預應力管樁豎向承載力的研究

[摘要]預應力管樁的豎向承載能力分析從預應力管樁出現開始到現在一直都是工程人員的難題，由于樁基是隱蔽工程，很難全方位的了解樁基在受力情況下會產生什么樣的反應。本文從預應力管樁的特性以及發展現狀進行了較為詳細的介紹；再分別從豎向荷載對預應力管樁的工作機理進行了闡述；然后再對預應力管樁的承載能力極限狀態的計算方法進行了較為詳細的闡述；望在今后能夠對實際的工程檢測有相當大的指導意義。

[關鍵詞]預應力管樁；豎向荷載；水平荷載

1、預應力管樁的特性以及發展現狀

預應力鋼筋混凝土管樁是一項在我國得到大力推廣使用的一種新型混凝土結構。這種結構相對普通鋼筋混凝土結構樁來講，由于它的結構形式比較簡單，施工工藝更加容易掌握，施工速度能夠大大提升，因此可以在工廠進行大批量的生產。

PC樁是一種出現于上個世紀八十年代的新型的樁基類型，它將預應力的優點、混凝土的優點以及離心成管技術融為一體，從而得到一種承載能力高、抗彎性能好、抗裂效果佳、施工方便快捷、質量可靠、耐久性好的樁基形式。但是，由于預應力管樁由于是一個新興的樁基形式，其受力形式以及荷載的傳遞形式都有很多盲點，因此，需要我們科研人員進行進一步的研究探討。

1.1國內研究現狀

2011張忠苗、劉俊偉等人對采用了加強型主筋的PC樁的抗彎性能及抗剪性能進行試驗，分析數據表明，非預應力主筋加入到預應力管樁中去之后，會大幅度的提高該管樁的極限抗彎承載能力，且原有結構配筋率越低，該效果越明顯，但是主筋的加入對抗裂性能影響很小。

1.2國外研究現狀

國外由于預應力混凝土發展管樁的時間較早，現階段的技術水平與我們國家相比，還是有較大的領先優勢。

Bullock在1999年通過足尺試驗、現場試驗以及離心模型試驗研究了管樁側阻力的大小隨時間變化的規律；Sheppard等人對方形預應力混凝土管樁進行了試驗研究，通過試驗研究的數據發現對于方形管樁在水平荷載作用下，試件在開裂不久后，突然發生脆性破壞，該研究對預應力混凝土方形樁的設計及施工有一定的借鑒意義。

1.3豎向荷載作用下預應力管樁的受力機理

當PC樁樁頂逐步受到垂直于樁基頂面作用力的影響時，樁身會有壓縮變形的趨勢，PC樁的壓縮變形使樁基與周邊土層產生相對位移，在發生變形的過程中，樁基四周的土層會相對于樁基自身運動反方向的摩阻力作用，該摩阻力的大小與樁基位移的大小成正比，樁基頂部施加的豎向力沿著樁身傳遞的過程中會隨著深度的增加而逐漸的減少。摩阻力的大小不僅與土層深度有關，還與施加豎向力的大小息息相關，樁基承受的豎向力在由小變大的過程中，摩阻力的大小在豎向力加載初期，與其成比關系，豎向力越大，樁基變形越大，與土層產生的相對位移也就越大，摩阻力相對的也就越大，但是當豎向力逐漸增大到一定程度，其對樁基的變形影響逐漸變的平穩，豎向力在這個階段繼續加大，樁基與土層的位移基本不會再增加，此時，也就是整個樁身受力，樁基端部產生一定大小的阻力作用，繼續增大的豎向力將全部由這時產生的端部摩阻力來承擔，樁側阻力不會再發生大的變化。

2、預應力管樁承載能力計算方法

2.1單樁承載能力極限狀態的計算方法

在工程實際中樁基承載能力的計算有多種不同的方法，每種方法都有其特有的適用場合，單樁的承載能力的大小主要取決于樁基本身的材料以及樁端土層的承載能力，最終的大小取兩者的較小值。下面簡單介紹一下工程實際中對單樁承載能力極限狀態計算常用的幾種方法。

（1）豎向抗壓靜載試驗法

單樁豎向承載能力極限狀態在靜載試驗完成之后得出的數據來確定。

①管樁的極限承載力根據預應力管樁基受到不同大小的力的作用后發生相應的沉降關系來確定，當荷載一沉降曲線有較大的變化，曲線下降段是非常明顯的，此時可以將荷載一沉降曲線發生明顯降低的起始點作為最終的承載能力。

②根據管樁受力作用后，最終的沉降量大小確定樁基的承載能力極限狀態，當荷載～沉降曲線變化相對緩和時，大部分情況可利用下沉值為40～60mm時施加的豎向力作為極限承載能力荷載；而直徑較大的樁可用下沉值為0.03-0.06d（d是樁基的直徑，大樁徑用0.03d，小樁徑用0.06d）所對應的作用力作為承載能力極限狀態值；對于直徑遠小于長度的細長型樁基（l/d>80）可采用樁基下沉值為60～80mm時對應的豎向作用力作為承載能力極限狀態值。

（2）原位測試法

原位測試法測樁基承載能力極限狀態的方法包括：靜力觸探試驗、旁壓試驗、標準貫入試驗等方法，這些方法都能夠確定預應力管樁的承載能力極限狀態。

（3）極限承載能力法

當預應力混凝土管樁為閉口管樁時，機械打入樁基到地下的過程中不會出現土塞效應，因此，該樁基的承載能力的計算與普通實心混凝土基本一致，所以，可以根據實心樁基的計算公式來計算管樁的承載能力極限狀態。

2.2群樁承載能力極限狀態的計算方法

在實際的工程中，無論是預應力管樁還是普通灌注樁絕大多數都是以群樁的形式存在，共同承受上部結構傳遞來的荷載。群樁的受力后的工作狀態與單樁受力有很大的差別，受力情況十分復雜，并且至今沒有較為認可的方法對群樁進行較為準確的計算。目前來說，群樁效應的計算可以由以下方法進行計算：

（1）考慮群樁實體基礎周邊長度計算群樁效應的方法；

（2）Seiler-Keeney群樁效應公式；

（3）考慮應力疊加的群樁效應公式；

（4）對承臺-樁基-地基之間相互作用的情況下，荷載分項的群樁效應計算。

以上所有的計算方法都有其自身的局限性，每一種的適用條件都有限，對于群樁的計算方法問題仍然是一個值得深究的問題。

3、結論與展望

介紹了預應力管樁，單樁承載能力以及群樁承載能力計算的方法，通過大量的文獻數據，得知，現階段無論是單樁還是群樁其承載能力的計算仍處于初級階段，還需要工程人員繼續的試驗及理論研究，得到更為準確的計算方式。由于本文作者水平有限，在論文的寫作過程中，發現了不少問題要今后繼續探討，對本文存在的不足進行進一步的解決，但工程實際中的群樁并沒有進行試驗研究。