高強預應力混凝土管樁承載特性研究及實際工程應用

李遠方

（中交第四公路工程局有限公司，北京 100000）

1 引言

高強預應力混凝土管樁又稱PHC 管樁，具有成樁質量可控性強、單位承載力造價低、運輸和吊裝以及沉樁方便等優點[1]。當前，混凝土預應力管樁廣泛應用于各類工程建設中，尤其是現在大型的基礎設施建設或其他工程建設的基礎上，大都選用混凝土預應力管樁，具有極高的應用價值[2]。我國的成樁企業超過上千家，PHC 管樁的規格已形成規格，按照PHC管樁的外徑分為7 個規格，分別是：300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、800 mm、1 000 mm 和1 200 mm。PHC 管樁為空心管樁，人們對空心管樁的承載能力缺乏充分的研究，在基坑支護過程中，PHC 管樁能否有效應用于實際工程的基坑支護，以及其抗彎承載力和抗剪承載力大小能否滿足支護用樁的要求，成為眾多研究者和項目工程人員首要解決的問題。

樁基礎的設定承載力大多采用經驗參數法，準確計算樁基礎的承載力需要對樁基礎進行豎向靜載試驗。再者，PHC 管樁在靜載試驗中，樁基的沉降計算不可忽視，根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》中提到樁基礎的設計必須標注設計等級，從而驗算其沉降量是否滿足要求[3]。黃廣龍等人[4]將預應力混凝土管樁用作水平承載樁，結合我國高強PHC 管樁的生產技術，給出了適用于水平承載的PHC 管樁樁型，提高了PHC 管樁的抗彎抗剪性能。眾多研究學者均指出在靜載試驗中，PHC 管樁的荷載傳遞呈現出由上而下減小的趨勢，樁體承載力包括樁側摩阻力和樁端阻力2 部分，且樁的受荷與沉降并非呈現出線性關系，導致樁土之間的傳遞效應還有待深入研究。本文系統給出了PHC 管樁的荷載傳遞機理和承載受力特性，并結合泰興人才公寓項目進行PHC 管樁工程實例分析。

2 PHC 管樁的受力特性

在豎向靜載加載過程中，樁側阻力首先被激發出來，當樁側阻力增大到一定值后，樁端阻力才會發揮作用[5]。在加載初期，樁側摩阻力主要是PHC 管樁上部承擔，在此過程中樁體發生的位移較小，而隨著施加荷載的增加，樁土之間的位移量增加，整個PHC 管樁都會承受側摩阻力的作用。當樁側摩阻力增加到最大極限時，樁端阻力開始發揮作用。

影響PHC 管樁的影響因素很多，最主要的幾個影響因素包括樁身與土體的剛度比、樁側土體與樁端土體的抗壓變形能力比以及PHC 管樁的長徑比等[6]。實際工程中，PHC 管樁是環狀不閉口樁，在施工沉降過程中樁端土體受到擠壓會有一部分土進入PHC 管樁內部形成土塞，而土塞與管樁內部會產生摩擦阻力，因此，實際工程應用的不閉口樁的承載力特性更復雜。圖1 為PHC 管樁承載力分析圖，整個PHC 管樁的受力包括樁土內、外摩擦阻力和樁端阻力構成，由于土塞的作用，增加了樁土的摩擦阻力，會使得單樁的承載力更大，即PHC管樁的承載力Q 值可表述為：

圖1 PHC 管樁承載力分析圖

式中，Qs為樁土外摩阻力；Qi為樁土內摩阻力；Qp為樁端阻力。

由于土塞的存在，樁土內摩阻力的承載力值可根據極限平衡法求解，假定土體是剛性材料，不考慮土體的壓縮變形特性，取土塞高度d z 可表示為：

則dz可表示為：

假定土的水平壓力系數值為k，則對式兩邊在h 高度上積分，可得到樁土內摩擦阻力單位面積的應力值：

式中，h 為PHC 管樁內部土體高度；A0為PHC 管樁內有效截面積；c 為土的內聚力值；U 為PHC 管樁內壁周長，pz和qz分別為z 深度處的豎向和水平應力值；γ 為土的重度；φ 為土的內摩擦角。

3 PHC 管樁單樁靜載荷試驗及分析

施工現場，PHC 管樁的單樁靜載荷試驗是必需的，以便隨機測試單樁承載力是否滿足要求。PHC 管樁靜載試驗常用的方法是堆載法和錨樁法，在地基承載力較好的地質條件下多采用堆載法進行試驗。靜載試驗加載采用分級加載和卸載形式，直至PHC 樁體發生破壞，各級荷載作用下以沉降量作為觀測標準，一般要求產生的最大沉降量不能超過0.1 mm/h。當施加某一級荷載后PHC 管樁土的沉降量超過前一級荷載的5倍或者是PHC 管樁的沉降量超過前一級荷載的2 倍，且樁體在經過24 h 后仍沒有達到穩定時停止加載。

PHC 管樁必須考慮土塞形成的內摩阻力的影響，但是，管內土塞形成的側阻力難以確定，因此，為了簡化計算，可以在計算樁土外摩阻力和樁端阻力時考慮土塞效應對PHC 管樁受力的作用，根據JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》，在無當地經驗的條件下，可以根據式（6）和式（7）分別計算PHC 樁的總極限側阻力標準值Qsk和樁端阻力標準值Qpk：

式中，qsik和qpk分別表示樁的極限側阻力標準值和極限樁端阻力標準值；u 表示樁身周長；λp表示樁端土塞效應系數；li表示PHC 樁穿越各土層的深度；Aj和Ap分別表示PHC 管樁的樁端凈面積和敞口面積。

4 工程應用實例

4.1 工程概況

本工程為泰興經濟開發區產業創新中心及配套設施PPP項目中的人才公寓項目，本項目建筑物有高層、多層及地下車庫組成。工程樁采用高強預應力混凝土管樁，共計6 057 根樁，總長度為139 223 m。工程用樁的樁型、單樁極限承載力和數量如表1 所示。根據勘探揭露，擬建場地屬長江三角洲沖積平原地貌單元，場地內現狀為農田、溝渠眀 塘和土堆，地勢較平坦、稍有起伏，地形較為平緩。根據其成因類型和物理力學性質，可將場地地基土劃分為8 大層，具體的工程地質狀況如表2 所示。

表1 工程用樁參數

表2 工程地質狀況

本項目參與豎向靜載試驗的PHC 樁較多，本文選取PHC-500(110)AB-C8（PHC 管樁的外徑500 mm，壁厚110 mm）中的一根管樁的靜載試驗值進行分析。在整個豎向靜載試驗中，加載過程和卸載過程均保持荷載傳遞的連續、均勻和無沖擊性，每級加載后按照第5 min、15 min、30 min、45 min 和60 min測讀基樁的沉降量，且每級荷載持續時間不少于60 min。施加荷載梯度分別為0 kN、600 kN、1 200 kN、1 800 kN、2 200 kN、2 600 kN、2 900 kN 和3 200 kN，樁入土深度為46.6 m，樁端進入持力層深度為4.8 m。

4.2 PHC 管樁試驗檢測結果與分析

通過試驗發現，本文試驗的PHC 管樁能按照設計要求加載到預計設計值3 200 k N，滿足加載條件時停止加載。圖2 為PHC 管樁的豎向靜載Q-S 曲線，PHC 管樁的沉降量隨著荷載值的增加不斷增大，當加載至3 200 kN 時，基樁的沉降量為19.01 mm。圖3 為PHC 管樁的豎向靜載S-lgt 曲線，可以明顯看出隨著各級荷載加載過程中，除了3 200 kN 加載荷載外，其他各級荷載作用下，隨著持續時間的增長，基樁的沉降量變化不大，在3 200 kN 荷載作用下，當持續到30 min 時，沉降量增加較大，發生突變，也就是說試驗加載的PHC 管樁最大加載值應低于3 200 kN。

圖2 PHC 管樁的豎向靜載Q-S 曲線

圖3 PHC 管樁的豎向靜載S-lgt 曲線

表3 為樁土相關系數，根據式（6）和式（7）可分別計算得到PHC 樁的總極限側阻力標準值Qsk和樁端阻力標準值Qpk，經計算得到Qsk=2 177.83 kN；Qpk=1 043.32 kN，即PHC 管樁的單樁豎向承載力標準值Q=3 221.15 kN，滿足試驗單樁的極限承載力。

表3 樁土有關參數

5 結論

1）PHC 管樁側阻力隨著樁土相對位移的增加呈現出先增加后減小的趨勢；樁側摩阻力隨著位移的增加而持續增加，增加的幅度越來越小。

2）由于土塞效應的存在，需要考慮土塞效應系數，PHC 管樁的單樁豎向承載力標準值等于PHC 樁的總極限側阻力標準值和樁端阻力標準值之和。

3）通過對泰興人才公寓項目用樁進行實際測試發現，PHC 管樁的沉降量隨著荷載值的增加不斷增大，當加載至3 200 kN 時，基樁的沉降量為19.01 mm。結合工程地質條件，計算得到的PHC 管樁的單樁豎向承載力標準值大于實際PHC 管樁的極限承載值，即承載力滿足要求。