預制高強混凝土管狀勁性體復合地基在高層建筑中的應用

劉存利 余 彥 王 鑫

（陜西省建筑科學研究院 陜西 西安 710082）

1 預制高強混凝土管狀勁性體（以下簡稱勁性體PPRC）簡介

預制高強混凝土管狀勁性體（以下簡稱勁性體PPRC）也是高強預應力混凝土管樁的一種，只是壁厚較小（一般壁厚t 的范圍值55≤t≤80mm，預應力管樁的壁厚≥100mm），混凝土強度等級不低于C60，可根據樁徑大小及單節長度配置不同數量主筋，預應力主筋應根據計算確定，預應力鋼筋應呈圓形、均勻布置。勁性體的常用規格按外徑分為300mm、400mm、500mm、600mm 等幾種，具體幾何參數及配筋見表1。

表1 預制高強管狀勁性體的基本幾何尺寸

勁性體PPRC 的配筋及力學參數見表2。

表2 預制高強管狀勁性體的力學性能

以上是勁性體PPRC 的基本規格及力學參數，可根據不同的工程地質條件及荷載要求進行專門設計、加工其所需要規格的勁性體，在工程應用上做到安全、經濟、合理，這是其它地基處理方式所不能達到的，也是勁性體PPRC 的優勢所在。

2 剪重比的計算

2.1 素混凝土剛性樁抗剪承載力的計算

（1）方法1：素混凝土樁在設計計算時除應滿足復合地基承載力、單樁豎向抗壓承載力及變形驗算外還應滿足建筑物對剪重比的要求。

混凝土受剪承載力設計值依據《混凝土結構設計規范》第6.3.3 條規定：不配置箍筋和彎起鋼筋的一般板類受彎構件，其斜截面受剪承載力按下式計算：

其中βh-截面高度影響系數：當h0小于800mm 時，取800mm，則 βh=1，當h0大于2000mm 時，取2000mm。

該公式為矩形截面鋼筋混凝土構件受剪承載力的計算公式，依據《建筑結構學報》1995.6 月第16 卷第3 期《圓形、環形截面鋼筋混凝土構件抗剪承載力的試驗研究》成果，圓形截面抗剪承載力計算時b 取直徑D=400mm，h0取換算有效截面hˉ0，

hˉ0=r+2rs/π，rs=r-（cs+10）

式中：cs-鋼筋的保護層厚度；R-半徑。

素混凝土剛性樁，無配筋，可取rs=r；以樁徑D=400 為例：

h0=200+2×200/3.14=327.4

混凝土強度等級為C35 的抗剪強度設計值。

V1=0.7×1×16.7×400×327.4=153.1kN

據此辦法計算的是鋼筋混凝土圓形樁的抗剪承載力值，只是沒有考慮鋼筋所占截面面積，而素混凝土剛性樁為素混凝土樁，其抗剪承載力值肯定要小于上述計算值，因此素混凝土剛性樁抗剪強度設計值可按V=0.8V1=153.1×0.8=122.5kN（強度等級為C35）。

（2）方法2。

仍采用《混凝土結構設計規范》第6.3.3 條規定中關于矩形截面受剪承載力計算公式，在b 和h0選取時參照《地基基礎設計規范》中方形與圓形截面換算方法，邊長=0.886 圓形截面直徑，即b=h0=0.886d。

以樁徑D=400 為例混凝土強度等級為C35 的抗剪強度設計值。

V1=0.7×1×16.7×354.4×354.4=146.8kN

V=0.8V1=146.8×0.8=117.5kN（強度等級為C35）

（3）方法3：模型試驗結果，根據《土木工程學報》1999 年4 月第32卷第2 期施士昇教授的《混凝土的抗剪強度、抗剪模量和彈性模量》研究結果及Bresle 和Pister 的研究結果表明：混凝土的抗剪強度和抗壓強度之比在0.056～0.095 之間，據此計算素混凝土剛性樁抗剪強度時還應按照《建筑地基基礎設計規范》第8.5.11 條規定考慮工作條件系數φc=0.6～0.8 之間（水下混凝土灌注樁、長樁或混凝土強度等級高于C35 時用低值）。根據實驗數據計算結果列于見表3。

以上計算結果均為近似值，按照前兩種計算結果與第三種實驗結果很接近，說明這兩種計算結果是可靠、可信的。

表3

（4）樁身抗壓承載力計算。

根據《建筑地基處理技術規范》JGJ 79—2012 第7.1.6 條剛性樁樁身混凝土強度計算式：

fcu=4λRa/A

Ra=fcuA/4λ

式中：λ-單樁承載力發揮系數，通常取0.85；fcu-樁體試塊標養28d 的立方體抗壓強度平均值；

以樁徑D=400，樁身混凝土強度等級C35 為例：

Ra=（35000×3.14×0.2×0.2）/（4×0.85）=1292.9kN

Rp=1292.9×1.35=1745.5kN

在陜西地區設計素混凝土剛性樁復合地基時，變形計算滿足規范要求的情況下，其單樁承載力一般由樁身混凝土強度控制，因此素混凝土剛性樁的剪重比計算為抗剪承載力設計值和樁身抗壓承載力設計值之比=117.5kN/1745.5kN=0.067。

2.2 勁性體PPRC 受剪承載力設計值及抗壓承載力設計值（見表4）

表4

從表4 可以看出，勁性體PPRC 的剪重比與素混凝土剛性樁的剪重比計算結果相近，也就是說，不考慮工程地質、施工條件等因素的影響時，在建筑工程中勁性體和素混凝土剛性樁兩種樁型的復合地基是可以相互代替的。

3 兩種地基處理方式的比較

素混凝土剛性樁復合地基是復合地基的代表，目前多用于高層建筑中。由于它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘結強度樁，使之具有剛性樁的某些性狀；一般情況下不僅可以全樁長發揮樁的側阻作用，當樁端落在好土層時也能很好地發揮端阻作用，從而表現出很強的剛性樁性狀；素混凝土剛性樁和樁間士、褥墊層一起形成復合地基，素混凝土剛性樁復合地基通過褥墊層與基礎連接，無論樁端落在一般土層還是堅硬土層，均可保證樁間土始終參與工作。由于樁體的強度和模量比樁間土大，在荷載作用下，樁頂應力比樁間士表面應力大。樁可將承受的荷載向較深的土層中傳遞并相應減少了樁間土承擔的荷載。這樣，由于樁的作用使復合地基承載力提高，變形減小，再加上素混凝土剛性樁不配筋，樁體利用工業廢料粉煤灰作為摻和料，大大降低了工程造價。

由于國家治污減霾力度的進一步加大，陜西地區去年的原材料（水泥、碎石、砂子）價格極度上漲，采購困難，一度出現原材緊缺的局面，這樣使得商品混凝土價格飛漲，甚至出現斷貨的情況。由此造成商混質量下降，素混凝土剛性樁樁身質量難以保證。經常出現素混凝土剛性樁在試樁和工程樁檢測時樁頭壓碎、樁身壓裂現象，單樁或復合地基承載力不滿足設計要求，經現場取芯驗證混凝土強度不夠，為項目建設帶來一系列困難。同時素混凝土剛性樁存在的通病有：堵管、竄孔、樁頭空芯、樁端不飽滿、樁孔偏斜、鉆進困難造成問題樁、開挖樁間土時碰斷形成斷樁，總之施工問題經常出現，為工程使用帶來很那多麻煩，也嚴重影響了素混凝土剛性樁的應用。

陜西地區從每年的11 月15 日到次年的3 月15 日為冬防期，是禁止涉土作業的，也就是說在這4 個月里素混凝土剛性樁是不能施工的，這也大大制約了素混凝土剛性樁的使用。

預制高強管狀勁性體（以下簡稱勁性體PPRC）是一種預制好的成品樁，屬于國家大力推廣的裝配式建筑范疇。首先預制高強管狀勁性體與素混凝土剛性樁在造價方面基本相當，樁身抗壓承載力較高，它的樁身質量是有保證的，不存在素混凝土剛性樁施工中經常遇到的諸如堵管、斷樁、樁頭空芯等質量問題。在冬防期施工也不存在出土、拉泥、破樁頭、商混運輸等問題，是素混凝土剛性樁很好的替代產品。雖然預制高強管狀勁性體較素混凝土剛性樁有如此大的優勢，但它也有它的使用條件，在合適的地層條件下使用，既能滿足工程條件，也為建設單位節約了工期。

勁性體PPRC 壁厚和混凝土強度要根據場地地質條件及承載力兩方面考慮，比如軟塑-流塑狀土層宜選擇壁薄混凝土強度等級為C60 的樁型，在濕陷性黃土中宜選擇厚壁、高強度勁性體，減少爆樁率，同時勁性體在施工過程中對樁間土還有一定的擠密效果，設計時要予以考慮。

4 結論

素混凝土剛性樁近幾年在陜西地區快速發展起來的地基處理方式，已為設計人員廣泛采用，但是它也不是萬能的，也有它的適用條件，比如在砂層中優勢很明顯，而在土層中或冬防期，預制高強管狀勁性體的優點就顯現出來了；總之，每一種地基處理方式都有它的適用性，選擇合理的處理方式既節約造價又節約工期。