0.170～0.310MPa-1,平均值为0.238MPa-1。粉土层B1孔隙比平均值为0.864,液性指数平均值为 0.90,压缩系数为0.290～0.530MPa-1,平均值为0.379MPa-1。

(3)粉土层C1孔隙比平均值为0.692,液性指数平均值为 0.52,压缩系数为 0.090～0.240M Pa-1,平均值为 0.126MPa-1。粉土层 C2孔隙比平均值为0.817,液性指数平均值为0.77,压缩系数为0.230～0.520MPa-1,平均值为0.346MPa-1。粉土层C3孔隙比平均值为0.695,液性指数平均值为 0.57,压缩系数为0.160～0.290MPa-1,平均值为0.210MPa-1。

(4)粉质粘土层D孔隙比平均值为0.942,液性指数平均值为 0.85,压缩系数为 0.320～0.630MPa-1,平均值为0.430MPa-1。

(5)粉土层E1孔隙比平均值为0.706,液性指数平均值为 0.51,压缩系数为 0.100～0.290M Pa-1,平均值为 0.180MPa-1。粘土层 E2孔隙比平均值为0.992,液性指数平均值为0.73,压缩系数为0.320～0.440MPa-1,平均值为0.272MPa-1。粉质粘土层 E3孔隙比平均值为0.783,液性指数平均值为0.78,压缩系数为0.200～0.300MPa-1,平均值为 0.243MPa-1。粉土层 E4孔隙比平均值为0.799,液性指数平均值为0.76,压缩系数为0.200～0.350MPa-1,平均值为0.253MPa-1。粉质粘土层 E5孔隙比平均值为0.713,液性指数平均值为0.59,压缩系数为0.110～0.190MPa-1,平均值为 0.144MPa-1。

(6)粉土层F1孔隙比平均值为0.689,液性指数平均值为 0.52,压缩系数为 0.120～0.260MPa-1,平均值为0.122MPa-1。粉质粘土层F2孔隙比平均值为 0.804,液性指数平均值为0.80,压缩系数为0.230～0.420MPa-1,平均值为0.299M Pa-1。

2.5 基础桩型的比较与选择

预应力混凝土管桩造价在诸多桩型中是较便宜的一种。衡量桩基的经济效益,以每米造价或以单方混凝土造价作对比都是不科学的,应用单位承载力(每吨或每KN)的造价作对比。课题主通过对曹妃甸港区铁路专线桥梁施工中,相同承载力作用下,普通混凝土钻孔灌注桩与PHC管桩造价对比。

桥梁设计以工程岩土勘察报告为依据,通过计算分析,每个桥墩竖向承载力特征值为12 000kN。采用φ1 200mm钻孔灌注桩,桩长需要30m,采用φ600mmPHC管桩,桩长需要29m。现按同等桩长考虑,对该工程4根φ1 200mm钻孔灌注桩与9根φ600mm PHC管桩进行对比。采用铁路工程基本建设项目概预算编制办法的2007定额进行编制,价格按唐山市造价信息进行计算。造价分析如表3、表4所示。

表3 φ120cm钻孔灌注桩造价分析

表4 φ60cm PHC管桩造价分析

两者差值为170 220-92 677=77 543元;两者比值为92 677/170 220=54.5%。从上两表比较分析,PHC管桩造价仅为钻孔灌注桩的54.5%,经济效益显著。本项目基础实施若按PHC管桩考虑可以节省造价近1 600万元。施工周期PHC管桩1个桥墩1d完成;钻孔灌注桩按1根桩2.5d考虑,一个桥墩完成需要10d;PHC管桩施工周期远少于钻孔灌注桩。因此从本项目分析采用PHC管桩同样经济性明显。

3 预应力混凝土管桩在该区的应用分析

3.1 预应力混凝土管桩的受力分析及其力学性能

预应力混凝土管桩的受力特点及力学性能分析见表5、表6。

表5 预应力混凝土管桩的受力特点

表6 预应力混凝土管桩的配筋及力学性能

3.2 预应力混凝土管桩的原位静、动测试

通过对现场136根预应力高强度混凝土管桩进行低应变动态监测,监测结果表明只有1根桩桩身结构有轻微缺陷,而且其承载能力极限状态下不会影响桩身结构承载力的正常发挥。其余桩桩身都完整。工程中还通过单桩静载抗压试验、单桩抗拔试验和单桩抗推试验对现场施工的预应力混凝土管桩进行力学监测。监测结果表明,都完全符合设计要求,见表7。

表7 静载试验数据

图1 单桩静载抗压试验Q-s曲线

图2 单桩静载抗压试验s-lgt曲线

图3 单桩静载抗压试验s-lgQ曲线

根据静载试验数据,结合Q-s曲线、s-lgt和s-lgQ曲线综合分析(图1,图 2,图3),当试验最大加载至2 600kN时,500mm直径工程桩沉降量为11.17～13.81mm,试验均未达到极限破坏状态,该工程桩的单桩竖向极限承载力均不小于2 600kN。

3.3 可行性分析

尽管预应力混凝土管桩具有较多的优点,如结构形式简单、容易制造、节省材料、安装就位方便、施工速度快、可以有效的降低成本等,但是并不适合所有的地质地层和恶劣的环境条件。若施工地点地层表层土土质过软则需进行场地平整,提升其承载力,否则沉桩设备无法进场展开施工。若地层土体的强度过大,则桩体较难贯入。且该区域降雨较为频繁会对管桩沉桩施工造成不利影响。因而结合该区的实际情况,对管桩在该区能否施工进行研究具有重要科学意义。对上述材料的分析表明,该区为季风性气候,恶劣天气较为集中,因而具有施工的天气条件,勘察深度内土质主要为粉土或粉质粘土,土体的强度较低且渗透系数也不高,对管桩的贯入土体较为适合。

4 结语

(1)预应力混凝土管桩造价低,经济效益显著;单桩承载力高,抗压强度是普通混凝土灌注桩的好几倍;施工速度快,功效高,可以很好的缩短工期。是未来桩基础的发展趋势,其优越性使其在桥梁基础应用上具有极其广阔的前景。

(2)在桥梁基础中不宜采用预应力混凝土薄壁管桩,而应该采用高强度预应力混凝土管桩(PHC桩)。对软土地区工程、深基坑工程、承受较大水平力的基桩及处在腐蚀环境中的基桩等,严禁采用PTC桩。

(3)对软土地区工程、承受较大水平力的桥梁基础,应避免采用预应力混凝土管桩。必须采用时应由承台侧面的土压力承担水平力,同时还应在管桩顶部设置填芯钢筋混凝土,以增加管桩顶部的有效截面面积,提高管桩抗剪承载力。桩底持力层顶面起伏较大(＞5%)的地区,应慎用管桩。

(4)在地下水位较高且水中还有较强腐蚀物质时,应用预应力混凝土管桩作为桥梁基础时应在定制管桩时,应在桩身混凝土应采用抗硫酸盐水泥,或应掺加矿物掺合料。在管桩表面涂刷防腐蚀涂层,并在接桩时严格控制焊接施工工艺。

(5)在沉桩时弱施工场地较为空旷可优先考虑使用锤击法施工,若在城市中进行高架桥等桥梁施工时应采用液压静压高强预应力混凝土管桩设备。减小噪音污染和空气污染。

(6)预应力混凝土管桩作为一种节约型绿色基础,使用安全、环保,能够有效减少给周围环境带来影响,制造时可以有效节省混凝土和钢筋的用量。预应力混凝土管桩在我国的应用已经趋于成熟,但仍需对施工过程中的平稳沉桩,接桩等问题予以高度重视,以减少不必要的经济支出。在未来的桥梁建设中预应力混凝土管桩定会得到越来越广泛的应用。

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