管樁斜截面抗剪承載力性能與新型擴張灌漿管樁開發研究

李錦程 郭愛喜

（1.天津和興源建筑工程有限公司，天津 300270；2.天津天河偉業建設工程有限公司，天津 300000）

預應力混凝土管樁結構可以充分利用混凝土的抗壓強度和高強鋼筋的抗拉強度提升整體結構的承載力。在不同的建筑場合中都得到了相應的使用，例如預應力梁板、軌枕、水管及電桿等大型現場成型結構構件中都有較好的利用[1]。近年來，大部分工程都是以鋼管樁的垂直抗壓承載力為主，但在實際工程中管樁因其抗拔承載能力低、樁端處理煩瑣等特點，使其在工程中的應用受到很大限制。因此，對管樁斜截面抗剪承載力性能進行研究，并以此為基礎開發和研究擴張灌漿管樁就顯得尤為重要。

1 管樁抗剪試驗的參數設計

第一，試件的制作。為保證試驗結果理論的真實性，本研究在設計對應的參數之前，對使用的材料進行了重新調整。本研究選擇的管樁主要是以PACB400的管樁為主，在試驗過程中將使用到的混凝土強度改為C40，鋼筋直徑改為12.6mm。試驗中使用到的所有試件均等分成6 份，且每份有兩個管樁，使用預應力和非預應力兩種進行表示，預應力的管樁長度為8m，非預應力的管樁長度為6m。在試驗的末尾添加了兩根樁型，以對其進行驗證。所選樁為PCA400806，兩根正常樁的切跨比入均為1，試件編號分別為PCAP-1A、PCAPlB，管樁的配筋和幾何尺寸參數符合圖集規定。

第二，鋼筋力學指標選擇鋼棒和箍筋兩種為主，分別對鋼棒和箍筋的拉伸和彈性模量進行試驗，具體結果見表1。

表1 拉伸和彈性模量試驗性能數據

第三，水泥指數的選取和試驗。混凝土等級選擇C40，其制作工藝以及混凝土的材質與相關施工要求一致，且對6個不同的管樁試件進行試驗，綜合公式（1）推算出具體結果。

2 管樁抗剪承載力試驗結果分析

本研究以剪跨比為單位，由大到小、由內而外地進行試驗，結果表明：在斜縫之前，5.5 號、3 號、2.5 號、1號、2 號和5 號試件均為彎曲破壞。其破壞特征為：先有斜裂縫，后發展迅速，后有一段時間發展緩慢，發生豎向裂縫之后在壓力的作用之下發生破壞，樣品為1.5號、1 號、3 號、2.5 號，PCAB0-2、PCAB0-1.5、PCABO-1均被剪切破壞。在本試驗中所有試件的剪切破壞形式都是以剪切和壓縮為主，沒有發生斜拉破壞。在破裂的斜縫產生后，與破裂的斜縫交叉處的箍筋會產生很大的變形（PCABP-1.5） ，破裂的斜縫交叉處的箍筋數量為6 個；PCABP1-1 破壞面交叉箍筋個數為5 個；在PCABO2.5 中有8 個箍筋與破壞面交叉；2 號斷裂面的箍筋數量為7個；PCABO-1.5破壞面交叉的箍筋數量為6 條，其中一條是7.5 號加勁肋；PCABO-1 破壞面交叉的箍筋數量為3條，當剪壓區的混凝土受到剪切壓力而斷裂時，與剪切壓力相對應的箍筋將會被拉伸，使整個試件在剪切壓力下斷裂[2]。斷裂的斜裂面與水平方向的角度基本為45°左右。通過對PCAP-IA、PCAP-LB等常規鋼筋的分析，發現C60 使其抗壓強度和軸向剪切強度均有一定程度的提高。所以，在試件加荷的過程中縱筋也會首先達到屈服，但隨著混凝土的軸心抗壓強度的增加，試件最后會因為縱筋被拉斷而破壞，破壞形式為彎壞。與PCABP-1比較，PCAP-IA、PCAP-IB兩種材料的抗彎承載能力都有一定程度的降低，但兩種材料的抗剪承載能力相差不大，因而表現為彎曲失效。

通過對試驗全過程和結果的分析可以得到如下結論：①預應力混凝土試樣絕大部分為彎曲破壞；②大部分非預應力的試樣都是剪切破壞；③在相同的情況下預應力混凝土柱的抗剪承載力比非預應力混凝土柱的高；④剪力墻的剪跨率對非預應力墻的影響不大。

3 試驗資料整理

綜合本研究得出的開裂荷載試驗結果為118.98kN，荷載及設備自重產生的彎矩見圖1。

圖1 彎矩圖

開裂彎矩Mexpcr= 95.98 + 0.78 = 96.7kN·m；

開裂剪力V = 64.13kN。

不同試件之間的結果整理數據見表2。

表2 不同試件之間的結果整理數據

4 試驗結果分析

4.1 對非預應力樁剪跨比對受剪承載力影響分析

對于受集中荷載的構件，剪跨比可以表達為“剪跨”與其有效高度之比，對于普通混凝土構件來說，剪跨比是其斜截面承載力的一個重要因素。而在此次使用的管樁試驗中，5 根非預應力樁發生了剪切破壞。1個鋼筋發生彎曲斷裂，從這5 個鋼筋發生剪切斷裂時，D之比對剪跨比的關系如圖2所示。從曲線上可以看出，隨著剪跨比的減小，鋼筋混凝土框架結構在地震作用下的相對抗剪承載力有一定提高，但效果不顯著。基于此，本研究提出了剪切跨度比環形截面受剪承載力影響較小的假說，并通過試驗驗證“剪切跨度比環形截面受剪承載力影響較小”這一理論[3]。為此，本研究提出了一種不計剪跨比的計算方法。

4.2 預應力的影響

從試驗結果可以看出，由于產生了有效的預壓力，使試樣的剪切強度得到了提高，所以大部分試樣都出現了彎曲破壞現象。針對預應力對截面抗剪所產生的影響研究當中，有學者認為，當預應力為有效的作用力之后可以將其理解為軸向壓預應力，其軸向壓力強度在提升的同時，其幅度的增加值可以取0.05Npo[4]。以此為切入點，本研究分別進行試驗驗證，并給出相應的建議公式。

4.3 混凝土強度的影響分析

試驗結果顯示，管樁斜斷面的抗剪性能均與混凝土的強度密切相關。由于混凝土強度越高，抗剪強度越大，所以在建立計算模型時應著重考慮混凝土密度的影響。如果用抗壓強度來表示，那么高強度的混凝土則會高估其抗剪能力。在計算中以混凝土對管樁的抗剪承載力為主要影響因子，并以混凝土抗剪承載力為指標，以混凝土抗拉承載力為對比試算。

5 軟土地區擴張灌漿管樁的開發

5.1 擴張灌漿管樁工藝模型

擴張灌漿管樁是一種比較方便的結構形式，利用注漿的方法來提高管樁的承載力，有利于提高效率，節省投資。在沉管樁施工時先用擴頂板在樁周與管樁之間形成一個空洞，再用注漿機的注漿管將注漿材料注入空洞，從而實現一次注漿；在沉降管樁的施工中采用擴頂板法，使樁周土體與管樁之間產生一個空間，并用與注漿裝置相通的注漿管向空間內灌注注漿材料[5]。注漿管道與地面相連，管道材質可以是聚乙烯管、鍍鋅管、焊接管，管道可以循環使用。注漿的壓力是無限制的，但要確保注漿材料的正常流淌。為保證其承載能力的提升，具體可以通過預留灌漿管的注漿管的形式與管樁進行同步下沉，等待凝固之后進行二次注漿[6]。

5.2 灌漿管樁的試驗結果分析

本試驗選擇天津市開發區某養殖場為研究對象，該場地的土填標高為3.100m，為典型的軟弱土層，滿足灌漿管樁新型樁開發的要求。根據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008）、《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ 106-2014）的規定，以緩慢保持荷載的方法對9 個樁進行最大加載直至失效的靜載試驗，包括6 個樁徑為400mm、3個樁徑為300mm。根據有關規范的要求對單樁豎向抗壓極限承載力進行測定和計算。一次、二次注漿之后的結果見表3。通過表3數據分析可以看出，經過注漿之后不同的灌漿管樁的承載能力有所提升，且承載力的提升可以達到100%以上[7]。

表3 注漿后灌漿管樁的承載能力比較

6 結語

本研究基于試驗分析的方式對樁身斜截面抗剪承載力計算公式的差異進行對比分析，結果顯示，在水平力荷載作用下，管樁在受水平力時其破壞模式為受壓-彎比受剪后，其破壞模式為受壓后受彎后受剪。因此，在采用新型管樁時應增加其承載能力，并對其橫向變形加以限制。其次，新樁型開發能夠較好地改善管樁樁身的抗拉性能，其水平承載力得到有效提升，經過注漿之后不同的新樁灌漿管樁的承載能力有所提升，且承載力的提升可達100%以上，具有較好的抗震性能，相較于傳統的管樁具有較好的經濟優勢，可為相關工程的開展奠定一定的基礎。