樁身側肢數量對側嵌式管樁豎向及水平承載力的影響

劉東輝 洪 胤 王 偉 翟 蓮 謝新穎 田 偉

吉林建筑大學土木工程學院（130118）

0 引言

管樁作為一種樁基礎及一種地基處理形式從20世紀初產生至今已經得到了進一步發展，被廣泛地應用在大量建筑基礎之中，發揮著極大的技術與經濟效益[1]。其中應用較多的一種樁型被稱為高強預應力混凝土管樁（PHC樁），其是預應力技術與離心制管技術相結合的產物[2]。但在設計過程中，傳統管樁為了達到承載力要求，通常樁身較長、樁徑較大，以至于混凝土用量大、經濟成本較高。通過研究得到，當樁長或樁徑增大到一定程度后對單樁極限承載力的提高效果不再顯著。文章研究的側嵌式管樁是在PHC樁的基礎上，采用特殊的預制加工和預制短肢張壓技術而成的異型管樁形式，旨在通過側嵌預制短肢的副端承作用提高單樁承載力，達到一定的技術與經濟效果。

1 預應力混凝土管樁簡介

預應力混凝土管樁是一種運用先張法預應力鋼筋張拉技術，經過離心成型、蒸壓養護等預制工藝而制成的一種管狀預應力鋼筋混土預制樁，主要由管狀鋼筋混凝土樁身、端板和鋼套箍等組成。在樁基施工中，采用靜壓或錘擊方法將其沉入設計地基土層而成為建筑物樁基礎。

1.1 預應力混凝土管樁按樁身混凝土強度等級分類

由于樁身混凝土強度等級的不同，可以將管樁分為三類:樁身混凝土強度等級不低于C60級被稱為PC樁(預應力混凝土管樁)；PTC樁，即預應力混凝土薄壁管樁，樁身混凝土強度等級不低于C60級；樁身混凝土強度等級不低于C80級被稱作PHC樁（預應力高強混凝土管樁）。

1.2 預應力混凝土管樁的優點

1）單樁承載力高。PC樁、PHC樁的樁身混凝土強度分別達到60MPa、80MPa以上，能夠沉入密實的砂層及強風化層，將其強烈擠壓后可提高樁端承載力80%～100%，所以相同直徑的管樁承載力標準值比沉管灌注樁或鉆孔灌注樁的標準值都高。

2）抗彎、抗剪、抗裂性能良好。由于樁身混凝土存在預壓應力，故樁體具有極好的抗剪、抗彎、抗裂性能。

3）單位承載力造價便宜。雖然管樁每米造價高于沉管灌注樁，但單樁承載力高，且使用的混凝土比實心樁節省30%～60%，所以綜合比較其單位承載力造價低于沉管灌注樁。一般情況下，在各種樁型中預應力混凝土管樁的單位承載力造價相對較低。

4）規格齊全，可供選用范圍大。由于管樁直徑、樁長、混凝土有效預壓應力、單樁承載力具備不同規格，可設計選用空間大[3-4]。

1.3 我國管樁的發展趨勢及行業需求

目前，我國管樁產品擁有較完整的國家標準體系，擁有國家規范《先張法預應力混凝土管樁》（GB 13476—2009）[5]、國家圖集《預應力混凝土管樁》(10G409）[6]、《混凝土制品用低碳冷拔鋼絲》（JC/T 540-2006）[7]、《預 應 力 混 凝 土 用 鋼 棒》（GB/T 5223.3—2005）[8]、《先張法預應力混凝土管樁鋼模》（JC/T605—2005）[9]、《先張法預應力混凝土管樁用端板》（JC/T947—2005）10]、《預應力高強混凝土管樁用硅砂粉》（JC/T950—2005）[11]等。如廣東、福建、湖北、浙江、江蘇、天津等各省市地區也編制了適合區域地質條件的地方規程和相關圖集[12-17]，按不同的設計要求對管樁類型及其相關技術特性指標加以選擇，隨著我國經濟建設和基礎設施建設的蓬勃發展，PHC樁被大量應用在工業與民用建筑、公路鐵路等工程建設領域。

2 模型試驗方案設計

2.1 試驗內容

1）對普通管樁模型樁與側嵌式管樁模型樁的承載力和沉降變形進行對比試驗。

2）對不同預制短肢數量的側嵌式管樁模型樁的承載力和沉降變形進行對比試驗。

3）模型樁樁頂沉降變形、樁身軸力、樁身側摩阻力隨施加荷載的變化規律。

2.2 數據處理

本模型試驗的數據處理工作主要是利用測得樁身應變數據，計算出模型樁樁身軸力，進而求出模型樁側摩阻力，并據此繪制軸力及側摩阻力沿樁身分布的相應曲線。

2.3 小結

本章在充分利用已有試驗條件并對試驗方案及過程進行精心設計基礎上，開展了普通管樁與不同側肢布設方式的側嵌式管樁的室內模型試驗研究，對側嵌式管樁的承載與變形性能進行了定性分析，對比分析了側嵌式管樁與普通管樁在承載機理上的異同，以及不同側肢數量對側嵌式管樁承載與變形性能的影響，得出一些有益結論，對比分析側嵌式管樁模型樁與普通管樁模型樁的樁頂沉降量與承載力數據得出，側嵌式管樁模型樁承載力均有明顯提高，但因側肢數量的影響在提高程度上有所差異。值得注意的是，樁周基土填裝狀態與環刀取土試驗所得土性數據存在一定差異，對模型樁承載性能產生了一定影響。

3 側肢數量對側嵌式管樁豎向承載性狀的影響

通過試驗結果表明，側嵌短肢數量越多，樁頂沉降量越小；比較側肢均設置在樁身下部的3層側嵌式管樁和5層側嵌短肢管樁，5層側嵌短肢管樁即在3層側嵌式管樁的每兩層側肢之間旋轉45°錯層增設一層側肢，形成間距為1000mm的5層側嵌短肢管樁，后者較前者的樁頂沉降量減小了35.81%；同理得到10層側嵌短肢管樁，而10側嵌短肢管樁與5層側嵌短肢管樁相比，樁頂沉降量約減小了27.14%。顯然，在側肢層間距允許的情況下，在樁身下部密布側肢更有助于提高側嵌式管樁豎向承載力，實現更好經濟效益。

4 結論與展望

4.1 結論

隨著建筑結構對結構基礎要求的不斷提高和現代科學技術的不斷進步，預應力混凝土管樁以其承載力高、適應性強、成樁可靠、節省用料、施工方便等眾多優點成為許多建（構）筑物樁基礎首選樁型。但在工程實踐中，為滿足高層、超高層建筑物及其它重要工程對樁基的要求通常需要增大樁長和樁徑，以至于混凝土用量大、經濟成本較高。而且研究表明，當樁長和樁徑增大到一度程度后，樁的側摩阻力與樁端阻力很難進一步得到充分發揮，單樁極限承載力的提高與樁徑和樁長的增加不成正比例關系，因而單純通過增大樁長和樁徑的方式以追求提高單樁極限承載力是不經濟的。

為此，科研工作者和工程技術人員對新型管樁型式開展了大量卓有成效的研究，力求通過改進樁型及施工工藝增加樁身比表面積或改善樁土工作性狀，以達到提升管樁承載力的目的。文章所研究的側嵌式管樁便是在PHC樁的基礎上，采用特殊的預制加工和預制短肢張壓技術而成的異型管樁形式—側嵌式管樁，旨在通過側嵌預制短肢的副端承作用提高單樁承載力，達到一定的技術與經濟效果。

4.2 展望

文章對側嵌式管樁單樁豎向及水平承載性狀的影響因素開展了系統的研究工作，得出了許多實用的結論。由于時間、研究條件限制及在此過程中對所研究問題認識的逐漸加深，對側嵌式管樁這種新的樁基形式，尚需在以下幾個方面進行深入研究，以便更好實現其技術與經濟價值。①對側嵌式管樁群樁承載性狀的研究，分析群樁之間相互影響的問題；②側嵌式管樁極限承載力及側肢的極限承載力深入研究；③進行室外足尺靜載試驗研究；④研究中進一步考慮實際土層情況、擠土效應及施工因素影響；⑤對側嵌式管樁作用機理的深入研究；⑥側肢張壓設備的完善研發。

5 結語[18-19]

文章的創新點在于試驗的可視性，進而更直觀的觀測試驗過程中土體的破壞狀態[18-19]。實現和完善了小模型半面樁模型試驗方法，對錢永梅教授的多功能試驗臺進行改良，來實現水平力的施加，通過研究可以得出，側枝數量是側嵌式管樁設計時考慮的一個重要參數，要綜合考慮承載能力，沉降控制，造價最低，節約材料等方面的考慮，在選擇利用較好土層，恰當的側枝數量的情況下，合理設置側枝數量來有效的提高水平承載力為其在實際工程中應用提供了可靠的理論依據。