預應力混凝土管樁在橋梁樁基礎中的應用研究

付緒麟,傅敏輝

(石家莊經濟學院,河北石家莊050031)

1 引言

預應力混凝土管樁包括預應力高強混凝土管樁(簡稱“PHC 樁”)、預應力混凝土管樁(簡稱“PC樁”)和預應力混凝土薄壁樁(簡稱“PTC樁”)等,是在近代高性能混凝土(HPC)和預應力技術的基礎上發展起來的混凝土預制構件,是建設部科技成果重點推廣項目。與傳統鉆孔灌注樁、預制方樁和鋼樁相比,預應力混凝土管樁有著單樁承載力高,造價便宜;施工速度快,工效高;樁身完整性好,耐腐蝕性強;對持力層變化大的地質條件適應性強等優點。正因為預應力混凝土管樁的這些特性,彌補了傳統灌注樁、預制方樁和鋼樁在曹妃甸地區橋梁工程中應用的不足。本文結合預應力高強度混凝土管樁在唐山市曹妃甸地區橋梁工程中的應用實例,就該樁的應用進行研究。

2 研究地區水文地質、工程地質概況

2.1 海洋氣象和水文條件

場地東北側臨渤海海域,其潮汐屬不規則半日潮型,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。本場地淺層地下水為潛水類型,場區穩定水位埋深0.70～1.40m(相當于高程3.0m左右),初見水位不明顯。

2.2 場地地質構造及地層結構

本場區位于華北斷塊區的東部,在長期復雜的構造演化中,大致經歷了3個階段：包括太古代至早元古代地臺結晶基底的形成、形變和固結階段;中、晚元古代至古生代穩定地臺蓋層發育階段;中、新生代地臺解體、陸相盆地蓋層形成階段。

按地層時代、成因類型及工程地質特征劃分為6個工程地質層,進而按巖性組合劃分為15個工程地質亞層?，F按自上而下的順序將各地層巖性特征及分布規律敘述如下。

2.2.1 人工填土層(Qm1)

人工填土層(Qm1)為灰色,以粉土為主,稍濕——濕,呈稍密、中密狀態,含貝殼,土質不均勻。

2.2.2 全新統海相沉積層(Q42m)

(1)粉土B1為灰色,呈稍密狀態,粘粒含量高,土質不均勻,含貝殼碎片,局部砂粘混雜。該層分布穩定,一般厚度為 2.60～5.20m,平均層厚 3.82m,底板高程為-4.15～-6.25m。屬中壓縮性土。

(2)粉土B2為灰色,濕,呈稍密～中密狀態,土質不均勻,局部夾粉砂顆粒及粘性土薄層。該層分布穩定,一般厚度為4.00～6.90m,底板高程-9.19～-12.06m。屬中壓縮性土。

(3)粉質粘土B3為灰色,呈軟塑～流塑狀態,土質不均勻,夾粉土薄層,含貝殼碎片。該層分布不穩定,層厚3.50～6.10m,底板高程-16.87～-18.55m,屬中偏高壓縮性土。

2.2.3 全新統沼澤相沉積層(Q41h+al)

(1)粉土C1為淺灰色,濕,呈中密～稍密狀態;土質不均勻,夾薄層粉砂及粉質粘土,含腐殖質。該層層厚1.20～4.00m,底板高程-16.87～-18.55m,全場地分布。屬中偏低壓縮性土。

(2)粉質粘土C2為淺灰色,呈軟塑狀態;土質不均勻,夾粉土薄層。該層層厚0.70～3.00m,底板高程-18.70～-20.95m,大部分場地分布。屬中偏高壓縮性土。

(3)粉土C3為淺灰～灰白色,濕,呈密實狀態;土質不均勻,夾粉砂,局部夾粉質粘土薄層。該層層厚1.50～3.30m,底板高程-20.69～ -23.85m,全場地分布。屬中偏低壓縮性土。

2.2.4 上更新統濱海潮汐帶沉積層(Q3dmc)

粉質粘土D為淺灰色,呈可塑狀態,夾粉土薄層,具黑色斑點,局部粘性較大。該層層厚0.50～2.70m,層底板高程-22.05～-24.37m,全場地分布。屬中偏高壓縮性土。

2.2.5 上更新統陸相沖積層(Q3cal)

(1)粉土E1為灰黃色,濕,呈中密～密實狀態,土質不均勻,局部多夾粉質粘土薄層。該層層厚1.90～4.50m,層底板高程-25.20～ -27.76m,全場地分布屬中壓縮性土。

(2)粘土E2為灰褐色,可塑,夾薄層粉土,土質不均勻。該層層厚1.00～2.30m,層底板高程-27.18～-28.95m,大部分場地分布。屬中偏高壓縮性土。

(3)粉質粘土E3為黃褐色,呈可塑狀態,土質不均勻,夾粉土團,有鐵銹、姜石。該層層厚0.70～4.80m,層底板高程-28.71～-35.51m,全場地分布,屬中壓縮性土。該層場地夾 E1、E3粉土層,密實狀態,多夾粉質粘土薄層,土質不均勻,該層層厚1.00～2.50m,層底板高程-29.25～ -32.46m,屬中壓縮性土。

(4)粉土E4為黃褐～灰黃色,濕,呈密實狀態,土質不均勻,局部夾粉質粘土,見鐵銹,含螺殼。該層全場地普遍分布,該層層厚5.20～9.00m,層底板高程-38.45～-41.74m,屬中偏低壓縮性土。

(5)粉質粘土E5為黃灰色,呈可塑狀態,土質不均勻,夾薄層粉土,有鐵銹。該層層厚 1.00～4.50m,層底板高程-4045～-44.75m,大部分場地分布。屬中壓縮性土。

2.2.6 上更新統海相沉積層(Q3bm)

(1)粉土F1為灰色,呈密實狀態,土質不均勻,夾粉質粘土,含貝殼碎片。該層層厚1.30～6.50m,層底板高程-43.19～-49.70m,大部分場地分布。屬中壓縮性土。

(2)粉質粘土F2為灰色,呈軟可塑狀態,土質不均勻,夾粉土,含貝殼碎片。該層未完全揭露,最大揭露厚度8.00m。屬中偏低壓縮性土。

2.3 原位測試指標統計

提供40m以上各層土的靜力觸探錐尖阻力q c、側摩阻力 fs算術平均值,見表1。

表1 各土層錐尖阻力、側摩阻力

2.4 地基土的物理力學性質

通過對該區域土體的土工試驗,得到該區域沉積物的物理力學性質,野外測試的結果如下。

(1)人工填土層(Qm1)：標貫擊數 2～10擊,平均擊數為5.6擊。

(2)粉土層B1孔隙比平均值為0.728,液性指數平均值為 0.61,壓縮系數為 0.130～0.290MPa-1,平均值為 0.204MPa-1。粉土層 B2孔隙比平均值為0.727,液性指數平均值為0.60,壓縮系數為0.170～0.310MPa-1,平均值為0.238MPa-1。粉土層B1孔隙比平均值為0.864,液性指數平均值為 0.90,壓縮系數為0.290～0.530MPa-1,平均值為0.379MPa-1。

(3)粉土層C1孔隙比平均值為0.692,液性指數平均值為 0.52,壓縮系數為 0.090～0.240M Pa-1,平均值為 0.126MPa-1。粉土層 C2孔隙比平均值為0.817,液性指數平均值為0.77,壓縮系數為0.230～0.520MPa-1,平均值為0.346MPa-1。粉土層C3孔隙比平均值為0.695,液性指數平均值為 0.57,壓縮系數為0.160～0.290MPa-1,平均值為0.210MPa-1。

(4)粉質粘土層D孔隙比平均值為0.942,液性指數平均值為 0.85,壓縮系數為 0.320～0.630MPa-1,平均值為0.430MPa-1。

(5)粉土層E1孔隙比平均值為0.706,液性指數平均值為 0.51,壓縮系數為 0.100～0.290M Pa-1,平均值為 0.180MPa-1。粘土層 E2孔隙比平均值為0.992,液性指數平均值為0.73,壓縮系數為0.320～0.440MPa-1,平均值為0.272MPa-1。粉質粘土層 E3孔隙比平均值為0.783,液性指數平均值為0.78,壓縮系數為0.200～0.300MPa-1,平均值為 0.243MPa-1。粉土層 E4孔隙比平均值為0.799,液性指數平均值為0.76,壓縮系數為0.200～0.350MPa-1,平均值為0.253MPa-1。粉質粘土層 E5孔隙比平均值為0.713,液性指數平均值為0.59,壓縮系數為0.110～0.190MPa-1,平均值為 0.144MPa-1。

(6)粉土層F1孔隙比平均值為0.689,液性指數平均值為 0.52,壓縮系數為 0.120～0.260MPa-1,平均值為0.122MPa-1。粉質粘土層F2孔隙比平均值為 0.804,液性指數平均值為0.80,壓縮系數為0.230～0.420MPa-1,平均值為0.299M Pa-1。

2.5 基礎樁型的比較與選擇

預應力混凝土管樁造價在諸多樁型中是較便宜的一種。衡量樁基的經濟效益,以每米造價或以單方混凝土造價作對比都是不科學的,應用單位承載力(每噸或每KN)的造價作對比。課題主通過對曹妃甸港區鐵路專線橋梁施工中,相同承載力作用下,普通混凝土鉆孔灌注樁與PHC管樁造價對比。

橋梁設計以工程巖土勘察報告為依據,通過計算分析,每個橋墩豎向承載力特征值為12 000kN。采用φ1 200mm鉆孔灌注樁,樁長需要30m,采用φ600mmPHC管樁,樁長需要29m。現按同等樁長考慮,對該工程4根φ1 200mm鉆孔灌注樁與9根φ600mm PHC管樁進行對比。采用鐵路工程基本建設項目概預算編制辦法的2007定額進行編制,價格按唐山市造價信息進行計算。造價分析如表3、表4所示。

表3 φ120cm鉆孔灌注樁造價分析

表4 φ60cm PHC管樁造價分析

兩者差值為170 220-92 677=77 543元;兩者比值為92 677/170 220=54.5%。從上兩表比較分析,PHC管樁造價僅為鉆孔灌注樁的54.5%,經濟效益顯著。本項目基礎實施若按PHC管樁考慮可以節省造價近1 600萬元。施工周期PHC管樁1個橋墩1d完成;鉆孔灌注樁按1根樁2.5d考慮,一個橋墩完成需要10d;PHC管樁施工周期遠少于鉆孔灌注樁。因此從本項目分析采用PHC管樁同樣經濟性明顯。

3 預應力混凝土管樁在該區的應用分析

3.1 預應力混凝土管樁的受力分析及其力學性能

預應力混凝土管樁的受力特點及力學性能分析見表5、表6。

表5 預應力混凝土管樁的受力特點

表6 預應力混凝土管樁的配筋及力學性能

3.2 預應力混凝土管樁的原位靜、動測試

通過對現場136根預應力高強度混凝土管樁進行低應變動態監測,監測結果表明只有1根樁樁身結構有輕微缺陷,而且其承載能力極限狀態下不會影響樁身結構承載力的正常發揮。其余樁樁身都完整。工程中還通過單樁靜載抗壓試驗、單樁抗拔試驗和單樁抗推試驗對現場施工的預應力混凝土管樁進行力學監測。監測結果表明,都完全符合設計要求,見表7。

表7 靜載試驗數據

圖1 單樁靜載抗壓試驗Q-s曲線

圖2 單樁靜載抗壓試驗s-lgt曲線

圖3 單樁靜載抗壓試驗s-lgQ曲線

根據靜載試驗數據,結合Q-s曲線、s-lgt和s-lgQ曲線綜合分析(圖1,圖 2,圖3),當試驗最大加載至2 600kN時,500mm直徑工程樁沉降量為11.17～13.81mm,試驗均未達到極限破壞狀態,該工程樁的單樁豎向極限承載力均不小于2 600kN。

3.3 可行性分析

盡管預應力混凝土管樁具有較多的優點,如結構形式簡單、容易制造、節省材料、安裝就位方便、施工速度快、可以有效的降低成本等,但是并不適合所有的地質地層和惡劣的環境條件。若施工地點地層表層土土質過軟則需進行場地平整,提升其承載力,否則沉樁設備無法進場展開施工。若地層土體的強度過大,則樁體較難貫入。且該區域降雨較為頻繁會對管樁沉樁施工造成不利影響。因而結合該區的實際情況,對管樁在該區能否施工進行研究具有重要科學意義。對上述材料的分析表明,該區為季風性氣候,惡劣天氣較為集中,因而具有施工的天氣條件,勘察深度內土質主要為粉土或粉質粘土,土體的強度較低且滲透系數也不高,對管樁的貫入土體較為適合。

4 結語

(1)預應力混凝土管樁造價低,經濟效益顯著;單樁承載力高,抗壓強度是普通混凝土灌注樁的好幾倍;施工速度快,功效高,可以很好的縮短工期。是未來樁基礎的發展趨勢,其優越性使其在橋梁基礎應用上具有極其廣闊的前景。

(2)在橋梁基礎中不宜采用預應力混凝土薄壁管樁,而應該采用高強度預應力混凝土管樁(PHC樁)。對軟土地區工程、深基坑工程、承受較大水平力的基樁及處在腐蝕環境中的基樁等,嚴禁采用PTC樁。

(3)對軟土地區工程、承受較大水平力的橋梁基礎,應避免采用預應力混凝土管樁。必須采用時應由承臺側面的土壓力承擔水平力,同時還應在管樁頂部設置填芯鋼筋混凝土,以增加管樁頂部的有效截面面積,提高管樁抗剪承載力。樁底持力層頂面起伏較大(＞5%)的地區,應慎用管樁。

(4)在地下水位較高且水中還有較強腐蝕物質時,應用預應力混凝土管樁作為橋梁基礎時應在定制管樁時,應在樁身混凝土應采用抗硫酸鹽水泥,或應摻加礦物摻合料。在管樁表面涂刷防腐蝕涂層,并在接樁時嚴格控制焊接施工工藝。

(5)在沉樁時弱施工場地較為空曠可優先考慮使用錘擊法施工,若在城市中進行高架橋等橋梁施工時應采用液壓靜壓高強預應力混凝土管樁設備。減小噪音污染和空氣污染。

(6)預應力混凝土管樁作為一種節約型綠色基礎,使用安全、環保,能夠有效減少給周圍環境帶來影響,制造時可以有效節省混凝土和鋼筋的用量。預應力混凝土管樁在我國的應用已經趨于成熟,但仍需對施工過程中的平穩沉樁,接樁等問題予以高度重視,以減少不必要的經濟支出。在未來的橋梁建設中預應力混凝土管樁定會得到越來越廣泛的應用。

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