桥梁预应力砼管桩基础应用及研究

２０１３年第３期　孙向东黄琛石国彬桥梁预应力砼管桩基础应用及研究　总第１５１期　桥梁预应力砼管桩基础应用及研究　孙向东　黄　琛　石国彬　（广东省公路勘察规划设计院股份有限公司，广州５１０５０７）　摘要：本文介绍预应力砼管桩发展及应用，探讨制约桥梁管桩基础推广的关键因素，对规范体系、单桩竖向承　载力问题、耐久性问题和抗震问题进行深入探讨，并提出相关技术措施。　关键词：预应力砼管桩；竖向承载力；耐久性；抗震　１　预应力砼管桩发展概述　在国外，预应力砼管桩至今有５０多年历　史，预应力高强砼管桩亦有４０多年历史。目前　日本、美国、加拿大、意大利、英国、德国、新西　兰、俄罗斯等均是研究、生产、使用预应力砼管　桩较多的国家。２０世纪８０年代末起，发展中国　家如马来西亚、菲律宾等对预应力砼管桩的设　计、施工和应用也普及起来。如今美国、日本等　国在预应力混凝土管桩的机理研究、设计、施工　及质量检测等方面取得了非常丰富的经验。　管桩于国内已应用于众多领域，包括工业　与民用建筑、公路、铁路及水运码头，由于其优　良的质量及较强的适应能力，预应力砼管桩具　有良好的技术性能和显著的经济效益，越来越　被重视，应用范围也越来越广。　２桥梁预应力砼管桩基础应用现状及制　约因素　２．１　桥梁预应力砼管桩基础应用现状　桥梁预应力砼管桩基础应用现状具有如下　特点：　（１）所占比例极小。分析预应力砼管桩应　用领域可知，建筑用桩占８０％以上，码头、市政　约占２０％左右，公路主要用于软基处理，桥梁领　域应用较少。　（２）早期应用多，中期近于停滞，近期开始　重新发展。上世纪９Ｏ年代初及其之前，打人桩　应用较多，其中不乏预应力砼管桩工程案例，如　广珠东线亭角大桥、番禺万洲大桥、番禺沙湾扩　建桥等；９０年代中后期钻孔灌注桩中成为主流，　此时采用预应力混凝土管桩基础多数是受制于　施工困难而做的被迫选择，如覆盖层较厚、岩溶　极为发育处桥墩，该类工程包括渝湛高速九州　江大桥、广清高速大雁河大桥等；进入新世纪　后，大量桥梁进入管养维护高峰期，钻孔灌注桩　暴漏出缩径、砼保护层不足或脱落、水下混凝土　浇筑质量欠佳和桩头松散等质量通病，国内设　计者开始重新反思，以上海东海大桥、马来西亚　第二槟城大桥为代表，预应力砼管桩应用于特　大桥梁的工程案例正日益增多，相关研究也更　加深入。　（３）桥梁预应力砼管桩基础以预应力高强　砼管桩为主，多为ＡＢ型、Ｂ型和Ｃ型桩，管桩直　径相对较大，超过６００ｍｍ预应力砼管桩的社会　生产能力略显不足。　（４）管桩施工工法略显单一，以锤击和静压　为主，宜及早发展钻孔植入法，或者中掘静压法　等环保沉桩工法，增大管桩竖向承载能力同时，　也增强管桩对坚硬夹层等不良地质的适应能　力。　２．２桥梁预应力砼管桩基础应用制约因素　桥梁预应力管桩基础应用较少，发展断续，　其制约因素如下：　（１）桥梁领域预应力管桩设计、施工、监理　和检测规范尚是空白，影响管桩基础方案的技　・１・　２０１３年第３期　广东公路勘察设计　总第１５１期　术合理性和质量的可控性；（２）钻孔灌注桩设计　简易，形成概念定式，预应力砼管桩、扩大基础、　沉井基础工程案例日益减少，新生代的桥梁技　术人员难以熟练掌握管桩技术；（３）常规预应力　多，其适用性值得研究，设计者经验不够丰富，　按各规范最小值采用时，导致管桩桩径增大，桩　数增多，造成浪费，甚者造价可能高于钻孔灌注　桩，影响管桩竞争能力。　桥梁预应力砼管桩竖向承载力受桩土间破　混凝土管桩耐久性存有争议，应用于设计基准　期长、环境作用复杂的桥梁结构，需进行适当完　善或改进；（４）地震高烈度区管桩适用性尚有不　同意见，针对于此的构造措施尚需深入研究。　坏模式和桩身破坏模式控制，一般前者控制设　计，其计算公式包括《公路桥涵地基与基础设计　规范｝ＪＴＧ　Ｄ６３—２００７（《公路地基规范》）中沉　３　桥梁预应力砼管桩基础关键问题研究　针对桥梁管桩基础应用制约因素，对其中　关键技术问题进行研究和探讨。　３．１　桥梁预应力砼管桩基础规范体系问题　桩的承载力容许值公式：［Ｒ。］＝　１“　ｎ　２　＋Ｏｔ，Ａ。ｑ　ｒｋ；建筑桩基技术规范（ＪＧＴ９４—２００８）承　载力容许值公式：Ｑ　＝Ｑ　：Ｑ　＝　∑ｇ啪　＋　ｇ　Ａ　；广东省锤击式预应力混凝土管桩基础技　术规程（ＤＢＪ／Ｔ１５—２２—２００８）承载力容许值公　国内现有管桩规范多从管桩行业出发，侧　重于产品规格、制作和检测。设计部分则以工　业与民用建筑领域为主，很少涉猎交通领域。　在工业与民用建筑领域，其结构对水平荷载抵　式：［Ｒ。］＝　∑　ｑ　ｆ　＋　ｇ　。Ａ　；广东省建筑　地基基础设计规范（ＤＢＪ一１５—３１—２００３）承载　抗能力要求较低，但在桥梁工程领域，管桩受横　向荷载作用较大，基础对水平荷载抵抗能力要　求较高。建筑结构设计荷载参数多按５０年设　计基准期确定，而桥梁结构相应基准期是１００　力容许值公式：［Ｒ　］＝　∑　ｇ　＋ｑ　。Ａ　；　预应力管桩的受力存在土塞和挤土两大效　应，桩管内的土塞在一定程度上增加了预应力　管桩的桩侧摩阻力，桩管的挤土效应又使桩侧　摩阻力和端阻大幅度提高，不同规范对上述因　素考虑不同，竖向承载力差异较大。　江番高速初期试桩静载试验结果（表１）表　明，广东省锤击式预应力混凝土管桩基础技术　年。因工业与民用建筑和桥梁结构荷载和可靠　度的差异，桥梁工程管桩设计不能简单引用现　有规范。桥梁预应力砼管桩基础施工、监理和　检测部分尚是空白。规范体系的不完备性，严　重制约了桥梁预应力砼管桩基础的推广应用。　针对于此，以江番及江珠北延线高速公路　规程计算结果与试验结果较为相近，考虑到本　次静载试验并未能充分发挥桩侧摩阻力和桩端　承载力的作用，单桩竖向极限承载力标准值计　算结果稍小于静载实测结果时，计算结果是偏　于安全的，建议参照“管桩规范”进行单桩极限　承载力的设计计算。　工程为依托，开展了公路桥梁预应力管桩基础　应用技术研究，建立成套公路桥梁预应力管桩　基础设计方法与计算理论体系，完善预应力砼　管桩节段间、桩顶与承台间的连接技术，提出预　应力管桩基础施工与质量控制技术指标，在此　基础上完成广东省公路桥梁预应力管桩基础设　计、施工、监理和检测指南。　由江番高速静载试验结果可知，５００ｒａｍ管　桩竖向承载能力超过２３００ｋＮ，超过常规设计估　值１２００ｋＮ较多，对管桩桩长、桩数影响显著，建　议针对工程项目的典型地质，及早开展试桩研　３．２桥梁预应力砼管桩基础规竖向承载力问题　桥梁预应力砼管桩竖向承载力计算公式较　究，可有效优化设计，获得良好的经济效益。　・２・　２０１３年第３期　孙向东黄琛石国彬桥梁预应力砼管桩基础应用及研究　总第１５１期　表１锤击管桩规范竖向承载力与试验结果对比　计算结果　实测结果　计算值　规范名称　桩号　（桩径　桩长　ｍｍ）　（ｍ）　承载力特　极限承载力　平均极限承载力　静载试验极限承　与实测值　征值（ｋＮ）　标准值（ｋＮ）　标准值（ｋＮ）　载力标准值（ｋＮ）　对比　静１　３７．４　２８８２　５７６４　广东省锤击式　静２　５Ｏ０　３５．１　２４８６　４９７３　５１５Ｏ　５３４０　９６％　预应力混凝土　管桩基础技术　静３　３１　２３５８　４７１５　规程（ＤＢＪ／　静４　３２．７　３２１８　６４３６　Ｔｌ５　—２２　—　２００８）　静５　６００　３４　２９４６　５８９１　５９５２　６０４３　９８％　静６　３０　２７６４　５５２９　３．３　桥梁预应力砼管桩基础规耐久性问题　技术与控制主要着眼于防裂和抗裂。该桩型的　桥梁管桩基础因设计基准期长、环境恶劣　特点是混凝土强度高，采用了蒸养工艺后，混凝　和受力复杂，对耐久性提出更高的要求。预应　土脆性更加明显，施工中容易发生开裂。从吊　力砼管桩的耐久性是一个复杂的系统性问题，　运、堆存，直至打桩，所采取的一系列措施，目的　概而言之，涉及三个主要方面：其一是管桩桩身　就是保证桩身不开裂或少开裂或减轻开裂程　和管桩节间自身耐久；其二是沉桩的工艺与控　度。这些措施，归根结底，一方面是为了避免或　制措施；其三是为抑制或减轻环境中侵蚀介质　减小桩身混凝土在施工过程中所承受的高应　的作用而采取的外防护措施。　力。为达此目的，对吊运和堆存的方法、打桩的　针对桩身而言，常规预应力砼管桩高强度　锤型、锤速、桩垫、桩顶的平整、桩身的中正以及　并未带来高耐久性。常规管桩采用磨细砂，只　管内的压力等需进行规定和要求。另一方面是　有高压蒸养才利于化学反应。然而，众多研究　为了提高桩身的抗裂性能，应适当加密加密桩　表明，高温养护虽然可以提高混凝土的早期强　头和桩尖部分箍筋，提出桩的龄期要求、接桩要　度，但是不利于后期强度的发展。早期的高温　求。　养护，容易造成水化产物生长过快而来不及分　对于浪溅区和水位变动区等环境作用等级　布均匀和密实填充，层间结合力较薄弱，影响结　更为敏感的部位，必要时通过外防护技术提高　构的耐久性。对于Ｉ类环境，采用常规管桩基　预应力砼管桩的耐久性。具体措施包括包覆复　础是基本可行的。但对ＩＩ类及其以上环境，管　合材料、外涂涂层、外套钢管等，其中包覆复合　桩应从保护层厚度、材料、配合比和制造工艺等　材料对工程的适应性较好，技术成熟，且工程投　方面需强化要求。可通过适当加大保护层厚　资较低，多作为推荐方案。　度，延长使用年限；加入矿渣、硅灰，提升桩身混　３．４　桥梁预应力砼管桩基础规抗震性问题　凝土的匀质性和致密性；或不用磨细砂，采用免　常规预应力砼管桩桩身筒状结构抵抗水平　蒸养工艺规避高压蒸养的先天不足。针对管桩　承载能力相对较小，在水平荷载作用下具有脆　节间而言，可通过预留腐蚀余量，外加涂层，机　性破坏的特点。因地震荷载作用下，桥梁基础　械啮合接头、合理配桩，桩间接头置于土中等综　水平力较大，高烈度区桥梁采用管桩基础尚有　合措施确保其耐久性。　争议。处于抗震设防烈度８度或８度以上区域　从耐久性角度，预应力混凝土管桩的施工　的海口世纪大桥、马来西亚第二槟城大桥等成　・３・　２０１３年第３期　广东公路勘察设计　总第１５１期　功案例说明，高烈度区桥梁采用预应力砼管桩　是可行的。高烈度区桥梁管桩基础设计应针对　结构受力特点，从技术和构造方面采取恰当的　抗震措施。　（１）在地震水平力的作用下，桩顶部分除　顶填芯和外包桩头，填芯长度控制在５ｍ左右。　４　结语　桥梁预应力砼管桩基础质量可靠、施工高　效、经济环保，对软土、粘性土、粉土、砂土及全　风化岩体等地层条件均具有广泛的实用性。通　过对制约因素的深入探讨可知，桥梁结构采用　承受原轴压荷载外，大多还要受弯、受剪，情况　比较复杂、严重，所以需要通过增配螺旋箍筋，　增强其的抗剪能力和结构延性，避免脆性破坏。　预应力砼管桩基础经济合理、质量可控。设计、　螺旋箍筋强化范围一般控制在５倍桩径左右，　对于因地下土层变化（软硬层变化）有可能产　生较大曲率的桩段，也需要增配螺旋箍筋，约　束芯体，以提高其抗弯韧性。加强段螺旋箍筋　体积配筋率Ｐ　可根据抗震烈度按适当强化为　０．００７、０．０１２或０．０２０。　（２）宜采用高均匀延伸率的预应力纵向筋。　对管桩桩身而言，其抗剪强度与砼的预压应力、　纵向钢筋的性能、纵向钢筋配筋率密切相关。　纵向钢筋最小配筋率不宜小于０．００５。　（３）加强管桩上端与承台相连及承台之间　的连接。地震时作用在上部结构上的水平及竖　向地震作用最终是通过承台传给桩基，通过强　化管桩上端与承台连接形成整体受力，有利于　提高单桩的抗震能力。具体强化措施包括的桩　・　・　施工、监理和检测规范的完备，可有效推进桥梁　管桩基础的应用；对竖向承载能力的恰当界定，　可确保桥梁管桩基础方案的合理性；对于环境　作用等级较高或地震烈度较高区域的桥梁，适　当强化技术措施和构造措施后，预应力砼管桩　基础的耐久性、抗震性能满足结构功能要求。　参考文献：　［１］廖卓清，张焕新．预应力砼在桥梁工程中的应　用［Ｊ］．广东公路交通，１９９５第４期．　［２］富文权，预应力混凝土管桩的抗震问题［Ｊ］．　混凝土与水泥制品，１９９５（０１）．　［３］杨轶．管桩的应用和研究现状［Ｊ］．中外建筑，　２００７（０９）．　［４］汪舟红，衰静波，林志宇．ＰＨＣ管桩在外海桥　梁中的应用［Ｊ］．水运工程，２００９（０２）．