PHC管桩应用于桥梁基础中的设计探讨

1 前言

PHC管桩，即预应力高强度混凝土管桩，是一种新型预制桩。它多采用先张预应力离心成型工艺，通过蒸压养护制备成空心圆筒形混凝土预制构件。在施工时，采用静压、锤击等方式将其下沉至设计深度。PHC管桩具备良好的抗拉性能、耐久性和单桩承载性能，因此被广泛应用到民用建筑和桥梁工程中[1]。PHC管桩的建设材料主要是钢筋和混凝土，由于钢筋与混凝土的材料性能差异较大，所以施工时在钢筋、混凝土之间要设置接触单元，以传递钢筋、混凝土应力。本文结合工程实践，总结分析PHC管桩在桥梁基础中的应用，仅供参考。

2 适用条件分析

2.1 桩长条件

PHC管桩由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承担上部荷载，要想满足桩基础的承载力要求，就应确保桩身的入土深度，将桩端打入强风化层、全风化层、坚硬的黏土层或密实的砂层（或卵石层）。受起吊、运输等因素制约，PHC管桩节长一般在13m以内，可灵活搭配，接长方便，在施工现场并可根据地质条件变化调整接桩长度。

2.2 地质条件

由于上部结构对桥梁桩基承载力要求较高，预应力管桩的桩端多选择埋藏较深的基岩、厚度大于5m的强风化岩作为持力层。全强风化花岗岩层具备较高的承载力，标贯击数超过40，则可以作为桩基础持力层。强风化岩层作为持力层时，必须要保证嵌岩深度。此外，下列条件不适宜采用PHC管桩：

2.2.1 桩端持力层以上覆盖层存在孤石、花岗残积层中未风化的石英岩脉时，沉桩困难，若通过提高沉桩能量的方式继续沉桩，容易造成桩身断裂等工程事故，对沉桩影响大。

2.2.2 桩端持力层为软化基岩、埋藏深的风化岩，由于桩端土层承载力较低、桩端阻力较小，难以确保桩基础承载力。

2.2.3 地下水对于PHC管桩混凝土、钢筋、钢配件等具备较强腐蚀性。

2.2.4 砂土液化严重的区域。

2.2.5 沿线具有高压线塔、运输不便利的地区。

2.3 应用跨径

基于理论分析可知，当地质条件允许、试桩承载力满足要求时，桥梁应用管桩技术具备可行性。然而在实际项目应用中，应当按照跨径种类、分布、规模等对承台形式、配桩方案进行设计，合理选择管径应用跨径。

例如，在A 项目桥梁工程中，跨径小于30m桥段，占据全线长83%，基本为预制梁结构，多为线状分布。跨径大于30m的桥梁较少，占据全线17%，多为点状分布。基础外荷载大，主墩基础规模大，如果全部应用管桩基础，很大程度上会提高运输、施工和检测成本，降低项目整体的经济性。因此，在本项目建设中跨径小于30m的桥段应该应用管桩基础[2]。

2.4 管径选择

常规桥梁选择小直径管桩基础，常见的类型有D500 和D600管径，其中D600的结构抗弯能力明显高于D500。此外，选择大直径的D600管桩可以减少承台下基桩数量和承台底面积；D600管径表面积大，因此与土体接触面积较大，在一定程度上能够提升单桩承载性能，应用优势显著。

3 计算分析受力状态

桥梁管桩基础受力计算，涉及桩身承载力计算、单桩承载力、截面抗裂性能验算等，结合本项目，具体如下：

3.1 计算荷载

在温度荷载、车辆荷载、恒荷载、地震荷载及风荷载影响下计算管桩基础承台底内力，并根据承载力限值、单桩承载性能、正常使用极限状态，对不同荷载进行组合。通过m 法计算不同基桩内力，选择荷载组合最大的管桩，并进行承台的冲切验算。

3.2 计算管桩基础抗力

3.2.1 计算桩身截面抗力。分析预应力混凝土管桩以及管桩生产厂家所提供的参数，明确抗裂弯矩、桩受弯承载力、受剪承载力、抗压承载力、桩身轴心受拉等设计值。在荷载组合作用下，验算抗裂拉力、抗裂弯矩，以确保其满足规范标准。

3.2.2 计算单桩承载性能。按照公路桥涵地基、设计基础规范等要求，在计算单桩轴向受压允许承载力时采用标准化计算公式。

4 PHC管桩设计要点

结合某地区PHC管桩应用工程实例，分析设计要点问题。项目处于平原区，工程地质条件简单，综合分析选择管桩基础。管桩基础设计包含单桩竖向承载力计算、桩基水平承载力计算、桩身强度及裂缝验算、桩基变形验算、承台高度及底板配筋设计等[3]。在设计PHC管桩基础时，应适当参考本地区同类型工程的设计经验，结合项目特点，选择最佳的设计方案。

4.1 方案比选

选择具备代表性的25m跨小箱梁结构，按照墩高以下15m 双柱式桥墩配管基础进行比选计算，并从承台形式、管桩数量、管径等角度进行方案比较。为了确保各方案具备直观性和代表性，按照不同控制工况，从频遇荷载组合、偶然荷载组合中选择“永久作用、汽车荷载、升温组合、制动力作用”的工况；通过“永久作用”的工况计算荷载及其结构，结果如表1所示。不同方案单桩受力结构如表2所示。

表1 参选方案比较

表2 参选方案计算结果

4.2 参选方案计算结果

从表2数据可知，D500共计5根，D600共计4根，在频遇荷载、偶然荷载作用下，安全系数比较低，无法满足规范要求。方案1 安全系数处于标准范围内；方案2 安全系数低，工程量比较多。因此，项目施工选择方案1，在单个承台下配置5根D600管桩。

5 经济性分析

5.1 工程量分析

选择具备代表性的桥梁，原有施工方案为墩D1.4m、桩D1.6m的H型钻孔灌注桩，桩基长度为42m。方案1：圆倒角矩形承台，配置5根D600管桩。将管桩方案和钻孔灌注桩方案进行比较，结果显示，钻孔灌注桩方案的混凝土工程量、钢筋工程量均明显高于管桩方案。

5.2 工程造价分析

桥梁基础造价受地质条件影响，为了确保比选的代表性，根据勘查资料优化设计管桩和钻孔灌注桩桩长，统计项目各标段所有管桩及钻孔灌注桩基础费用后平均到墩造价中，以此获得墩下管桩基础、钻孔灌注桩基础的比选结果[4]。结果显示，管桩基础方案在工程造价上比钻孔灌注桩方案造价节省11%～35%。基岩埋深越大，则标段节省比例越明显，平均节省费用为23%，因此管桩的经济性更为显著。

6 结语

综上所述，针对强风化岩层土层厚、基岩埋藏深较大的地质条件，可以采用PHC管桩。通过计算与比较分析可知，在5根D600管桩方案可以应用到中小跨径常规桥梁中[5]。比较钻孔灌注桩方案、PHC管桩方案的工程造价，结果显示，后者的工程造价降低了25%左右，因此，PHC管桩方案具有更显著的经济效益。