高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁承載特性研究及實(shí)際工程應(yīng)用

李遠(yuǎn)方

（中交第四公路工程局有限公司，北京 100000）

1 引言

高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁又稱(chēng)PHC 管樁，具有成樁質(zhì)量可控性強(qiáng)、單位承載力造價(jià)低、運(yùn)輸和吊裝以及沉樁方便等優(yōu)點(diǎn)[1]。當(dāng)前，混凝土預(yù)應(yīng)力管樁廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工程建設(shè)中，尤其是現(xiàn)在大型的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)或其他工程建設(shè)的基礎(chǔ)上，大都選用混凝土預(yù)應(yīng)力管樁，具有極高的應(yīng)用價(jià)值[2]。我國(guó)的成樁企業(yè)超過(guò)上千家，PHC 管樁的規(guī)格已形成規(guī)格，按照PHC管樁的外徑分為7 個(gè)規(guī)格，分別是：300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、800 mm、1 000 mm 和1 200 mm。PHC 管樁為空心管樁，人們對(duì)空心管樁的承載能力缺乏充分的研究，在基坑支護(hù)過(guò)程中，PHC 管樁能否有效應(yīng)用于實(shí)際工程的基坑支護(hù)，以及其抗彎承載力和抗剪承載力大小能否滿(mǎn)足支護(hù)用樁的要求，成為眾多研究者和項(xiàng)目工程人員首要解決的問(wèn)題。

樁基礎(chǔ)的設(shè)定承載力大多采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法，準(zhǔn)確計(jì)算樁基礎(chǔ)的承載力需要對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行豎向靜載試驗(yàn)。再者，PHC 管樁在靜載試驗(yàn)中，樁基的沉降計(jì)算不可忽視，根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中提到樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)必須標(biāo)注設(shè)計(jì)等級(jí)，從而驗(yàn)算其沉降量是否滿(mǎn)足要求[3]。黃廣龍等人[4]將預(yù)應(yīng)力混凝土管樁用作水平承載樁，結(jié)合我國(guó)高強(qiáng)PHC 管樁的生產(chǎn)技術(shù)，給出了適用于水平承載的PHC 管樁樁型，提高了PHC 管樁的抗彎抗剪性能。眾多研究學(xué)者均指出在靜載試驗(yàn)中，PHC 管樁的荷載傳遞呈現(xiàn)出由上而下減小的趨勢(shì)，樁體承載力包括樁側(cè)摩阻力和樁端阻力2 部分，且樁的受荷與沉降并非呈現(xiàn)出線(xiàn)性關(guān)系，導(dǎo)致樁土之間的傳遞效應(yīng)還有待深入研究。本文系統(tǒng)給出了PHC 管樁的荷載傳遞機(jī)理和承載受力特性，并結(jié)合泰興人才公寓項(xiàng)目進(jìn)行PHC 管樁工程實(shí)例分析。

2 PHC 管樁的受力特性

在豎向靜載加載過(guò)程中，樁側(cè)阻力首先被激發(fā)出來(lái)，當(dāng)樁側(cè)阻力增大到一定值后，樁端阻力才會(huì)發(fā)揮作用[5]。在加載初期，樁側(cè)摩阻力主要是PHC 管樁上部承擔(dān)，在此過(guò)程中樁體發(fā)生的位移較小，而隨著施加荷載的增加，樁土之間的位移量增加，整個(gè)PHC 管樁都會(huì)承受側(cè)摩阻力的作用。當(dāng)樁側(cè)摩阻力增加到最大極限時(shí)，樁端阻力開(kāi)始發(fā)揮作用。

影響PHC 管樁的影響因素很多，最主要的幾個(gè)影響因素包括樁身與土體的剛度比、樁側(cè)土體與樁端土體的抗壓變形能力比以及PHC 管樁的長(zhǎng)徑比等[6]。實(shí)際工程中，PHC 管樁是環(huán)狀不閉口樁，在施工沉降過(guò)程中樁端土體受到擠壓會(huì)有一部分土進(jìn)入PHC 管樁內(nèi)部形成土塞，而土塞與管樁內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力，因此，實(shí)際工程應(yīng)用的不閉口樁的承載力特性更復(fù)雜。圖1 為PHC 管樁承載力分析圖，整個(gè)PHC 管樁的受力包括樁土內(nèi)、外摩擦阻力和樁端阻力構(gòu)成，由于土塞的作用，增加了樁土的摩擦阻力，會(huì)使得單樁的承載力更大，即PHC管樁的承載力Q 值可表述為：

圖1 PHC 管樁承載力分析圖

式中，Qs為樁土外摩阻力；Qi為樁土內(nèi)摩阻力；Qp為樁端阻力。

由于土塞的存在，樁土內(nèi)摩阻力的承載力值可根據(jù)極限平衡法求解，假定土體是剛性材料，不考慮土體的壓縮變形特性，取土塞高度d z 可表示為：

則dz可表示為：

假定土的水平壓力系數(shù)值為k，則對(duì)式兩邊在h 高度上積分，可得到樁土內(nèi)摩擦阻力單位面積的應(yīng)力值：

式中，h 為PHC 管樁內(nèi)部土體高度；A0為PHC 管樁內(nèi)有效截面積；c 為土的內(nèi)聚力值；U 為PHC 管樁內(nèi)壁周長(zhǎng)，pz和qz分別為z 深度處的豎向和水平應(yīng)力值；γ 為土的重度；φ 為土的內(nèi)摩擦角。

3 PHC 管樁單樁靜載荷試驗(yàn)及分析

施工現(xiàn)場(chǎng)，PHC 管樁的單樁靜載荷試驗(yàn)是必需的，以便隨機(jī)測(cè)試單樁承載力是否滿(mǎn)足要求。PHC 管樁靜載試驗(yàn)常用的方法是堆載法和錨樁法，在地基承載力較好的地質(zhì)條件下多采用堆載法進(jìn)行試驗(yàn)。靜載試驗(yàn)加載采用分級(jí)加載和卸載形式，直至PHC 樁體發(fā)生破壞，各級(jí)荷載作用下以沉降量作為觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，一般要求產(chǎn)生的最大沉降量不能超過(guò)0.1 mm/h。當(dāng)施加某一級(jí)荷載后PHC 管樁土的沉降量超過(guò)前一級(jí)荷載的5倍或者是PHC 管樁的沉降量超過(guò)前一級(jí)荷載的2 倍，且樁體在經(jīng)過(guò)24 h 后仍沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定時(shí)停止加載。

PHC 管樁必須考慮土塞形成的內(nèi)摩阻力的影響，但是，管內(nèi)土塞形成的側(cè)阻力難以確定，因此，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可以在計(jì)算樁土外摩阻力和樁端阻力時(shí)考慮土塞效應(yīng)對(duì)PHC 管樁受力的作用，根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，在無(wú)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)的條件下，可以根據(jù)式（6）和式（7）分別計(jì)算PHC 樁的總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值Qsk和樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值Qpk：

式中，qsik和qpk分別表示樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和極限樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；u 表示樁身周長(zhǎng)；λp表示樁端土塞效應(yīng)系數(shù)；li表示PHC 樁穿越各土層的深度；Aj和Ap分別表示PHC 管樁的樁端凈面積和敞口面積。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

本工程為泰興經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心及配套設(shè)施PPP項(xiàng)目中的人才公寓項(xiàng)目，本項(xiàng)目建筑物有高層、多層及地下車(chē)庫(kù)組成。工程樁采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，共計(jì)6 057 根樁，總長(zhǎng)度為139 223 m。工程用樁的樁型、單樁極限承載力和數(shù)量如表1 所示。根據(jù)勘探揭露，擬建場(chǎng)地屬長(zhǎng)江三角洲沖積平原地貌單元，場(chǎng)地內(nèi)現(xiàn)狀為農(nóng)田、溝渠眀 塘和土堆，地勢(shì)較平坦、稍有起伏，地形較為平緩。根據(jù)其成因類(lèi)型和物理力學(xué)性質(zhì)，可將場(chǎng)地地基土劃分為8 大層，具體的工程地質(zhì)狀況如表2 所示。

表1 工程用樁參數(shù)

表2 工程地質(zhì)狀況

本項(xiàng)目參與豎向靜載試驗(yàn)的PHC 樁較多，本文選取PHC-500(110)AB-C8（PHC 管樁的外徑500 mm，壁厚110 mm）中的一根管樁的靜載試驗(yàn)值進(jìn)行分析。在整個(gè)豎向靜載試驗(yàn)中，加載過(guò)程和卸載過(guò)程均保持荷載傳遞的連續(xù)、均勻和無(wú)沖擊性，每級(jí)加載后按照第5 min、15 min、30 min、45 min 和60 min測(cè)讀基樁的沉降量，且每級(jí)荷載持續(xù)時(shí)間不少于60 min。施加荷載梯度分別為0 kN、600 kN、1 200 kN、1 800 kN、2 200 kN、2 600 kN、2 900 kN 和3 200 kN，樁入土深度為46.6 m，樁端進(jìn)入持力層深度為4.8 m。

4.2 PHC 管樁試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果與分析

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本文試驗(yàn)的PHC 管樁能按照設(shè)計(jì)要求加載到預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)值3 200 k N，滿(mǎn)足加載條件時(shí)停止加載。圖2 為PHC 管樁的豎向靜載Q-S 曲線(xiàn)，PHC 管樁的沉降量隨著荷載值的增加不斷增大，當(dāng)加載至3 200 kN 時(shí)，基樁的沉降量為19.01 mm。圖3 為PHC 管樁的豎向靜載S-lgt 曲線(xiàn)，可以明顯看出隨著各級(jí)荷載加載過(guò)程中，除了3 200 kN 加載荷載外，其他各級(jí)荷載作用下，隨著持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)，基樁的沉降量變化不大，在3 200 kN 荷載作用下，當(dāng)持續(xù)到30 min 時(shí)，沉降量增加較大，發(fā)生突變，也就是說(shuō)試驗(yàn)加載的PHC 管樁最大加載值應(yīng)低于3 200 kN。

圖2 PHC 管樁的豎向靜載Q-S 曲線(xiàn)

圖3 PHC 管樁的豎向靜載S-lgt 曲線(xiàn)

表3 為樁土相關(guān)系數(shù)，根據(jù)式（6）和式（7）可分別計(jì)算得到PHC 樁的總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值Qsk和樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值Qpk，經(jīng)計(jì)算得到Qsk=2 177.83 kN；Qpk=1 043.32 kN，即PHC 管樁的單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值Q=3 221.15 kN，滿(mǎn)足試驗(yàn)單樁的極限承載力。

表3 樁土有關(guān)參數(shù)

5 結(jié)論

1）PHC 管樁側(cè)阻力隨著樁土相對(duì)位移的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)；樁側(cè)摩阻力隨著位移的增加而持續(xù)增加，增加的幅度越來(lái)越小。

2）由于土塞效應(yīng)的存在，需要考慮土塞效應(yīng)系數(shù)，PHC 管樁的單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值等于PHC 樁的總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值之和。

3）通過(guò)對(duì)泰興人才公寓項(xiàng)目用樁進(jìn)行實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，PHC 管樁的沉降量隨著荷載值的增加不斷增大，當(dāng)加載至3 200 kN 時(shí)，基樁的沉降量為19.01 mm。結(jié)合工程地質(zhì)條件，計(jì)算得到的PHC 管樁的單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值大于實(shí)際PHC 管樁的極限承載值，即承載力滿(mǎn)足要求。