摘要 PHC管桩技术有着质量可控、施工便捷、不均匀沉降小等优点，被广泛应用于工程建设中。文章以我国某工程实例为基础，结合现场管理及试验，通过理论计算及数值模拟的方法，从承台优化、填芯补强等方面入手分析了PHC管桩的设计优化。同时，对动静载试验结果进行观测与分析，论证PHC管桩在桥梁工程中的适用性，为我国基础工程建设提供理论支持。

关键词 桥梁工程;PHC管桩;适用性;优化设计

中图分类号 U445.551 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）06-0166-03

引言

预应力高强度混凝土管桩是目前工程建设中常用的一类基桩，也被称为PHC管桩。PHC管桩具有良好的工程性质，同时造价相对较低，经济性突出，主要用于民用及工业建筑建设中，但在桥梁工程中却涉及的较少[1]。所以，针对PHC管桩在桥梁工程中的适用性分析尤为必要。

1 工程概况

文章以我国某桥梁工程为例展开分析，项目全长约70.28 m，设计宽度为2×15.4 m，设计荷载定为公路I级。上部结构选用先张法生产的4孔16 m空心板，采用预制生产、现场装配的方式完成施工;下部结构采用柱式墩和内板式桥台设计。该项目原设计方案采用钻孔灌注桩，后应业主要求变更为直径600 mm、壁厚110 mm的PHC管桩，并将该桥定为试验路段，对其展开受荷分析与设计优化。

2 桥梁桩基础受荷分析

2.1 桥梁上部结构荷载计算

为了简化计算、降低工作量，统计分析墩柱上覆荷载上一般将结构自重简化为线荷载，作用点定在墩帽上：预制空心板及铺装层视为墩帽所受的均布荷载，护栏则视为集中荷载，并将墩帽、墩柱当作一个整体进行分析[2]。具体来看，上部结构自重荷载转换后可得：跨径为16 m的预制空心板自重荷载标准值为11.36 kN/m2;护栏自重荷载标准值为1.0 kN/m;厚度为10 cm 的沥青混凝土自重荷载标准值为2.3 kN/m2;厚度为10 cm 的现浇混凝土自重荷载标准值为2.4 kN/m2。将上述均布荷载累计附加，并将其分布区段长度定为16.5 m，护栏自重荷载作为集中荷载计算，如图1所示。

若不考虑行车荷载的影响直接统计分析桥墩上竖向荷载：中间桥墩顶所受竖向集中荷载值为2 284 kN;边侧桥墩顶所受竖向集中荷载值为1 441 kN。综合考虑桥墩及承台自身重量的影响，可以得出1、2、3号桥墩承台底所受的竖向荷载分别为2 008 kN、2 851 kN、2 008 kN。

2.2 桥梁汽车荷载计算

统计分析作用于盖梁的汽车荷载，取盖梁两侧各半跨宽度作为计算范围，并根据偏心压力法计算得到墩柱的影响线形状，进而得到最不利的加载影响线。基于统计所得的荷载水平，计算得承台顶的力系情况。通过力学求解即可得出桥墩承台顶的最不利水平荷载约为78 kN，最不利竖向荷载约为3 251 kN以及最不利弯矩约为624 kN·m。

3 承台设计及平面布置

借助空间桁架分析模型来计算的桩，在设计承台时应当对荷载分布、水文地质等形成全面的认识，并重点从承台厚度及桩间距两个方面研判承台设计的科学性。在对承台厚度及桩间距两个因素分别进行单变量分析后，还需要综合考虑承台设计优化多重影响因素的相互关联性，得出最优的取值。

在分析这一问题时可以将多因素影响抽象为数学模型，将其视为MATLAB优化中的多目标规划问题：其中目标为承台的材料消耗量（M）;主要变量为桩间距（L）、承台有效高度（h0）及顶层钢筋与承台底的间距（δ）。在具体工程中可根据实际情况确定以上参数具体的取值，并通过MATLAB完成优化，该项目经优化后的结果如表1所示。

根据表1中数据即可得到：合理桩间距也即最小桩间距。但这一结果仅按撑系杆设计模式发展而来，未能考虑到工程实际需求。在实际工程中，桩间距还有最小值的要求，所以按照规范要求取为3倍桩径。对处于正常使用下的PHC桩承台有效厚度进行分析与求解，可得到如表2所示的结果。

根据承台底的实际荷载分布情况，可计算得到单桩荷载分布的具体数值。在桩长、桩数及桩顶荷载不变的情况下，桩基础的优化主要包括了承台及桩间距两部分。需要先计算得出承台的最小有效厚度，同时采用PHC桩的桥梁工程桩间距一般在3～4倍桩径的范围内，根据MATLAB的優化功能来改进模型取值，确定最佳设计方案。

将桩间距确定为3倍的桩径，承台有效厚度确定为124 cm，则承台实际厚度=有效厚度+深入承台长度=124 cm+10 cm=134 cm。在该项目中，承台的实际厚度定为150 cm，桩间距取为3倍的桩径，这与理论分析值较为接近。

4 填芯设计

该项目模型分析以B型PHC桩为对象展开，主要初始参数：直径为60 cm，壁厚11 cm，长度为15 m，桩内填芯选用C25混凝土，钢筋的类型及用量为6Φ16。此外，在土体材料的选择上，参数应当重点考虑变形及强度两个方面。在应用快速拉格朗日有限差分法时，主要借助体积模量K及剪切模量G来描述材料的变形情况，其中K和G可按照下式计算：

式中，E——杨氏模量;υ——泊松比。

土体的杨氏模量E则可借助室内试验的方法确定，并按照进行换算。

数值分析所用的全部参数均来自试验实测数据，且与PHC桩体、水文地质相关的参数在分析过程中保持恒定。

基于有限单元法网格划分的基本要求，一般对应力水平较高、应力变化复杂的位置采用更密集的网格[3]。而对应力水平较小、应力变化简单的位置则可采取更稀疏的网格划分。

研究表明，填芯工艺能够显著提升管桩的力学性能，尤其是抗弯与抗剪能力，且在填芯后管桩的不利截面更加明确，应力分布也更加合理[4]。在填芯处理后，管桩上可能导致水平开裂的Z向正应力以及导致剪切破坏的XY向剪应力均得到了均匀化，且整体水平较未处理管桩有效降低。合理布置的填芯对管桩能够起到加固、分担的作用，使其承载能力得到显著提升，但值得注意的是增加填芯长度对于桩身抗剪能力没有显著影响，且对抗弯能力的提升突出。此外，对于填芯长度大于最大弯矩点1 m以上时，即使增加填芯长度，桩最不利截面的应力情况也不会产生较大变化。所以，在实际设计中，一般以大于最大弯矩点1 m作为设计填芯长度。

基于桥墩基础的荷载分布情况，求得单桩所受荷载大致为：20 kN水平荷载，156 kN·m弯矩，同时结合桩体上弯矩及剪力展开分析，得到其分布分别如图2、图3所示。

沿桩身的最大剪力一般认为在桩端位置，即桩与承台的连接点处。在考虑地震作用影响时，桩端由于存在应力集中往往最早发生断裂，在设计时就可借助填芯法着重强化桩端力学性能。桩身的弯矩一般在土体下约3 m位置达到峰值，且一般大于201 kN·m，也就是说高于桩基抗裂弯矩检验值，因此这一位置也是填芯补强的重点区域。为了降低施工难度，提升项目整体效益，填芯作业所用的材料一般可选用与承台材料级配相同的C25水泥，钢筋一般可采用10@100，填芯的长度以4 m为宜。经计算可得到填芯后桩体极限抗弯承载力达到了550 kN·m，且抗裂弯矩检验值达到了278 kN·m，较补强前有更好的力学性能。

5 桥梁动静载实验

为了明确PHC桩基的受力状态，项目借助动静载试验展开分析。其中静载试验借助等效加载的形式完成，加载通过三轴自卸式装载车来实现，为了保证试验能够达到预期目的，并保证加载过程的安全可靠，等效加载需要始终处于严格受控的状态下并合理选定荷载效率系数。加载过程的荷载一般可按照4车道进行布置。选定加载位置及工况时应当尽可能满足以下基本原则[5]：采用尽可能少的车辆来达到预期最大荷载，同时根据工程实际条件优化加载工况，将试验的时间控制在合理的范围内。在不降低试验整体效率的同时，可以对不同工况做出适当的合并处理，各个工况在满足自身检验内容的同时，尽量兼顾其他检验内容。该项目静载试验实测得到各个桥墩的沉降量均为0 mm，表明未产生沉降，桥梁处于相对安全状态。

而在动载试验中，采用两辆三轴自卸车完成加载，使其分别按照10 km/h、20 km/h、30 km/h的速度行驶并在测试面位置制动，由此来施加给桥梁较大的冲击作用，测量基础的位移情况作为试验结果，其结果如表3所示。

根据上表可以发现，车辆行驶速度越高基础所发生的水平位移也就越大，但变化量较小。试验测得最大水平宜约为0.07 mm，这也表明在动载试验中桥梁的承载能力较好。

6 结束语

基于已有PHC管桩工程案例，针对PHC桩基础的设计进行优化分析：首先需要基于工程现场的荷载及场地条件展开初步设计，明确设计方案的主体及要点，并厘清设计优化应当关注的重点参数。其次，按照上文所论述的承台优化、填芯优化等方法分别展开优化设计。最后，将优化后的设计方案与原方案进行比对，评价其经济性、科学性，并借助动静载试验进一步检验。主要得到下述结论：

（1）相较于梁式设计方法，在PHC桩承台设计中应用“撑-系-杆”方法具有更好的经济性。

（2）填芯处理能够显著改善桩体的抗弯、抗剪能力，使其水平承载力大大提升。这一方法在水平荷载比较突出的项目中具有很好的应用意义。

（3）按照3倍桩径的标准确定桩间距能够使群桩发挥良好的工作性能，达到合适的群桩效应系数，同时还可以起到荷载分担作用，控制承台截面尺寸。所以对于摩擦型群桩而言，3倍桩径可以作为桩间距的取值标准。

（4）在该项目的桩基优化设计中，桩间距确定为3倍桩径，承台厚度及填芯长度分别定为1.5 m和4 m。根据实测得到的数据来看，PHC桩处于安全可靠的状态，能够满足工程预期使用要求，具有良好的优化效果。

参考文献

[1]李旺昌. PHC管桩在高速公路桥梁工程中的应用分析[J]. 建筑技术开发， 2021（14）： 89-90.

[2]赵生星. 浅谈PHC预应力混凝土管桩在高速公路桥梁中的应用[J]. 黑龙江交通科技， 2021（5）： 107-108.

[3]楊丽娜， 张光义. PHC管桩应用于桥梁基础中的设计探讨[J]. 运输经理世界， 2020（9）： 41-42.

[4]卢东明. 城市桥梁工程施工技术研究[J]. 中国科技投资， 2019（8）： 26+34.

[5]黄康. PHC管桩基础在桥梁工程中的设计应用[J]. 公路交通科技（应用技术版）， 2018（10）： 217-220.

收稿日期：2022-01-13

作者简介：刘冉（1988—），男，本科，工程师，研究方向：道路桥梁工程设计。