先張法預應力混凝土管樁的應用發展現狀研究

孫曉凱

（1.安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑科學研究設計院綠色建筑與裝配式建造安虎生重點實驗室，安徽 合肥 230031）

0 引言

采用旋轉離心和預應力先張法成型方法制成的一種形狀如細長空心體混凝土預制構件稱為先張法預應力高強混凝土管樁[1]，我們也稱之為PHC樁（Pretensioned prestressed high strength concrete pipe pile）。先張法預應力混凝管樁在生產廠房以流水線生產方式制造，包含鋼筋籠的綁扎、預應力張拉、混凝土的澆筑以及高溫高壓養護。生產完成之后，通過陸路或者水運的方式運輸至施工場地，采用靜壓或者錘擊的打樁機將預應力管樁沉入地基土，由此作為上部建筑物的基礎來承受各種荷載。此種樁型在實際工程中被越來越多的應用，是由于這類樁型具有單樁承載力比較高、生產規模高度工業化、質量比較易于保障、施工現場不會造成污染、適用于比較復雜的工程地質條件、具備較快的施工速度等許多優點，并且逐漸形成工程管樁應用體系，主要以預應力混凝土管樁（PC）、預應力高強混凝土管樁（PHC）為主、預應力混凝土薄壁管樁（PTC）、鋼管樁等為輔[2]。因為具備如此多的優點，混凝土管樁在很多建筑工程和路橋工程中都有大規模的應用，產生了非常好的經濟效益。然而在預應力管樁的應用過程中，其關鍵技術原理大多照搬實心樁的相關技術成果，本文從預應力混凝土管樁自身特點出發，研究了管樁應用過程中的承載力特性、擠土效應、土塞效應和群樁效應，為今后預應力混凝土管樁更大規模的工程應用提供了科學的理論指導。

1 承載力分析

預應力混凝土管樁樁頂的豎向荷載由樁端阻力和樁側阻力共同承擔，單樁豎向承載力的發揮由樁體和土體共同工作來體現，所以對樁體工作性能的研究是單樁基豎向承載力分析的理論基礎[3]，即對樁端阻力和樁側阻力的研究。巖土體本身的物理力學性質指標、擠土效應、樁的幾何尺寸、樁進入持力層的深度效應、下臥土層的影響以及樁周土層組合特征影響等因素共同決定著單樁豎向承載力標準值的估算。通常情況下，由承載力參數和土的物理指標之間的相互關系計算單樁豎向極限承載力標準值的時候，可以按照下面的公式初步估算：

上式中Quk——管樁豎向承載力標準值；μ——管樁樁身外周長；qsik——樁周土的摩擦力標準值；li——不同土層劃分的不同段樁長；α——樁端阻力修正系數；psk——樁體極限端阻力標準值；Ap——封口投影面積。

首先，對于預應力混凝土管樁來說，樁體垂直于土體進入土體，在這個過程中，樁體上部建筑結構荷載通過樁體本身隨著土層逐層向下傳遞發散，因為樁體要不斷克服由于土層摩擦產生的樁身側向摩阻力，所以樁身內部軸力會沿著樁身進入土體的豎直方向不斷減小。其次，地基土的抗剪強度與樁身側摩阻力有著很大的關系，樁身側摩阻力隨土體土質條件的不同會有所不同；樁身端阻力的破壞模式主要有沖剪破壞、局部剪切破壞和整體剪切破壞三種形式。最后，樁端土層物理力學性質、樁體埋置入土深度、荷載施加速率、和成樁效應等因素都決定著樁端土體的破壞形式。

2 擠土效應分析

地基土的物理力學性質很大程度上決定著預應力混凝土管樁擠土效應的發揮，對于軟弱土層比較厚的地基土尤其顯著，在樁體沉入土體的過程中產生的擠土效應會導致樁身附近土體在水平方向上產生一定的位移，同時一部分不可忽略的超孔隙水壓力在樁身附近土層中產生，從而導致原狀地基土的物理力學性質產生改變[4]。比較特殊的是，對于非飽和地基土體來說，預應力混凝土管樁沉入地基土的過程中，樁身土體受到樁體的擠壓，地基土體土顆粒間的空隙受力壓縮，導致土體體積減小，所以預應力混凝土管樁沉樁擠土效應對于非飽和土層發揮就不是那么顯著。但是對于飽和地基土體以及硬黏土土質，預應力樁體沉樁過程中，土體受擠壓縮的變形就很小，這就使得預應力管樁沉樁過程中的擠土效應表現得非常明顯，從而導致預應力管樁樁側摩阻力的發揮產生顯著增大。

圓孔擴張理論是目前比較成熟的分析研究預應力管樁沉樁擠土效應的一種計算模型，此理論認為土體受到的荷載和土體的幾何形狀是關于管樁樁體對稱的。在這個基本假設情況下，研究人員就可以把管樁沉樁擠土效應問題簡化為平面軸對稱的問題來加以計算分析。由于受到了均勻分布的內壓力的作用，圓孔外側的圓筒形區域將由彈性狀態進入塑性狀態，內壓力的大小和塑性區的大小是相互關聯的。假設管樁的外半徑和內半徑分別為Ru和R0，也就可以看作圓柱孔的擴張后的終孔半徑和初始半徑，地基土體塑性區最大半徑為Rp，對應的內壓力最終值為Pu。仍然保持著彈性平衡狀態就是在半徑Rp以外的土體。圖1所示的就是土體計算單元模型。

圖1 擠土效應土體單元計算模型

通過整理計算得到：半徑r處的徑向應力為：

彈性區半徑r處的位移表達式：

式中：體積應變Δ根據土的剪脹性試驗可得，各土層μ的取值可參考《工程地質手冊》，現摘錄如表1所示。

土的泊松比μ經驗值選用一覽表 表1

根據表1中土體泊松比經驗值，土體在擠土效應中的彈性區內任一點的土體位移值以及塑性區邊界就可以運用上面的圓孔擴張理論公式來計算，為具體的工程實踐提供理論指導。

對于飽和地基土體以及硬黏土土質的地基土，預應力管樁沉樁過程中的擠土效應非常明顯，可以采取改變管樁接頭連接：變焊接為抱箍式連接、竹節樁采用機械連接；可以改變布樁形式：加大樁間距；改變打樁方式：控制打樁速度和沉樁深度、采用間隔跳打的方式、采用低錘重擊的方式打樁；可以對地基土進行處理：埋置塑料排水板、設置非封閉式地下隔離擋墻等等。以上方式措施均能有效減少管樁沉樁時的擠土效應。

3 土塞效應分析

開口空心預應力管樁在承載力作用原理方面區別于傳統方樁的最顯著的特點就是土塞問題。開口空心管樁從部分擠土發展到完全擠土的過程就是土塞從不完全閉塞發展到完全閉塞的過程。開口管樁或方樁的側摩阻力特征受制于超孔隙水壓力對土體抗剪強度的影響，土體性質直接制約著超孔隙水壓力與側阻力之間的相關程度。管樁基底下的楔形體在地基連續破壞下最終形成，管樁內的土塞在沉樁過程中也隨之形成。所以，由于地基土的初始破壞模式對分析楔形體的產生和土塞的形成不構成顯著影響，因此研究管樁的土塞作用與研究地基的極限承載力不同。如果不考慮管樁中的楔形體對土塞閉塞效應產生的影響，那么揭示形成管內內摩阻力的法向應力就會產生問題，主要是因為楔形體的形成是開口管樁產生土塞的一個至關重要的原因。

管樁中土塞的形成以及土塞的物理力學性質分析過程中，管樁與土塞之間的相互作用受力機理的研究分析是非常復雜和困難的，因此對土塞的受力機理不做更深入具體的研究分析，只考慮土塞效應對圓柱孔理論的應用這一方面的影響。因此可以做如下簡化假設：把土塞假定為一個彈性體，是一個整體，受到土塞的摩擦阻力f、受到管壁作用于土塞的自重G和樁端下部地基極限強度Q等因素的影響。建立如圖2所示的土塞長度計算模型。

圖2 土塞長度計算模型

根據圖2，利用物理平衡條件，建立如下靜力物理力學平衡方程：

式中：Q為土塞下部地基土的極限強度；G為土塞自重；F為管壁作用于土塞上的總摩擦阻力。地基土的極限強度近似看成為樁端阻力，計算時取樁端極限承載力。

將（4）展開整理，得到：

式中：γ為土塞重度；h為土塞長度；q為土層的樁端極限承載力；f為管壁作用于土塞上的摩擦阻力；R0為管樁內徑。

根據上式整理計算得到土塞長度h的表達式：

由于土塞是在管樁的沉樁過程中逐漸增長而形成的，在沉樁過程中每一層土都要受到擠壓作用，整個沉樁過程中均滿足上述假定條件。需要指出的是，上述計算方法由于受到各種實際因素的影響，在計算的準確性方面可以做更深入的研究分析。

4 群樁效應分析

在上部結構豎向荷載作用下的管樁群樁基礎，地基、承臺和群樁之間的相互作用的綜合影響使得其樁端阻力、樁側阻力和樁的極限承載力明顯區別于單樁的現象稱之為群樁效應[5]。具體表現為群樁的承載力不等于各單樁承載力之和，群樁的樁頂沉降不等于平均荷載下的各單樁樁頂沉降。一般情況下，我們用效應系數來量化表征群樁效應，效應系數可以通過群樁中基樁的平均極限承載力與單樁的極限承載力的比值計算得到。

在實際工程中，設計人員通常采用單樁極限承載力乘以效應系數的方法來得到群樁承載力。因此效應系數的確定就變得相對關鍵了，目前常用的確定效應系數的方法主要有四種，即：考慮樁實體基礎周邊長度的方法；Conrerse-Labrre群樁效應公式；考慮應力疊加的群樁效應公式；參考承臺-樁-土體之間相互作用的分項群樁效應系數的計算方法。但是以上各種確定效應系數的方法都有一定的缺陷，對于管樁群樁基礎的計算根據具體工況選擇合適的理論方法，更為精確的確定方法還需要更深入的研究分析。

5 結語

本文通過對預應力混凝土管樁在工程應用中存在的問題展開研究，分析了預應力管樁承載力計算方法，提出了管樁樁身任一位置的應力及位移的計算公式以及減小擠土效應的技術措施，同時給出了管樁樁身內部土塞高度計算方法，并且對管樁群樁基礎的效應系數的選取給出了合理建議，為今后預應力混凝土管樁更大規模的工程應用提供了科學的理論依據和指導。