改扩建工程中桥梁PHC管桩基础的应用.pdf

doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.035 改扩建工程中桥梁 PHC 管桩基础的应用 姜海光 1，王如川2，李中流2，李 栋3（1.湖北交投京港澳高速公路改扩建项目管理有限公司，湖北 武汉 430100；2.中铁大桥局集团第六工程有限公司，湖北 武汉 430100；3.北京新桥技术发展有限公司，北京 100088）摘要：在改建工程中，为了减小桥梁拓宽后原桥和新建部分的不均匀沉降给结构带来的不利影响，桥梁改扩建尽可能采用桩基础。桥梁桩基础是工程施工中的关键环节，其施工质量对拓宽桥梁工程的整体质量有着重要的影响。本文以京港澳高速公路改扩建工程为依托，探讨了 PHC 预制管桩较传统的钻孔灌注桩的优势，详细介绍公路改扩建工程中桥梁 PHC 预制管桩的施工要点，对收锤标准进行了分析和验证。最后对桥梁 PHC 管桩施工注意事项进行了介绍，可为类似改扩建项目中桥梁 PHC 管桩施工提供经验与借鉴。关键词：桥隧工程；施工要点；Hiley 公式；PHC；改扩建 中图分类号：U443.13+3 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）04-0158-05 Application of Bridge PHC Pipe Pile Foundation in Reconstruction and Expansion Project JIANG Haiguang1,WANG Ruchuan2,LI Zhongliu2,LI Dong3(1.Hubei Traffic Investment Beijing Hong Kong Macao Expressway Reconstruction and Expansion Project Management Co.,Ltd,Wuhan Hubei 430100,China;2.China Railway Bridge Bureau Group Sixth Engineering Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 430100,China;3.Beijing Xinqiao Technology Development Co.,Ltd.,Beijing 100088,China)Abstract:In the reconstruction project,for the purpose of reducing the adverse impact of the differential settlement of the old bridge and the new bridge on the structure after the widening of the bridge,pile foundation is adopted as far as possible.Bridge pile foundation is the key point in engineering construction,and its construction quality control is important to the quality of widening bridge engineering.Based on the reconstruction and expansion project of Beijing-Hong Kong-Macao Expressway,this paper discusses the advantages of PHC precast pipe pile over cast-in-place pile,introduces the key construction technologies of bridge PHC precast pipe pile in highway reconstruction and expansion project in detail.And the hammer receiving standard is analyzed and validated.At last,the key point for bridge PHC pipe pile construction are introduced,which can provide some reference for similar projects.Key words:bridge and tunnel engineering;key point of construction;Hiley formula;PHC;reorganization and expansion 0 引言 由于我国日益增长的交通量，越来越多的交通线路亟须进行改扩建以适应交通运输发展的需求1。而 收稿日期：2023-03-31 作者简介：姜海光（1986-），男，湖北黄冈人，高级工程师，从事工程技术管理工作.（）在桥梁改扩建工程后，由于基础沉降出现了路面破坏、梁体倾斜等现象。为了解决上述问题，在桥梁改扩建工程中应尽量采用桩基础2。目前桥梁桩基础中钻孔灌注桩较为常见，但其施第 4 期 姜海光等，改扩建工程中桥梁 PHC 管桩基础的应用 159 工质量控制要点多，控制不当则会出现导管堵塞、孔壁坍塌、扩径缩径等问题，同时伴随泥浆垃圾和噪声污染。与之相比，PHC 管桩在工厂内标准化预制，桩身质量可靠易控制，施工时主要产生噪声污染和环境振动，对环境污染相对较小，同时兼具施工进度快等优点。而改扩建工程又易受周边建筑物以及用地限制的影响，给桩基施工造成不便与困难。同时公路改扩建工程路线长、占地范围大，施工过程会对沿线生态环境造成破坏。因此，如何环保、可靠、有效地进行改扩建工程中的桥梁桩基施工显得十分关键。本文对京港澳高速公路改扩建工程项目桩基从设计、施工、成本和环保进行了对比选型，介绍了施工要点以及施工注意事项，同时进行桩基检测，验证制定的收锤标准能否满足工程需要，最终形成桥梁PHC 管桩基础施工关键技术，可以为相关的项目提供思路和参考。1 工程概况 本项目京港澳高速湖北省鄂豫界至军山段改扩工程 JGATJ-5 标段起止桩号为 K1130+300K1147+500，主线全长 17.2km，连接线 4.116km。根据已有的工程资料，京港澳改扩建工程 5 标段共有桥梁 21 座。原方案中均采用桩径 1.8m 的钻孔灌注桩，现方案中桩基 4 937 根，包含灌注桩 471 根、预制桩 4 466 根，预制桩占比共计 90%，桩径均为 0.8m。线路跨越两市两区四镇十一村：孝感市孝南区内的东岳村、北径村、龙湖村、京珠村和沦河咀村，武汉市东西湖区旭山大队村、灯塔大队村、五四大队村、蒿口村、前进村和新沟（四大队）村。线路位于孝感市内 11.02km，东西湖区 10.3km。表 1 单桩承载力计算结果 Tab.1 Calculation result of bearing capacity of single pile 桩基类别 单位 数值 1.8m 钻孔灌注桩 桩重 kN 543 桩顶反力 kN 5 919 桩基总荷载 kN 6 462 桩基承载力 kN 8 221 桩长 m 45 安全系数 1.27 0.8mPHC 管桩 桩重 kN 71 桩顶反力 kN 2 005 桩基总荷载 kN 2 076 桩基承载力 kN 2 915 桩长 m 37 安全系数 1.4 2 PHC 管桩与钻孔灌注桩的选型 2.1 承载力理论计算对比 在以东西湖北桥典型地质为代表的区域分别针对摩擦桩和预制桩设计参照规范进行设计。参考公路桥涵地基与基础设计规范3中的摩擦桩公式，钻孔灌注桩承载力计算公式为：a=12=1+pr(1)r=0a0+22(3)(2)根据规范，式中系数及按工程资料取值，0取 0.7，取 0.7，a0为 600kPa，2取 2.5，2取 18。根据公路桥梁预应力混凝土管桩基础技术规程，预制桩基按规范沉桩计算公式计算：a=12(=1+r+prp1)(3)式中，p取 0.8，式中各值依据工程资料取值。由承载力计算结果对比可知，原方案中跨径 30m 的桥梁结构下部 1.8m 钻孔灌注桩桩基础可采用 4 根桩径0.8m 的 PHC 管桩进行代替。由表 1 可知，在相同地质环境下，采用更小桩径的 PHC 管桩，桩基础的容许承载力不仅大于钻孔灌注桩的容许承载力，并且所使用的材料要比钻孔灌注桩更少，单根桩的桩长更短、桩的截面面积更小。在采用 PHC 管桩基础方案后，能够不再产生泥浆排放，同时也避免了沉淀池对土地的占用及破坏，一般钻孔灌注桩所需的沉淀池容积为单个灌注桩孔体积的 35 倍，占用的土地越多，水土流失越严重，废弃泥浆对土壤的影响就越大4。2.2 成本对比 表 2 为 PHC 管桩替代方案与原钻孔灌注桩方案的简易成本对比，可知采用 PHC 管桩方案，单墩造价节省 8.7 万元，其中东西湖北桥共计 772 个桥墩，共计可节省 6 716.4 万元。表 2 成本对比 Tab.2 Cost comparison 子目名称 单位 数量 总计/万元 1.8m 钻孔灌注桩 m 92 42.5 钢筋 kg 12 238 0.8mPHC 管桩 m 296 33.8 钢筋 kg 5 907.34 在实际工程中，PHC 管桩的施工成本包含了各类费用，由运费、原材料费、劳务费和机械费等不同部160 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 分组成。钻孔灌桩的施工成本除了上述费用外，还包含了钢筋骨架制作成本、泥浆制作及运输成本和污染管理成本等5，并且部分无法具体评估但与工期相关的其他费用在钻孔灌注桩成本中所占比重较大。2.3 施工技术对比 PHC 管桩施工机械化程度高、工艺简单、桩身质量可控，而钻孔灌注桩施工工艺复杂，桩身具有隐蔽性，施工质量所受的影响因素多，难以控制，并且施工过程要求连续。此外，PHC 管桩施工前预制，桩身质量可靠，施工所占场地小。而钻孔灌注桩全程现场完成，施工过程中的质量控制对桩的承载力影响很大，伴随产生机械噪声污染，并且还有泥浆污染、尘土空气污染等对环境不利的影响。现场机械设备多、占地大，再加上施工影响因素多，在场地受限的改扩建工程中直接加大了施工管理难度，间接地降低了工程的经济效益。同时，PHC 管桩施工效率高于钻孔灌注桩。根据现场经验，PHC 管桩施工效率为钻孔灌注桩的 7 倍。适用于京港澳改扩建工程 5 标段大面积桩基础施工，为加快施工进度提供了有利条件。2.4 环保效益对比 京港澳改扩建工程5标沿线自然水网体系及农业用地密集。为了减少对沿线环境的破坏、保持既有的灌溉系统和自然水网体系，防止环境污染、保障施工地点附近居民的正常生活，结合钻孔灌注桩及预制桩的施工特点进行对比。钻孔灌注桩对环境的影响主要体现在沉淀池、泥浆排放。首先，开挖沉淀池就是对沿线既有土地的破坏和占用，不仅占用了土地资源，还对土体结构造成了破坏。其次，沉淀池作为主要污染源，里面的泥浆导致周围环境的土壤结构和性质发生改变，尤其是雨季天气，泥浆溢出沉淀池将扩大周围土壤板结或盐碱化，对土地造成不可逆的影响甚至是废弃。一般施工单位会对废弃泥浆进行处理，但这样会产生较高的成本，再加上监管不严，由于趋利性和成本压力，施工单位可能直接将泥浆随意排放，或者就地掩埋。预制桩对环境的影响主要体现在打桩噪声和打桩振动方面。首先，京港澳改扩建工程 5 标预制桩为锤击沉桩，打桩噪声影响范围大，但是在距离居民区较近的路线可以采取噪声小的液压锤施工方案进行替代。其次，打桩振动对周边环境的影响对象为建筑和人群，但可采取设置防震沟的方式进行解决，以上两种方式不会对生态环境造成破坏。尽管预制桩施工会对土体结构造成破坏，但影响范围在 1 倍桩长左右6。本项目单根桩的影响范围为0.8m，但是随着时间的增长，土体会随着时间重新恢复至平衡状态，最终对土壤性质不造成影响。综上所述，PHC 管桩的优势大于钻孔灌注桩。3 施工要点 3.1 沉桩定位 PHC 桩的初始定位十分关键，由于施工过程中的坐标修正难度大，因此首节桩的精度决定整根桩的成桩精度。根据桩基施工规范要求，沉桩完成后平面位置偏差不超过 150mm。京港澳改扩建工程 5 标段沉桩施工采用 GPS 定位系统，根据预先输入的平面坐标，利用定位系统显示的数据对设计桩位中心点进行放样，并做好标识。图 1 桩位标识 Fig.1 Pile position mark 3.2 接桩 待桩头离地 11.3m 时停止打桩。本工程采用端板焊接接桩的方式进行接桩，焊接前用钢丝刷清洁管桩连接处露出金属光泽。接桩时，上、下节管桩应当保证垂直，错位不得超过 2mm。焊接时要先在管桩接头处对称点焊 46 点，固定好上、下节管桩后再正式开始施焊，从接桩处两边对称进行施焊。为保证管桩接头处的焊缝质量，焊接层数为 3 层，每次清理干净内层焊渣后再进行外一层的焊接。特殊天气时采取必要的防风、防雨措施，防止焊口降温过快导致出现焊缝质量问题。当焊接质量验收合格后。经自然冷却 8min 后方可继续进行锤击打桩，避免由于内外温差大，锤击产生的振动导致焊缝开裂。同时考虑到地下水位标高，桩身接头焊接外露部分涂刷防腐漆，避免接头薄弱处腐蚀导致桩身承载力下降。3.3 收锤标准 收锤标准通过贯入度进行判断。贯入度一般指锤击 10 下的入土深度，施工时可根据贯入度判断桩基第 4 期 姜海光等，改扩建工程中桥梁 PHC 管桩基础的应用 161 的承载力是否达标。施工中的贯入度值根据 Hiley 公式计算并经过静载试验确定，该公式反映了桩锤锤击能量、贯入度和单桩承载力三者之间的关系，是一个在国外以及我国沿海地区广泛采用的打桩收锤公式。本项目中柴油打桩锤所采用的 Hiley 公式7为：u=hh+12(1+2+3)r+2pr+p(4)其中，u为桩基极限承载力；h为 D 系列柴油打桩锤的锤击效率；h为锤击能量；为最终贯入度；1为桩顶和桩帽的弹性压缩变形值；2为桩身弹性压缩变形；其中，2=u/，u为设计荷载，为桩长，为桩截面积，为桩身材料弹性模量；3为土体弹性压缩变形；r为桩锤锤芯质量；为桩垫材料阻力系数；p为桩身质量，包括桩帽、桩靴、桩垫质量。为了得到最终的收锤标准，根据本项目确定的贯入度（3mm/击）、单桩承载力特征值以及桩锤锤芯质量，通过式（4）计算出本项目收锤所需的终锤能量，即桩锤锤芯的跳高高度。式（4）中各参数取值为：u=2 200kN，h=0.85，1+2+3=13.3mm，=0.5，h、r及p可根据厂家提供的锤型号参数确定。将PHC桩参数及桩机参数代入Hiley公式计算可得，当选定收锤贯入度为 30mm/10 击时，终锤能量按88kJ 控制。京港澳改扩建工程 5 标中采用 16t 桩锤施工，最终收锤时桩锤应在跳高 1.8m、连续锤击 10 锤的情况下，贯入度不超过 30mm 时才可停锤。在锤击沉桩过程中，需要专门记录打桩过程。在桩身上每 100mm 进行刻度标记，可在沉桩过程中方便观测，填写沉桩记录表。图 2 桩身刻度标记 Fig.2 Scale mark of pile body 3.4 隔振技术 在锤击施工过程中，打桩振动会向周围传播有害的环境振动，一是会影响到施工周边房屋建筑主体结构。并且由于在开阔平整的施工场地中振动传播能量损耗低，该影响最为显著。二是噪声污染影响居民的正常生活，可能引起民事纠纷甚至发生阻工事件。首先应当确定振动影响范围，对打桩振动影响范围进行评价。在确定打桩施工振动对建筑结构的振动频率范围后，按建筑工程容许振动标准（GB 508682013）进行影响评价8。为了控制振动，在施工前可提前设置隔振沟以减小打桩振动对周边的影响。相关研究表明9，隔振沟的隔振效果与以下因素有关：（1）隔振沟中的填充材料，材料的弹性模量与土体弹性模量差异越大，隔振效果越佳，一般情况下可选择空沟；（2）与隔离对象的距离，隔离对象距离隔振沟越近，隔振效果越好；（3）沟深，隔振效果随着隔振沟深度增加而增加，与宽度无关；（4）特殊情况下，可选择设置多道隔振沟增强隔振效果。图 3 隔振沟 Fig.3 Isolation trench 4 桩基试验 先进行静载荷试验检查单桩竖向承载力，然后再进行高应变试验检测承载力和桩身完整性，以验证成桩验收标准的贯入度是否合格。4.1 静载试验 试验前保护好所测桩桩头，截桩桩头应安装桩帽，为试验作好准备。图 4 静载试验装置 Fig.4 Dead load experimental test equipment 静载试验采用慢速维持荷载法加载。加载等级按440kN 分级进行，第一级时按 880kN 加载。每级荷载达到相对稳定后再加下一级荷载。每级加载后第一小时内，在第 5、15、30、45、60 分钟时测读一次桩顶沉降量，累计 60 分钟后每隔半小时测读一次，每次在试验记录表中记录读数。162 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 当每一小时的沉降不超过 0.1mm，并连续出现两次，可认为达到相对稳定状态，可进行下个等级的加载。当加载已达到承载力特征值的 2 倍或设计要求的最大加载值（即4 400kN），并且总沉降量不大于40mm时，静载试验结果可认为合格。图 5 为试桩结果，试桩锤击施工过程控制以贯入度为主，桩端标高为辅。最终静载结果显示最大沉降量为 16.08mm，符合设计要求。图 5 Q-S 曲线 Fig.5 Q-S curve 4.2 高应变检测 在桩顶下1.2m处两侧对称安装加速度传感器和应变传感器，释放重锤自由落下打击桩顶，记录桩的应力波和加速度波信号，以便通过信号进行曲线拟合分析。每条桩储存于仪器中的检测曲线不少 2 组。将检测资料存储于检测设备中，使用相关软件处理应力波力和加速度时程曲线，来判定 PHC 管桩的承载力和桩身质量完整程度。本项目高应变检测结果最终均合格。结合静载试验和高应变检测试验结果，通过检查桩的极限承载力以及桩身完整性，可验证成桩验收标准的最终贯入度以及施工工艺是否合理，相关数据可用于指导后续沉桩施工。5 注意事项 预制管桩经历离心过程成型，内壁较粗糙且存在一定厚度浮浆。当管桩运输至现场时，技术员应当检查管桩内壁浮浆厚度。由于最后一节管桩的内壁浮浆厚度将影响后期连接承台的填芯钢筋的安装，因此内壁浮浆厚度大时应及时进行处理，以免影响后期施工。地基承载力必须满足规定承载力要求，如果不满足将影响打桩施工过程，导致桩架由于不均匀沉降出现偏位，最终桩身、桩锤、桩帽中心轴线不重合10。由于地下水位高，京港澳改扩建工程 5 标相当数量的桩位在沉桩完毕后，地下水渗入管桩空心，甚至从管桩内溢出地面，雨季时最为明显。在遇到这种情况时，下钢筋笼前应当注意将管桩内的水排出，及时进行填芯混凝土的浇筑，以免对管桩和承台的整体性连接造成不利影响。锤击沉桩施工是一个通过桩锤锤芯的冲击能量使得管桩能够克服土的阻力下沉到预定深度的过程。桩身冲剪破坏土体，在施工过程中土体强度降低。而在沉桩结束后，桩在土中的极限承载力会随着时间发生变化，这种现象称为桩的承载力时效性，一般情况下，桩身承载力随时间而增大，达到最终的稳定需要数天甚至数年不等。在施工过程控制时，桩端接近设计标高而贯入度依旧远大于规定值时，现场技术人员可停锤，砂土在第 7 天，粉土和黏性土在第 14 天进行复打，以复打贯入度为收锤标准进行施工控制来节约成本、保证工程质量，并判断是否需要继续接桩。6 结语 本文以京港澳改扩建工程 PHC 管桩施工为依托，对 PHC 管桩和钻孔灌注桩的承载能力、成本、施工技术、环保效益进行了对比，详细介绍了 PHC 管桩在绿色环保、节约资源、节省成本、施工进度等方面的优势。并阐述了改扩建工程中 PHC 管桩的施工关键技术，运用 Hiley 公式对收锤标准进行了估算，并通过静载试验与高应变检测验证了 PHC 管桩施工收锤标准和施工工艺的合理性。最后根据现场经验总结了改扩建工程中桥梁预制管桩施工的注意事项，可为其他类似工程提供参考。参考文献：1 崔佳佳.公路改扩建工程新旧路基拼接施工技术J.黑龙江交通科技,2022,45(5):75-76.2 吴华金,张林洪.公路改扩建技术M.北京:人民交通出版社,2019.3 JTG D632007.公路桥涵地基与基础设计规范S.4 刁忠军.高速公路改扩建工程中的环境保护J.交通节能与环保,2015,11(3):64-67.5 姜正平,明维,周展钊,等.PHC 管桩与钻孔灌注桩的分析与对比J.混凝土与水泥制品,2015(10):39-43.6 李富荣,孙伟,杨斌,等.预制桩施工对周围环境影响的试验研究及保护措施J.工业安全与环保,2014,40(5):37-40.7 Bowles J.Foundation analysis and design/5th edM.8 GB 508682013.建筑工程容许振动标准S.9 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