PHC管樁在輸電線路應用中的抗拔分析及改進

付建明

(山東電力工程咨詢院有限公司，濟南250013)

預應力高強混凝土管樁(以下簡稱PHC管樁)基礎具有樁身強度高、生產速度快、施工快捷、易保證成樁質量等優點，在國內外工民建工程中得到廣泛應用。但國家建筑標準設計圖集中的樁型不適用于抗拔樁。因此，國家建筑標準［1］指出PHC管樁主要適用于承壓樁，當承受水平荷載或者用作抗拔樁時，應根據工程實際情況適當加強樁與樁、樁與承臺的連接構造。本文根據鐵塔基礎長期承受上拔和下壓荷載的交替作用的特點，對PHC管樁基礎進行了抗拔計算和分析，指出影響PHC管樁抗拔性能主要體現在樁身抗拉強度與端板抗剪強度的匹配、樁與樁之間的連接、樁與承臺之間的連接等方面，提出了相應的改進方案，并應用于某工程對改進方案進行了試驗驗證，結果證明該改進方案可行。

1 樁身及端板強度計算及改進

本文以《預應力混凝土管樁》［1］PHC 500 AB 100為例進行分析和計算，為方便以后的計算，首先給出其計算參數，如表1所示。

在表1中，ts為端板厚度;d1為端板預應力鋼筋錨固孔臺階下口直徑;d2為端板預應力鋼筋錨固孔臺階上口直徑;h1為端板預應力鋼筋錨固孔臺階下口距端板頂距離;h2為端板預應力鋼筋錨固孔臺階上口距端板頂距離。

1.1 樁身抗拉強度的計算

國內常用的管樁樁身豎向抗拔承載力計算方法有如下幾種:

1)國家建筑標準設計《預應力混凝土管樁》［1］計算方法:

式中:T為管樁樁身軸向拉力設計值，kN;fpy為預應力鋼筋的抗拉強度設計值，取值1000 MPa;Ap為預應力鋼筋的面積，mm2;C為考慮預應力鋼筋鐓頭與端板連接處受力不均勻等因素的影響而取的折減系數，C=0.85。

表1 PHC 500 AB 100樁計算參數Tab.1 PHC 500 AB 100 pile calculation parameters

故T≤0.85×1000×11×3.14×10.72/4≈

840 kN

2)江蘇省標準《先張法預應力混凝土管樁基礎技術規程》［2］計算方法:

式中:σpc為管樁混凝土有效預壓應力，取值6.59 MPa;ft為混凝土軸心抗拉強度設計值，取值2.22 MPa;A為管樁有效的橫截面面積，mm2。

故T≤(6.59+2.22)×3.14×(5002－3002)/4≈1107 kN

3)廣東省標準《錘擊式預應力混凝土管樁基礎技術規程》［4］計算方法:

故T≤6.59×3.14×(5002－3002)/4≈828 kN

由以上計算結果可知，國家建筑標準設計與廣東省標準計算結果相近，但與江蘇省標準相差約32%，其原因如下:

1)國家建筑標準設計按預應力鋼筋的抗拉強度為控制，并考慮預應力鋼筋鐓頭的折減系數。

2)廣東省標準按樁身不出現拉應力為控制條件，只考慮了混凝土有效預壓應力。

3)江蘇省標準按樁身不出現裂縫為控制條件，既考慮了混凝土有效預壓應力又考慮了混凝土的抗拉能力。

從表面上看，江蘇省標準似乎更有道理，但是江蘇省標準混淆了強度控制和裂縫控制的概念，強度控制是以荷載效應基本組合對應與材料強度的設計值，而裂縫控制是以荷載效應標準組合對應與材料強度的標準值。因此，筆者認為樁身抗拉強度計算公式采取國家建筑標準或廣東省標準均可，為方便后文對比分析，本文采取國家建筑標準的計算方法。

1.2 端板結構抗剪強度的計算

端板與預應力鋼筋連接如圖1所示。

根據表1和圖1，端板沉頭孔的抗剪強度計算為

式中:T為管樁樁身軸向拉力設計值，kN;n為預應力鋼筋數量;fv為端板抗剪強度設計值，N/mm2，端板材質為Q235B，取值120 N/mm2。

圖1 端板與預應力鋼筋連接圖Fig.1 End plate with prestressed rebar connection diagram

由此得知，端板沉頭孔的抗剪強度值小于樁身的豎向抗拔承載力，故樁端板是PHC管樁發揮抗拔作用的“瓶頸”，需要增加其安全度。

1.3 端板結構的改進

由端板沉頭孔的抗剪強度計算公式可知，影響端板抗剪承載力的兩個關鍵因素為端板的材質和厚度。

1)端板材質的影響。在《預應力混凝土管樁》［1］中，端板采用的材質為 Q235B，抗剪強度設計值為120 N/mm2;假設端板采用Q345B鋼，那么材料的抗剪強度設計值將提高到180 N/mm2。與Q235B相比，端板抗剪強度增加了50%。

2)端板厚度的影響。假如將端板的厚度增至22 mm，其抗剪強度為

將其與20 mm的端板相比，端板抗剪強度增加了約16%。因此，在輸電線路工程使用PHC管樁時，一定要注意驗算樁身抗拉強度與端板抗剪強度是否匹配，應適當增加端板厚度或使用更高強度的材質，以提高端板的抗剪強度，增加安全儲備。

2 樁的接頭方式及改進

民用建筑采用的PHC管樁基本上屬于承壓樁，若接頭質量不好，其危害一般不會馬上顯現出來，但是，隨著輸電塔的基礎長期承受上拔和下壓荷載的交替作用，尤其耐張塔的拉基礎長期處于上拔荷載的作用很容易因斷樁而出現嚴重的事故，所以抗拔樁的接頭質量至關重要。

目前工程中連接方式主要采取電焊焊接，此種連接方式存在一定的安全隱患。首先，輸電線路施工現場多數在荒郊野外，施工環境非常惡劣，只能采取人工施焊，施工單位的管理水平及施工人員的水平差異造成焊接質量差異較大。其次，焊接時一般先在坡口圓周上對稱點焊4～6點，待上下樁節固定拆除導向箍，再由兩名熟練焊工對稱施焊。焊接層數一般為3層，內層焊渣必須清除干凈后方可施焊外一層。每個接頭一般需要20 min焊完，再等焊縫自然冷卻8 min后，才能繼續沉樁，浪費了大量的時間，影響施工的效率。同時許多施工人員不等焊縫冷卻就進行沉樁，以致形成接頭淬火，甚至出現脆裂，造成隱患。鑒于電焊連接存在這些缺點，本文將推薦兩種機械連接方式，即機械嚙合連接和機械連接卡連接。機械連接一般耗時1～2 min，即可繼續沉樁，相對焊接方法，工作效率提高80%以上，操作方便簡捷。

2.1 機械嚙合連接

機械嚙合連接技術是在管樁樁端每個接頭的預埋鋼板上，均勻焊上一定數量的接樁用的連接槽，內藏鋼銷板和壓力彈簧，如圖2所示。

圖2 嚙合連接示意圖Fig.2 Schematic diagram of meshing connection

鋼銷板為帶齒牙向樁身的滑塊，用優質碳素鋼制成，其后面以壓力彈簧緊固。管樁接駁時，首先把兩根接樁樁端預埋鋼板表面和鋼板上各個連接槽內填塞的聚苯乙烯泡塑等雜物清理干凈，然后將連接銷(絲牙部分)涂上防水膠，待接樁用扳手旋入各根連接銷(絲牙部分)擰緊，連接銷有一半長度外露，這時把待接樁吊起，清掃干凈連接銷，在連接槽內涂抹適量的防水膠，然后讓樁端的各個連接銷對準下部入土樁的連接槽后插入，從而使連接槽內的空隙被防水膠溢滿，將兩根樁通過連接銷的機械嚙合作用而緊密的連接起來。該連接方式要求連接銷抗拉能力大于樁身的抗拉能力，計算公式不再贅述。

2.2 機械連接卡連接

機械連接卡連接技術是由3個相同的、弧度為120°的“［”型連接卡組成，每個連接卡上設有一定數量的螺栓孔，均勻分布，通過螺絲將連接卡與端板進行固定，如圖3所示。

圖3 樁間連接示意圖Fig.3 Piles connection diagram

該連接方式要求連接卡的抗剪能力及連接螺栓的抗剪能力均應大于樁身的抗拉能力，計算公式不再贅述。

3 樁身與承臺連接

管樁與承臺連接的主要方式為采用微膨脹混凝土填芯并內插鋼筋，填芯的高度和插筋應進行截面抗拉承載力驗算。但是，在實際運用中，由于管樁內壁不可避免有離心浮漿層的存在，施工問題造成填芯的施工質量不同，對填芯的整體抗拉強度造成了損失。因此，將連接方式進行改進，根據實際情況提出如下兩種連接方式。

3.1 不截樁與承臺連接

抗拔力由樁身外部鋼筋和填芯混凝土內插鋼筋共同承擔。樁頂與承臺連接方式如圖4所示。

圖4中①號鋼筋為樁身外部鋼筋，② 號鋼筋為填芯混凝土的插筋，①、② 號鋼筋共同承擔樁與承臺之間抗拔承載力。采用該連接方式時，①號鋼筋與樁身通過連接套管來實現。

3.2 截樁與承臺連接

此種連接方式的抗拔力由預應力鋼筋和填芯混凝土內插鋼筋共同承擔。樁頂與承臺連接方式示意圖如圖5所示。

圖4 不截樁樁頂與承臺連接示意圖Fig.4 No pile top and cap connection diagram

圖5 截樁樁頂與承臺連接示意圖Fig.5 Pile top and cap connection diagram

圖5中①號鋼筋為抗拔管樁樁身預應力鋼筋，②號鋼筋為填芯混凝土的插筋，①、②號鋼筋共同承擔樁與承臺之間抗拔承載力。采用該連接方式時，保留端板，并采取有效措施保證截樁后抗拔管樁的質量，嚴禁野蠻施工。

以上兩種抗拔管樁與承臺連接的措施均能有效地加強抗拔節點的能力。

4 PHC管樁及機械連接卡抗拔試驗

將上述提出的端板加強方法以及樁頭機械連接卡連接方式用于某工程，即通過3個樣品進行抗拉試驗，驗證端板的抗剪強度、機械連接卡連接性能是否滿足要求，以為工程的應用提供可靠依據。

4.1 加載方式

加載方式按照《先張法預應力混凝土管樁》［11］的要求進行，當加載至2倍的抗拉強度特征值(即1680 kN)時，停止試驗，每級荷載停留3 min。

4.2 試驗樁的材料及參數

試驗樁外徑500 mm，壁厚100 mm，混凝土強度為C80，樁長3 m，端板厚度為22 mm，機械連接卡及端板材質為 Q345B，采用 M12的高強螺栓，數量3套。

4.3 試驗步驟

1)完成試驗樁的連接。

2)將連接好的抗拔樁吊至鋼模中，然后合模。

3)開始試驗，利用張拉機對試件進行張拉。

4.4 試驗結果

荷載載至1680 kN停留3 min，停止試驗，試件未出現斷樁等破壞。卸載后對接頭進行拆檢，結果顯示端板和機械連接卡完好，說明端板及機械連接卡能滿足抗拉強度的要求。

5 結論

1)在使用PHC管樁時，一定要對圖集中各關鍵節點進行驗算，使各部件的強度能夠完好匹配。

2)通過對PHC管樁與樁連接方式的改進，能夠提高施工效率，提高樁身的抗拉強度，并可用作輸電塔的一種基礎型式。

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