預(yù)制高強(qiáng)混凝土管狀勁性體復(fù)合地基在高層建筑中的應(yīng)用

劉存利 余 彥 王 鑫

（陜西省建筑科學(xué)研究院 陜西 西安 710082）

1 預(yù)制高強(qiáng)混凝土管狀勁性體（以下簡稱勁性體PPRC）簡介

預(yù)制高強(qiáng)混凝土管狀勁性體（以下簡稱勁性體PPRC）也是高強(qiáng)預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力管樁的壁厚≥100mm），混凝土強(qiáng)度等級不低于C60，可根據(jù)樁徑大小及單節(jié)長度配置不同數(shù)量主筋，預(yù)應(yīng)力主筋應(yīng)根據(jù)計(jì)算確定，預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)呈圓形、均勻布置。勁性體的常用規(guī)格按外徑分為300mm、400mm、500mm、600mm 等幾種，具體幾何參數(shù)及配筋見表1。

表1 預(yù)制高強(qiáng)管狀勁性體的基本幾何尺寸

勁性體PPRC 的配筋及力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 預(yù)制高強(qiáng)管狀勁性體的力學(xué)性能

以上是勁性體PPRC 的基本規(guī)格及力學(xué)參數(shù)，可根據(jù)不同的工程地質(zhì)條件及荷載要求進(jìn)行專門設(shè)計(jì)、加工其所需要規(guī)格的勁性體，在工程應(yīng)用上做到安全、經(jīng)濟(jì)、合理，這是其它地基處理方式所不能達(dá)到的，也是勁性體PPRC 的優(yōu)勢所在。

2 剪重比的計(jì)算

2.1 素混凝土剛性樁抗剪承載力的計(jì)算

（1）方法1：素混凝土樁在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)除應(yīng)滿足復(fù)合地基承載力、單樁豎向抗壓承載力及變形驗(yàn)算外還應(yīng)滿足建筑物對剪重比的要求。

混凝土受剪承載力設(shè)計(jì)值依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.3 條規(guī)定：不配置箍筋和彎起鋼筋的一般板類受彎構(gòu)件，其斜截面受剪承載力按下式計(jì)算：

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

該公式為矩形截面鋼筋混凝土構(gòu)件受剪承載力的計(jì)算公式，依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)》1995.6 月第16 卷第3 期《圓形、環(huán)形截面鋼筋混凝土構(gòu)件抗剪承載力的試驗(yàn)研究》成果，圓形截面抗剪承載力計(jì)算時(shí)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(hù)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(qiáng)度等級為C35 的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

V1=0.7×1×16.7×400×327.4=153.1kN

據(jù)此辦法計(jì)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(jì)算值，因此素混凝土剛性樁抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可按V=0.8V1=153.1×0.8=122.5kN（強(qiáng)度等級為C35）。

（2）方法2。

仍采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.3 條規(guī)定中關(guān)于矩形截面受剪承載力計(jì)算公式，在b 和h0選取時(shí)參照《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)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(qiáng)度等級為C35 的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

V1=0.7×1×16.7×354.4×354.4=146.8kN

V=0.8V1=146.8×0.8=117.5kN（強(qiáng)度等級為C35）

（3）方法3：模型試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)《土木工程學(xué)報(bào)》1999 年4 月第32卷第2 期施士昇教授的《混凝土的抗剪強(qiáng)度、抗剪模量和彈性模量》研究結(jié)果及Bresle 和Pister 的研究結(jié)果表明：混凝土的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度之比在0.056～0.095 之間，據(jù)此計(jì)算素混凝土剛性樁抗剪強(qiáng)度時(shí)還應(yīng)按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.5.11 條規(guī)定考慮工作條件系數(shù)φc=0.6～0.8 之間（水下混凝土灌注樁、長樁或混凝土強(qiáng)度等級高于C35 時(shí)用低值）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果列于見表3。

以上計(jì)算結(jié)果均為近似值，按照前兩種計(jì)算結(jié)果與第三種實(shí)驗(yàn)結(jié)果很接近，說明這兩種計(jì)算結(jié)果是可靠、可信的。

表3

（4）樁身抗壓承載力計(jì)算。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ 79—2012 第7.1.6 條剛性樁樁身混凝土強(qiáng)度計(jì)算式：

fcu=4λRa/A

Ra=fcuA/4λ

式中：λ-單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，通常取0.85；fcu-樁體試塊標(biāo)養(yǎng)28d 的立方體抗壓強(qiáng)度平均值；

以樁徑D=400，樁身混凝土強(qiáng)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(qū)設(shè)計(jì)素混凝土剛性樁復(fù)合地基時(shí)，變形計(jì)算滿足規(guī)范要求的情況下，其單樁承載力一般由樁身混凝土強(qiáng)度控制，因此素混凝土剛性樁的剪重比計(jì)算為抗剪承載力設(shè)計(jì)值和樁身抗壓承載力設(shè)計(jì)值之比=117.5kN/1745.5kN=0.067。

2.2 勁性體PPRC 受剪承載力設(shè)計(jì)值及抗壓承載力設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果相近，也就是說，不考慮工程地質(zhì)、施工條件等因素的影響時(shí)，在建筑工程中勁性體和素混凝土剛性樁兩種樁型的復(fù)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(fù)合地基是復(fù)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(jié)強(qiáng)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(fā)揮樁的側(cè)阻作用，當(dāng)樁端落在好土層時(shí)也能很好地發(fā)揮端阻作用，從而表現(xiàn)出很強(qiáng)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(fù)合地基，素混凝土剛性樁復(fù)合地基通過褥墊層與基礎(chǔ)連接，無論樁端落在一般土層還是堅(jiān)硬土層，均可保證樁間土始終參與工作。由于樁體的強(qiáng)度和模量比樁間土大，在荷載作用下，樁頂應(yīng)力比樁間士表面應(yīng)力大。樁可將承受的荷載向較深的土層中傳遞并相應(yīng)減少了樁間土承擔(dān)的荷載。這樣，由于樁的作用使復(fù)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(yè)廢料粉煤灰作為摻和料，大大降低了工程造價(jià)。

由于國家治污減霾力度的進(jìn)一步加大，陜西地區(qū)去年的原材料（水泥、碎石、砂子）價(jià)格極度上漲，采購困難，一度出現(xiàn)原材緊缺的局面，這樣使得商品混凝土價(jià)格飛漲，甚至出現(xiàn)斷貨的情況。由此造成商混質(zhì)量下降，素混凝土剛性樁樁身質(zhì)量難以保證。經(jīng)常出現(xiàn)素混凝土剛性樁在試樁和工程樁檢測時(shí)樁頭壓碎、樁身壓裂現(xiàn)象，單樁或復(fù)合地基承載力不滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)現(xiàn)場取芯驗(yàn)證混凝土強(qiáng)度不夠，為項(xiàng)目建設(shè)帶來一系列困難。同時(shí)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(jìn)困難造成問題樁、開挖樁間土?xí)r碰斷形成斷樁，總之施工問題經(jīng)常出現(xiàn)，為工程使用帶來很那多麻煩，也嚴(yán)重影響了素混凝土剛性樁的應(yīng)用。

陜西地區(qū)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(yè)的，也就是說在這4 個(gè)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(yù)制高強(qiáng)管狀勁性體（以下簡稱勁性體PPRC）是一種預(yù)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(yù)制高強(qiáng)管狀勁性體與素混凝土剛性樁在造價(jià)方面基本相當(dāng)，樁身抗壓承載力較高，它的樁身質(zhì)量是有保證的，不存在素混凝土剛性樁施工中經(jīng)常遇到的諸如堵管、斷樁、樁頭空芯等質(zhì)量問題。在冬防期施工也不存在出土、拉泥、破樁頭、商混運(yùn)輸?shù)葐栴}，是素混凝土剛性樁很好的替代產(chǎn)品。雖然預(yù)制高強(qiáng)管狀勁性體較素混凝土剛性樁有如此大的優(yōu)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(shè)單位節(jié)約了工期。

勁性體PPRC 壁厚和混凝土強(qiáng)度要根據(jù)場地地質(zhì)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(qiáng)度等級為C60 的樁型，在濕陷性黃土中宜選擇厚壁、高強(qiáng)度勁性體，減少爆樁率，同時(shí)勁性體在施工過程中對樁間土還有一定的擠密效果，設(shè)計(jì)時(shí)要予以考慮。

4 結(jié)論

素混凝土剛性樁近幾年在陜西地區(qū)快速發(fā)展起來的地基處理方式，已為設(shè)計(jì)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(yōu)勢很明顯，而在土層中或冬防期，預(yù)制高強(qiáng)管狀勁性體的優(yōu)點(diǎn)就顯現(xiàn)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(jié)約造價(jià)又節(jié)約工期。