架空輸電線路PHC管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究

余 亮，李 寧，寧帥朋，龍海波

（中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁（prestressed high concrete pile，PHC）基礎(chǔ)具有單樁承載力高、樁身質(zhì)量穩(wěn)定性好、施工效率高及環(huán)保效益好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)建筑和民用建筑中得到了廣泛應(yīng)用，并主要應(yīng)用于承壓樁。基礎(chǔ)的抗壓穩(wěn)定性是其他行業(yè)建筑物或構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)控制條件，而架空輸電線路桿塔基礎(chǔ)則為豎向承受交替往復(fù)的上拔和下壓荷載作用，水平向亦同時承受較大荷載作用，其抗拔和抗傾覆穩(wěn)定通常才是設(shè)計(jì)控制條件，因此，在應(yīng)用PHC管樁時需重點(diǎn)考慮抗拔設(shè)計(jì)工況。國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集10G409《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》[1]（以下簡稱“國標(biāo)圖集”）指出：PHC管樁用作抗拔樁時，應(yīng)根據(jù)工程情況適當(dāng)加強(qiáng)連接構(gòu)造等相關(guān)措施。

針對PHC管樁作為抗拔樁使用的情況，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究[2-5]，得到了許多重要的結(jié)論。同時，在工程中應(yīng)用PHC管樁時，存在需要重點(diǎn)關(guān)注的問題，如沉樁過程的擠土效應(yīng)易導(dǎo)致斷樁（接頭處）、樁端上浮，以及對周邊建筑物和臨近地下設(shè)施造成破壞等[6]；PHC管樁不能穿透硬夾層，往往影響基礎(chǔ)選型和基礎(chǔ)適用范圍，造成樁長過短，持力層不理想。本文基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，進(jìn)一步研究架空輸電線路PHC管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法。

本文以PHC 600 AB 130[1]型為例，研究PHC管樁作為抗拔樁時豎向抗拔承載力特征值、樁身抗拉強(qiáng)度承載力、樁—樁連接強(qiáng)度、樁—承臺連接強(qiáng)度等方面的設(shè)計(jì)方法，指出PHC管樁在架空輸電線路桿塔基礎(chǔ)中推廣應(yīng)用時應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)問題，提出改進(jìn)措施和設(shè)計(jì)方案。

1 豎向抗拔承載力特征值

PHC管樁豎向抗拔承載力特征值主要通過單樁抗拔靜載試驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法和高應(yīng)變動測法等三種方法確定。三種方法的特點(diǎn)不同，適用于不同工況下的架空輸電線路。

1.1 單樁抗拔靜載試驗(yàn)法

架空輸電線路桿塔基礎(chǔ)沿線路走向呈點(diǎn)狀分布，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，采用單樁抗拔靜載試驗(yàn)法成本較高且試驗(yàn)結(jié)果不具有代表性，故不推薦采用這種方法。但是，對于PHC管樁應(yīng)用在大跨越基礎(chǔ)或集中應(yīng)用在重要工程常規(guī)線路段并且地質(zhì)條件較為單一時，可采用單樁抗拔靜載試驗(yàn)法。

1.2 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法

國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及各地方標(biāo)準(zhǔn)中均給出了抗拔樁豎向抗拔承載力特征值經(jīng)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算公式，在廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 15—22—2008《錘擊式預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱“廣東省標(biāo)準(zhǔn)”）中指出，按管樁基礎(chǔ)的最小中心距3d做抗拔分析，管樁基礎(chǔ)的抗拔能力基本上是由單樁抗拔能力組合而成，僅需做單樁或群樁呈非整體破壞驗(yàn)算而不必進(jìn)行群樁整體破壞的驗(yàn)算[7]。

架空輸電線路應(yīng)用PHC管樁基礎(chǔ)時，鑒于成樁方法的擠土效應(yīng)，為減小擠土效應(yīng)負(fù)面影響，樁距應(yīng)適當(dāng)加大，當(dāng)樁基的排數(shù)大于3排且樁數(shù)大于9根時，相鄰樁的中心距取4d，其它情況取3.5d。不考慮群樁整體破壞模式下，單樁豎向抗拔承載力特征值推薦采用廣東省標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：Rta為單樁豎向抗拔承載力特征值，kN；Up為管樁樁身外周長，m；λi為抗拔摩阻力折減系數(shù)；ξsi為管樁第i層土（巖）的側(cè)阻力修正系數(shù)值；qsia為管樁第i層土（巖）的側(cè)摩阻力特征值，kPa；li為管樁穿越第i層土（巖）的厚度，m；Gp為管樁自重，對地下水位以下部分應(yīng)扣除水的浮力，kN。

1.3 高應(yīng)變動測法

PHC管樁截面均勻，側(cè)面光滑，打樁過程更接近高應(yīng)變動測法中凱斯法（Case法）的理論模型，故采用Case法所得結(jié)果準(zhǔn)確率較高。PHC管樁基礎(chǔ)應(yīng)用于架空輸電線路還處于起步階段，可以結(jié)合工程情況選取使用Case法的塔位。應(yīng)用該方法時，PHC管樁的抗拔極限承載力可以采用承壓樁的樁側(cè)摩阻力乘以抗拔摩阻力折減系數(shù)得到。

2 樁身抗拉強(qiáng)度計(jì)算

PHC管樁樁身抗拉強(qiáng)度的計(jì)算，各方觀點(diǎn)并不統(tǒng)一，國標(biāo)圖集和各地方如廣東省、江蘇省等地方標(biāo)準(zhǔn)中均有相關(guān)的計(jì)算方法。

2.1 國標(biāo)圖集推薦方法

管樁樁身受拉承載力應(yīng)符合下列公式：

式中：N為管樁樁身軸向拉力設(shè)計(jì)值，kN；C為考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋鐓頭與端板連接處受力不均勻等因素影響而取的折減系數(shù)，取0.85；fpy為預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；Ap為預(yù)應(yīng)力鋼筋面積，mm2。

對于PHC 600 AB 130樁：C取0.85，fpy為16 000 MPa，按截面直徑10.7 mm計(jì)算Ap，經(jīng)計(jì)算，CfpyAp=1 222.30 kN。

2.2 部分地方標(biāo)準(zhǔn)

1）廣東省標(biāo)準(zhǔn)推薦方法：

式中：Qt為單樁豎向拔力設(shè)計(jì)值，kN；σpc為管樁混凝土的有效預(yù)壓應(yīng)力值，MPa；A為管樁截面面積，mm2。

對于PHC 600 AB 130樁：σpc為6.31 MPa，A=π×（6002-3402）/4，經(jīng)計(jì)算，σc?A=1 210.60 kN。

2）江蘇省標(biāo)準(zhǔn)DGJ 32/TJ 109—2010《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》（簡稱“江蘇省標(biāo)準(zhǔn)”）[8]推薦方法：

管樁處于腐蝕環(huán)境或設(shè)計(jì)嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫時：

管樁處于一般環(huán)境或設(shè)計(jì)一般要求不出現(xiàn)裂縫時：

式中：N1為單樁上拔力設(shè)計(jì)值，kN；ft為樁身混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

對比上述各標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式，國標(biāo)圖集推薦方法沒有考慮預(yù)應(yīng)力管樁的有效預(yù)壓應(yīng)力，江蘇省標(biāo)準(zhǔn)按地基腐蝕性情況進(jìn)行了區(qū)分，但對于零裂縫控制的情況，預(yù)應(yīng)力管樁在受拉過程中，難以理想化界定有效預(yù)壓應(yīng)力的清除和混凝土抗拉強(qiáng)度的發(fā)揮兩者前后發(fā)生的界面，而實(shí)際中兩者是共同作用。架空輸電線路鐵塔傳遞到基礎(chǔ)的荷載為拉壓循環(huán)荷載，荷載條件較為特殊，同時塔位地質(zhì)條件多樣，加之預(yù)應(yīng)力管樁應(yīng)用尚處于經(jīng)驗(yàn)積累階段。為此，本文推薦采用廣東省標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法，按樁身混凝土不出現(xiàn)拉應(yīng)力為標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算中考慮預(yù)應(yīng)力管樁的有效預(yù)壓應(yīng)力。

2.3 樁身配筋

GB 13476—2009《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》將原來預(yù)應(yīng)力鋼筋的混凝土保護(hù)層從25 mm加大到40 mm（φ300 mm管樁保護(hù)層仍為25 mm，不宜作抗拔樁），預(yù)應(yīng)力鋼筋的分布圓直徑也隨之內(nèi)縮，而樁身的抗彎要求基本不變，故提高了鋼筋的配置數(shù)量。

但是，目前有些預(yù)應(yīng)力鋼筋廠家生產(chǎn)的鋼筋存在較為普遍的負(fù)公差，故建議輸電線路建設(shè)單位在開展物資采購時，在招標(biāo)文件中明確每米預(yù)應(yīng)力鋼筋允許的最小重量；對于重要工程可提出各檢測尺寸正公差的要求，同時明確工程中應(yīng)用的管樁應(yīng)按一定比例抽檢鋼筋的數(shù)量及重量，若抽檢鋼筋的重量小于最小重量，應(yīng)不予使用并要求重新發(fā)貨。

3 樁—樁連接計(jì)算

3.1 機(jī)械嚙合接頭

架空輸電線路基礎(chǔ)承受上拔荷載和下壓荷載的往復(fù)交替作用，荷載隨機(jī)，荷載條件復(fù)雜，需要合理的樁與樁接頭方式。同時，架空輸電線路工程現(xiàn)場施工條件較工業(yè)建筑和民用建筑差，采用PHC管樁基礎(chǔ)常用的焊接接頭連接方式時，焊縫質(zhì)量等級檢測不易開展，焊接施工質(zhì)量可靠性低。另外，架空輸電線路PHC管樁基礎(chǔ)適應(yīng)錘擊沉樁施工方案，而焊接接頭經(jīng)重錘擊打后，往往容易產(chǎn)生裂縫，抗拉強(qiáng)度降低。

本文選用已在架空輸電線路基礎(chǔ)有一定應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的機(jī)械嚙合接頭（見圖1和圖2）作為分析對象。對于實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，若采用嚙合式接頭，建議在設(shè)計(jì)文件中明確機(jī)械連接銷、連接板、彈簧和連接盒采用的材質(zhì)、尺寸及制作要求，給出機(jī)械接頭零部件的數(shù)量、尺寸、構(gòu)造及質(zhì)量等要求，提出現(xiàn)場施工操作的步驟、流程和重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容等相關(guān)內(nèi)容，保證機(jī)械嚙合連接的可靠性和安全性。

圖1 嚙合接頭結(jié)構(gòu)圖

圖2 架空輸電線路工程中應(yīng)用的機(jī)械嚙合接頭

3.2 端板計(jì)算

預(yù)應(yīng)力鋼筋兩端經(jīng)電熱擠壓成半球狀的鐓頭，通過鐓頭與端板上錨固孔的連接，使端板與預(yù)應(yīng)力鋼筋形成一個結(jié)構(gòu)體，張拉力通過端板傳到預(yù)應(yīng)力鋼筋鐓頭上，此時端板抗剪強(qiáng)度校驗(yàn)是抗拔管樁設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容[9]。

PHC管樁總張拉力按約0.7n·Aa·Fpta張拉時，如果端板與鐓頭之間不出現(xiàn)拉脫情況，那么按廣東省標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的樁身抗拉強(qiáng)度計(jì)算式（RP= σpc·A）計(jì)算的抗拔樁的抗拔力 0.56n·Aa·Fpta是小于張拉力的，此時端板與鐓頭之間的連接是可靠的，可見廣東省標(biāo)準(zhǔn)推薦的樁身抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式，考慮到了“鐓頭與錨固孔”的抗拉能力匹配性，但具體如何驗(yàn)算，廣東省標(biāo)準(zhǔn)并未給出明確公式。在江蘇省標(biāo)準(zhǔn)條文3.6.4中，按端板抗剪強(qiáng)度計(jì)算端樁抗拔承載力，采用式（6）計(jì)算：

式中：n為預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)量，根；d1和d2為端板上預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固孔臺階上口和下口直徑，mm；h1和h2為端板上預(yù)應(yīng)力鋼筋孔臺階上口和下口距端板頂距離，mm；fv為端板抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；ts為端板厚度，mm。

端板與預(yù)應(yīng)力筋連接見圖3，其中標(biāo)注了式（6）的主要參數(shù)。

圖3 端板與預(yù)應(yīng)力筋連接圖

3.3 預(yù)應(yīng)力鋼筋鐓頭計(jì)算

在預(yù)應(yīng)力管樁單樁抗拔靜載荷試驗(yàn)中，出現(xiàn)過預(yù)應(yīng)力鋼棒墩頭被拉斷的情況[10]，為此在設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼筋鐓頭抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算，對于墩頭抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算不同的規(guī)范給出了不同的計(jì)算折減系數(shù)，考慮到架空輸電線路應(yīng)用PHC管樁基礎(chǔ)尚在積累經(jīng)驗(yàn)階段，本文推薦采用江蘇省標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法，其計(jì)算結(jié)果較保守，計(jì)算公式見式（7）：

式中：fpy為預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；Ap為預(yù)應(yīng)力鋼筋總截面面積，mm2。

對于PHC 600 AB 130樁：fpy為16 000 MPa，按截面直徑10.7 mm計(jì)算Ap，經(jīng)計(jì)算，0.90 fpyAp=1 294.20 kN，大于式（3）的計(jì)算結(jié)果。目前，PHC管樁單樁的預(yù)應(yīng)力筋與端板的整體連接在生產(chǎn)制作時確保預(yù)應(yīng)力張拉到位的前提下，其整體連接強(qiáng)度是可靠的。

4 樁—承臺連接計(jì)算

4.1 微膨脹混凝土填芯連接方式

PHC管樁與承臺的連接常采用的做法是用微膨脹混凝土填芯內(nèi)插鋼筋錨入承臺，或同時在預(yù)應(yīng)力管樁端板上焊鋼筋，一并錨入樁承臺或基礎(chǔ)底板。該連接方式傳力路徑是上拔荷載通過承臺內(nèi)的縱向錨筋傳遞至填芯混凝土，通過填芯混凝土與管樁的粘結(jié)力將荷載傳遞至管樁，因此，填芯混凝土的施工質(zhì)量是整個PHC管樁基礎(chǔ)質(zhì)量的重要部分。

填芯的連接方式中，抗拔力主要通過填芯混凝土與預(yù)應(yīng)力管樁壁的黏結(jié)力傳遞[11]，國標(biāo)圖集、廣東省標(biāo)準(zhǔn)和江蘇省標(biāo)準(zhǔn)都給出了類似的計(jì)算公式。現(xiàn)結(jié)合江蘇省標(biāo)準(zhǔn)給出的計(jì)算公式進(jìn)行討論，見式（8）：

式中：K1為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.8；d1為填芯混凝土直徑，即管樁內(nèi)徑，mm；l為填芯混凝土長度，mm；fn為填芯混凝土與管樁內(nèi)壁之間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，宜由現(xiàn)場試驗(yàn)確定。

對 于PHC 600 AB 130樁， 若 取 fn為0.35 MPa，取N1為取式（3）計(jì)算結(jié)果作為管樁單樁上拔力，則l計(jì)算結(jié)果為4.05 m。結(jié)合國標(biāo)圖集總填芯高度不小于3 m的規(guī)定，最終推薦l取值為4.05 m。

4.2 端板機(jī)械連接錨筋連接方式

微膨脹混凝土填芯連接方式中，填芯混凝土與管樁內(nèi)壁的粘結(jié)作用離散性大、難以準(zhǔn)確估算，加上管樁內(nèi)徑直徑較小，填芯混凝土施工環(huán)境差，質(zhì)量穩(wěn)定性也差；當(dāng)上拔力較大時，填芯混凝土存在脫離和破壞的可能，進(jìn)而引起管樁與承臺的拔出破壞。

為此，針對架空輸電線路工程桿塔基礎(chǔ)受力特點(diǎn)，本文提出一種新型抗拔管樁承臺連接設(shè)計(jì)的新方案。該方案去除了填芯混凝土，以PHC管樁端部端板為截面，將上錨鋼筋通過機(jī)械連接接頭安裝于端板外側(cè)，并作為錨固鋼筋錨入基礎(chǔ)承臺，下錨鋼筋安裝于端板內(nèi)側(cè)PHC管樁樁體內(nèi)且與上錨鋼筋對應(yīng)，上拔荷載通過上錨鋼筋傳遞至機(jī)械連接接頭，再通過機(jī)械接頭和端板傳遞至下錨鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋。

為分析該抗拔管樁承臺連接方案的抗拔性能，采用ABAQUS通用有限元軟件，建立帶有承臺、接樁結(jié)構(gòu)和管樁的整體節(jié)點(diǎn)有限元模型，其中，承臺在保證計(jì)算精度的前提下采用與PHC管樁對應(yīng)的圓柱體局部模型。承臺局部幾何模型和PHC管樁幾何模型定義節(jié)點(diǎn)的邊界條件為環(huán)向約束，PHC管樁同時進(jìn)行底部軸向約束，在承臺頂部施加上拔荷載進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)算，混凝土采用C3D8R實(shí)體單元模擬，鋼筋均采用T3D2桁架單元模擬，管樁預(yù)應(yīng)力通過降溫法實(shí)現(xiàn)，利用ABAQUS生死單元的功能，在初始分析步中不引入錨固鋼筋，對預(yù)應(yīng)力筋施加溫度場，預(yù)應(yīng)力僅使管樁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生預(yù)壓變形。承臺采用C30強(qiáng)度等級混凝土，上錨鋼筋采用16C18的HRB400鋼筋，下錨鋼筋采用16C18的HRB335鋼筋，鋼筋錨入長度按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（2015年版）計(jì)算。管樁幾何模型見圖4。

圖4 管樁幾何模型

當(dāng)上拔荷載達(dá)到管樁軸心受拉承載力時，上錨鋼筋、下錨鋼筋及局部承臺的應(yīng)力如圖5～圖7所示：最大應(yīng)力出現(xiàn)在上錨鋼筋與端板的交界處，其值小于上錨鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，管樁端部與接樁節(jié)點(diǎn)的混凝土應(yīng)力均未達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，說明端板機(jī)械連接錨筋連接方式是合理的。后續(xù)可進(jìn)一步開展現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證工作，確保該方案用于工程設(shè)計(jì)的安全可靠性。

圖5 局部承臺有限模型模型的混凝土應(yīng)力

圖6 管樁端部混凝土應(yīng)力

圖7 上錨鋼筋、下錨鋼筋及端板應(yīng)力

5 結(jié)論

本文依據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)文件，結(jié)合架空輸電線路桿塔基礎(chǔ)受上拔抗拔荷載控制為主的特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了多節(jié)管樁連接接頭連接、樁—承臺連接接頭等方面的承載性能，取得的結(jié)論如下：

1）PHC抗拔管樁承載力特征值采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法進(jìn)行計(jì)算時，推薦使用廣東省標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算方法；

2）PHC管樁樁身抗拉強(qiáng)度承載力計(jì)算，推薦采用廣東省標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法；

3）架空輸電線路PCH管樁基礎(chǔ)樁—樁接頭推薦采用機(jī)械連接方式；

4）架空輸電線路PHC管樁基礎(chǔ)的端板厚度需適當(dāng)加強(qiáng)，端板材料采用Q345B及以上鋼材等級；

5）端板機(jī)械連接錨筋連接方式，最大應(yīng)力出現(xiàn)在上錨鋼筋與端板的交界處，其值小于上錨鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，管樁端部混凝土應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，說明該連接方式在理論上是合理的，后續(xù)可結(jié)合真型試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證；

6）PHC管樁基礎(chǔ)作為架空輸電線路新型基礎(chǔ)型式，具有較廣闊的應(yīng)用前景。應(yīng)用時應(yīng)結(jié)合架空輸電線路工程特點(diǎn)，改進(jìn)和優(yōu)化樁身結(jié)構(gòu)、樁—樁接頭以及樁頂與承臺等部位的連接方法。