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预应力砼管桩在高速公路桥梁设计中的应用

  预应力砼管桩作为一种新型基础,以其施工方便、承载力高、质量可靠等优点在房建工程、市政工程、港口工程中得到广泛的应用。但预应力砼管桩在我省高速公路桥梁中尚未采用,现进行试点设计,取得成功数据后,再进行推广应用。
  关键词预应力砼管桩 高速公路 桥梁
  1 工程概况
  安徽某座高速公路桥梁,桥梁主跨径25米,共23跨,第14-18跨上部结构为25米现浇预应力砼箱梁结构,现选取第14-18号桥墩采用预应力砼管桩基础。
  2 预应力砼管桩基础设计
  2.1 场地工程地质条件
  桥梁处场地为黄淮冲积平原,属典型的冲积平原地貌,地面标高为39米左右,地下水位埋深为1.60~5.40m。土层除第①层为第四系全新填筑土外,其余土层均为第四系全新冲积层,地层中没有大的孤石、障碍物及坚硬夹层,地层也没有从松软到坚硬的突变,可以用预应力砼管桩基础。现将各层分述如下表
  2.2 试桩
  2.2.1 试桩施工
  通过计算,一根预应力砼管桩的竖直承载力为1900KN,极限承载力3800KN。在设计预应力砼管桩基础前,先进行试桩,为设计预应力砼管桩基础提供重参考。试桩位于桥墩附近,试验桩采用C80砼的预应力砼管桩,直径选取600mm,臂厚130mm。通过试算,桩长17.5米,桩底位于中砂层。为避免施工过程中挤土效应过大,而造成施工困难,桩间距取3.5倍桩径。该处主地层为粉砂性土及粘土,因封底十字形桩靴更适用于穿越粉砂性土及粘土,并以此作为持力层的土层,本次试桩第一根桩采用十字桩靴。为了进行比较,第二根桩采用开口型桩靴。开口型桩靴特点是在沉桩过程中,桩身下部1/3-1/2桩长的内腔被土体充塞,内腔土塞为管桩提供了内侧摩阻力。
  打桩机械采用履带式8.0t柴油锤,最终贯入度控制在3~5cm/10击(达到这一贯入度时承载力可达到5000KN),施工时严格按打桩工艺流程施工。试桩施工工艺流程为测放桩位→桩机就位→吊桩落位→桩段对中调直→打桩→接桩→再打桩→送桩→记录整理等。施工时采用两台经纬仪观测垂直度,在施工至最后阶段在桩身画上刻度,用水准仪观测贯入度。接桩焊接采用二氧化碳保护焊,焊缝的质量主通过外观检查。
  第一根试桩最终贯入度为40mm/10击,第二根桩最终贯入度为50mm/10击,桩身保持垂直。两根桩入土有效贯入深度均为15米,与最初估算的17.5米有一定差距,表明土的实际阻力以及承载力比原设计地质资料中的数据高。
  2.2.2 检测
  试桩施工完成,开挖土方后,进行了破坏性静载试验。通过第一根桩的单桩竖向抗压静载试验Q~S曲线可以看出,试桩加载至6000KN时,桩顶总沉降量为43.4mm,末级荷载作用下桩顶沉降量达到9.0mm,桩顶随荷载沉降速率为0.0582mm/KN,从卸载回弹情况看,完全卸载后桩顶残余沉降为36.45mm,最大回弹为6.94mm,回弹率为15.99%。以上情况表明,该桩受压已达到破坏状态,应取荷载值5500KN作为该试验桩的单桩竖向抗压极限承载力。通过第二根桩的单桩竖向抗压静载试验Q~S曲线可以看出,试桩加载至6000KN时,桩顶总沉降量为47.21mm,末级荷载作用下桩顶沉降量达到10.62mm,桩顶随荷载沉降速率为0.0212mm/KN,从卸载回弹情况看,完全卸载后桩顶残余沉降为38.39mm,最大回弹为8.82mm,回弹率为18.68%。以上情况表明,该桩受压已进入破坏状态,应取末前级荷载值5500KN作为该试验桩的单桩竖向抗压极限承载力。
  通过第一根桩的单桩水平静载试验Q~S曲线看,水平荷载加载至100KN时,力的作用点位移为3.37mm,末级荷载作用下位移为0.74mm,位移梯度为0.074mm/KN,从卸载回弹情况看,完全卸载后桩顶残余位移为1.36mm,最大回弹为2.01mm,回弹率为59.64%。以上情况表明,该桩受水平荷载作用未进入破坏状态,承载能力还有余量,可取最大荷载值100KN作为该试验桩的单桩水平极限承载力。通过第二根桩的单桩水平静载试验Q~S曲线看,水平荷载加载至100KN时,力的作用点位移为4.4mm,末级荷载作用下位移为1.39mm,位移梯度为0.139mm/KN,从卸载回弹情况看,完全卸载后桩顶残余位移为1.70mm,最大回弹为2.7mm,回弹率为61.36%。以上情况表明,该桩受水平荷载作用未进入破坏状态,承载能力还有余量,可取最大荷载值100KN作为该试验桩的单桩水平极限承载力。
  通过这两根试桩的施工及荷载试验情况来看,预应力砼管桩是一种可靠的基础形式,受力性能良好,可用作桥梁的基础。对比这两根桩的差异,这两根桩之间存在的差别较小,表明在这里有无桩靴对预制管桩的施工及承载力影响较小。
  2.3 基础设计
  原桥梁设计图纸中,桥梁基础采用四根直径1.2米的桩基,每根桩基长33米,桩基顶承台厚2米,承台每边比桩基宽0.5米。考虑到有无桩靴对预应力砼管桩影响较小,桥梁基础改为采用预应力砼管桩作基础后,采用开口型预应力砼管桩作基础。根据试桩结果,桩长为15米时桩承载力可满足承载力求,因此确定设计桩长为15米,以贯入度控制为准,实行双控。为了确保施工质量并考虑到厂家的施工能力,决定采用整根长15米的预应力砼管桩,不设接桩,这样尽量避免因接桩质量不好而影响整个桩基的承载力。
  基础的平面布置为每个承台根据桥梁的宽度采用9根桩(3X3)或12根桩(3X4)(如图一、图二)。因承台内桩数相对较多,为防止桩之间因土的挤密而使桩施工困难,桩之间距离为3.5倍桩径,桩群承载力合力点与其上部构件荷载作用的合力中心相重合。施工时先施工中间的桩基,后施工两边的柱基。桩顶进入承台的长度为10cm,其余部分割除。
  对承台进行正截面抗弯强度的计算、抗剪强度的计算、冲剪和冲切验算,根据计算结果对承台进行配筋。承台每边比桩最外侧宽50cm,承台厚2米。因预制管桩没有预埋钢筋,为了使预应力砼管桩与承台能够有机地连接成一个整体,在切桩后在距桩端5米处先用钢板封闭内孔,然后在里面放入小型钢筋笼。然后对内孔浇筑混凝土,形成蕊柱。小型钢筋笼上部伸入承台里,使桩基与承台连为一个整体(如图三)。
  2.4 预应力砼管桩的特点
  在预应力砼管桩施工完以后,通过对部分桩基进行检测进行了低应变桩身完整性检测,其检测结果均为1类桩,远高于钻孔灌注桩的1类桩的比率。并对抽取的3根工程桩进行堆载反力静载试验,所有桩基极限承载力均不小于3800KN。对两组工程桩进行了水平静载试验,桩基的水平受力极限承载力均超过100KN,满足单桩水平承载力的求。在桥梁基础施工结束后,桥梁进行了上部结构施工。因此预应力砼管桩可用于高速公路桥梁,但具有其自身的优缺点。
  预应力砼管桩基础的优点包括①桩的单位面积承载力较高。由于应力砼管桩属挤土桩,桩打入后其周围的土层被挤密,桩底土承载力及桩侧土阻力得到很大的提高,从而提高了桩基的承载力。②适用于水下施工,桩身砼的密度大,抗腐蚀性能强,施工工效高。③预应力砼管桩桩身质量易于保证和检查。④施工工期短,同时场地整洁、施工文明程度高。
  预应力砼管桩基础的缺点包括①受构造影响。因桩径较小,无法用于独立桩柱,在桥梁结构中只能适用于群桩基础,因此桥墩必须有构造承台。②对地质条件求高。不易穿透较厚的坚硬地层,当坚硬地层下仍存在需穿过的软弱层时,则需辅以其他施工措施,如采用预钻孔(常用的引孔方法)等。不宜在地下障碍物或孤石较多的场地进行施工。③价格相对较高。预应力砼管桩相对钻孔灌注桩单价较高,但在桩数较多的前提下,综合价格可能比钻孔灌注桩低。(4)受场地及运输条件影响较大。预应力砼管桩施工场地求相对平整。预应力砼管桩在工厂预制,需从较远的地方运输,所以求交通方便,最好临近干线公路或航道,以降低造价。
  3 结论与建议
  目前高速公路已通车,从目前状况看,这座桥梁运行状态良好。因此预应力砼管桩基础可用于高速公路桥梁。通过省外其它地区的实践也证明,在临近航道的桥梁,对覆盖层为软土或一般土的桥梁,预应力砼管桩基础在施工工期及工程造价等方面有明显的优势。在以后的高速公路桥梁工程中,应推广这一新技术。
  参考文献
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