預(yù)應(yīng)力管樁抗拔(中級職稱論文)

1、淺談預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁抗拔設(shè)計單位：福建永福工程顧問有限公司姓名：張元振摘  要：本文結(jié)合上海某工程PHC管樁抗拔設(shè)計應(yīng)用實例的介紹，比較了PHC管樁在作為抗拔樁時樁身結(jié)構(gòu)強度的計算方法，提出了焊縫強度、端板孔口抗剪強度、鋼棒墩頭強度的驗算方法，并探討了管樁與承臺的連接方式。同時通過現(xiàn)場的靜載荷試驗驗證了其可靠性，從中得出的一些結(jié)論供相關(guān)PHC管樁的抗拔設(shè)計作參考與借鑒。關(guān)鍵詞：PHC管樁    抗拔設(shè)計1    前言預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁（以下簡稱PHC管樁）由于其樁身強度高、生產(chǎn)速度快、質(zhì)量穩(wěn)定、施工易控制等優(yōu)勢，在廣東

2、及長三角等沿海地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅2006年上海地區(qū)PHC管樁的使用量已超過2800萬米，約占所有預(yù)制樁總量的80。隨著上海地區(qū)PHC管樁應(yīng)用的廣泛與深入，越來越多的設(shè)計人員采用PHC管樁作為抗拔樁來使用。PHC管樁作為抗拔樁使用有著其他樁型不可比擬的優(yōu)勢，尤其是在有效預(yù)壓應(yīng)力范圍內(nèi)樁身不會出現(xiàn)裂縫，對預(yù)應(yīng)力鋼筋保護較好，能較好的發(fā)揮樁身抗拉強度，提高樁身抗拔承載力。相比較上海地區(qū)常規(guī)采用的抗拔樁樁型混凝土預(yù)制方樁或鉆孔灌注樁，PHC管樁由于無須考慮因嚴格的裂縫控制1而增加配筋來增強樁身抗拉能力，因此PHC管樁作為抗拔樁使用的經(jīng)濟性日益凸現(xiàn)。然而，由于各設(shè)計人員對PHC管樁作

3、抗拔樁使用的認識不一，在PHC管樁的抗拔設(shè)計中產(chǎn)生了諸多問題。一方面，對PHC管樁樁身抗拉強度取值過小，導(dǎo)致確定的單樁豎向抗拔承載力遠遠低于管樁所能提供的單樁抗拔承載力；另一方面在PHC管樁的抗拔設(shè)計中還忽視了對樁身連接構(gòu)件強度的驗算，一般只是進行簡單的樁土相互作用的抗拔承載力計算，個別工程因此還發(fā)生了質(zhì)量事故。這一定程度上阻礙了PHC管樁進一步地推廣與使用，嚴重時更影響到了基礎(chǔ)工程的安全。為此筆者在本文中想通過對上海某項目PHC管樁抗拔設(shè)計應(yīng)用實例的介紹，比較了PHC管樁在作為抗拔樁時樁身結(jié)構(gòu)強度的計算方法，提出了焊縫強度、端板孔口抗剪強度、鋼棒墩頭強度的驗算方法，并探討了管樁與承臺的連接方

4、式。同時通過現(xiàn)場的靜載荷試驗驗證了其可靠性，從中得出的一些結(jié)論供相關(guān)PHC管樁的抗拔設(shè)計作參考與借鑒。2    工程概況××廣場工程位于上海市閘北區(qū)海寧路南側(cè)、河南北路以西、塘沽路以北、擬建山西北路以東?？偨ㄖ娣e為79930m2，地上建筑面積58836m2，地下建筑面積21094m2。四棟主樓建筑物為剪力墻、框筒或框架結(jié)構(gòu)，均設(shè)2層地下室。基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，主樓樁型采用PHC600及PHC500管樁。根據(jù)巖土工程勘察報告，預(yù)制樁（PHC管樁）的設(shè)計參數(shù)如表1所示。上海地區(qū)的地下水位一般在地面下0.5m左右，由于除主樓區(qū)域外均為2層純地下室，故需

5、設(shè)置抗拔樁以抵抗水浮力。根據(jù)地下室的抗浮計算以及柱下布樁的要求，需要選用單樁抗拔承載力較高的樁型作為本工程的抗拔樁。結(jié)合本工程的特點，通過比選后，最終確定抗拔樁采用B型PHC 500管樁，即選用上海市建筑標準設(shè)計先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁PHC B500 100管樁?？拱喂こ虡端蜆稙榈孛嫦?m，有效樁長31m，樁端進入第層粉砂層。表1    地基液化判別綜合試驗工程概況一覽表層序土層名稱層底一般埋深（m）平均比貫入阻力Ps (MPa)抗拔承載力折減系數(shù)*PHC樁fi (kPa)fp (kPa)-1粉質(zhì)粘土夾粘質(zhì)粉土2.51.17 15 -3-1砂質(zhì)

6、粉土61.450.615 -3-2粘質(zhì)粉土181.030.625 -1粉質(zhì)粘土27.50.750.635 -3粉質(zhì)粘土361.030.650 -4粉質(zhì)粘土392.220.6701500粉砂4413.590.51056500-1粘土591.620.6551500-2粉質(zhì)粘土夾粉砂762.860.6652800* 根據(jù)上海市工程建設(shè)標準地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范抗拔承載力系數(shù)：粘性土、粉性土取0.6；砂土取0.5。3    PHC管樁的抗拔設(shè)計3.1    土體提供的豎向抗拔承載力計算根據(jù)表1參數(shù)計算PHC

7、B500管樁單樁抗拔承載力設(shè)計值Rd = 753kN。眾多類似地質(zhì)條件的試樁成果表明，實測單樁豎向抗拔承載力極限值都大大超過規(guī)范計算的估算值，故本工程建議通過靜載荷試驗最終確定單樁承載力設(shè)計值（設(shè)計時擬取Rd =850 kN）。3.2    樁身結(jié)構(gòu)強度驗算抗拔樁豎向抗拔承載力除了要滿足樁土相互作用的抗拔承載力要求外，還需滿足PHC管樁樁身結(jié)構(gòu)強度的要求。目前應(yīng)用較多的計算方法有國標圖集2、廣東省標準3和江蘇省規(guī)程4的推薦公式。以本工程上海管樁圖集5PHC B500 100管樁為例。（1）國家建筑標準設(shè)計預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（03SG409）推薦公式： &#

8、160;  式中： 管樁樁身軸向拉力設(shè)計值，kN；鋼棒的抗拉強度設(shè)計值，MPa；預(yù)應(yīng)力鋼筋面積，mm2。（2）廣東省標準預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程（DBJ/T15-22-98）推薦公式：7.56×3.14×（5002-3002）/4950kN式中： 樁身抗拔承載力設(shè)計值，kN； 管樁混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力，MPa； 樁的橫截面面積，mm2。（3）江蘇省工程建設(shè)推薦性技術(shù)規(guī)程先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程（蘇JG/T011-2003）推薦公式：         &#

9、160;       （7.56+2.22）×3.14×（5002-3002）/41228kN式中： 單樁上拔力設(shè)計值，kN； 管樁混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力，MPa； 混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值，MPa； 管樁有效的橫截面面積，mm2。對 比以上的三個計算公式，廣東省標準相對較為保守，僅發(fā)揮了管樁中的有效預(yù)壓應(yīng)力部分；國標圖集以預(yù)應(yīng)力筋的抗拉強度為控制，未涉及混凝土的裂縫控制驗算； 而江蘇省標準則除管樁有效預(yù)壓應(yīng)力外還考慮了混凝土的抗拉能力，以零裂縫為控制，較之國標圖集留有一部分預(yù)應(yīng)

10、力筋的抗拉安全儲備。相對而言，采用江蘇省規(guī) 范進行樁身強度驗算較為合理。3.3    管樁連接構(gòu)件的強度驗算由于上海軟粘土地層的特性，一般的工程樁（預(yù)制樁）都為多節(jié)樁。抗拔樁當然也不例外，一般都需要接樁。因而管樁連接構(gòu)件的強度，也是管樁抗拔承載力的重要控制指標。連接構(gòu)件的強度驗算主要包含焊縫強度驗算、端板孔口抗剪強度驗算、鋼棒墩頭抗拉強度驗算。                  

11、0;                           圖1    焊縫節(jié)點大樣                   圖2  &

12、#160; 端板與預(yù)應(yīng)力筋錨孔詳圖3.3.1 焊縫強度驗算上海地區(qū)管樁管節(jié)拼接一般采用端板焊接的連接方式，通常考慮到減少接樁隱患，一般控制抗拔工程樁的接頭數(shù)量為一個（即采用二節(jié)樁）。不同于承壓樁，焊縫對抗拔樁承載力影響至關(guān)重要。本工程31m PHC B500 100管樁由兩節(jié)單樁拼接而成，焊縫局部大樣見圖1，具體焊縫強度驗算如下： 0.25×3.14×（49824762）×1702860 kN式中： 焊縫外徑，??； 焊縫內(nèi)徑，?。?#160;焊縫抗拉強度設(shè)計值，取值170N/mm2（現(xiàn)場焊縫質(zhì)量按三級考慮）。從焊縫驗算中可以看出，如果

13、焊縫質(zhì)量可以保證，則端板焊縫強度遠遠大于樁身結(jié)構(gòu)強度。但在實際的工程中發(fā)現(xiàn)，由于施工質(zhì)量的問題，焊縫處發(fā)生質(zhì)量事故的幾率很大。因此，本工程設(shè)計中為確保端板連接的焊接質(zhì)量，要求施工單位必須嚴格按照相應(yīng)規(guī)范進行焊接施工，同時對樁材也要求確保端板坡口的H0和a滿足管樁圖集的相應(yīng)要求。3.3.2 端板孔口抗剪強度驗算在不少PHC管樁作為錨樁的靜載荷試驗中，發(fā)現(xiàn)管樁端板與樁身預(yù)應(yīng)力筋連接處亦是一個薄弱點，經(jīng)常有端板拔壞的現(xiàn)象發(fā)生。端板孔口剖面詳見圖2，孔口最不利處為端板上預(yù)應(yīng)力鋼棒錨固孔臺階易產(chǎn)生沖切破壞，因此需進行孔口抗剪強度驗算。同樣以PHC B500 100為例（端板厚度ts=19mm），端板孔口

14、抗剪強度設(shè)計值驗算如下：                    15×3.14×（12+20）/2×（19（9.56）/2）×1251060kN驗算的抗剪強度值遠小于樁身強度和焊縫強度。因此，本工程雖然抗拔承載力設(shè)計值取Rd =850 kN，但在實際設(shè)計中仍采用加厚端板（ts=24mm）的辦法，提高端板孔口抗剪強度，增加其安全度。端板孔口抗剪強度設(shè)計值驗算如下：15&

15、#215;3.14×（12+20）/2×（24（9.56）/2）×1201470kN3.3.3 鋼棒墩頭抗拉強度驗算在PHC管樁作抗拔樁的試樁過程中，也出現(xiàn)過預(yù)應(yīng)力筋墩頭拔壞的現(xiàn)象。這是由于墩頭在受力過程中受到?jīng)_切破壞，為此設(shè)計中也需要進行墩頭抗拉強度的驗算。上海市標準先張法預(yù)應(yīng)力離心混凝土管樁制作規(guī)程（DBJ08-302-96）6規(guī)定，鐓頭強度損失不應(yīng)大于鋼筋抗拉強度的5。按鐓頭強度為鋼筋抗拉強度的95考慮，鋼棒鐓頭抗拉強度設(shè)計值為：由于PHC管樁采用先張法施加預(yù)應(yīng)力，因而單節(jié)樁的預(yù)應(yīng)力筋與端板的整體連接強度在管樁制作過程中都已得到檢驗。理論上講，只要管樁制作時

16、預(yù)應(yīng)力張拉到位，構(gòu)件的整體連接強度還是有相當保證率的。3.4    管樁與承臺連接作抗拔樁時，PHC管樁與承臺連接按廣東省標準3的要求，抗拔PHC管樁應(yīng)將樁的縱向鋼筋全部直接錨入承臺內(nèi)，因此必須截樁，讓樁內(nèi)鋼筋外露，這樣做一方面樁身結(jié)構(gòu)有所損傷，另一方面費時費力。上海地區(qū)較為成熟的做法是采用上海管樁圖集5推薦方法，用微膨脹混凝土填芯內(nèi)插鋼筋，同時在PHC管樁端板上焊鋼筋，一并錨入樁承臺或者基礎(chǔ)底板。錨固鋼筋大小根據(jù)抗拔力的大小進行計算調(diào)整。3.4.1 管樁填芯混凝土抗拔性能的探討填芯的連接方式中，抗拔力主要通過填芯混凝土與PHC管壁的粘結(jié)力傳遞。填芯混凝土與管樁樁

17、壁的粘結(jié)強度是由接觸面上的膠結(jié)力、摩擦力和機械咬合力組成，而且隨接觸面的位置而變化。在混凝土強度等級不太高的情況下，粘結(jié)強度隨混凝土抗拉強度增大而增加，因此文獻7建議采用平均粘結(jié)強度概念去考慮新老混凝土的粘結(jié)力，并假定平均粘結(jié)強度與混凝土抗拉強度成正比，即：式中：為待定系數(shù)； 平均粘結(jié)強度。新老混凝土粘結(jié)強度試驗研究和理論分析表明， K10.450.56，設(shè)計時若采用了微膨脹混凝土，則K1值可以適當放大。因此填芯與管樁的粘結(jié)力建議可用下式計算：式中：填芯粘結(jié)力設(shè)計值；填芯直徑（管樁內(nèi)徑）； 填芯高度。以PHC B500 100管樁為例，填芯采用C30微膨脹混凝土，K1取0.

18、5，填芯高度2m時，粘結(jié)力約為1347kN。從理論上分析表明這種連接方式是可行的。但是，在實際運用中，由于管樁內(nèi)壁不可避免有離心浮漿層的存在，且因施工問題造成填芯的施工質(zhì)量不一，都對填芯的整體抗拉強度造成了損失。因而，在PHC管樁端板上焊鋼筋并錨入樁承臺的措施是必須的。考慮到有可能截樁，在端板上焊接鋼筋不一定都可行，因此在抗拔設(shè)計計算中建議僅以填芯作用為控制指標，端板焊接鋼筋可作為安全儲備。3.4.2 本工程樁頂與承臺的連接設(shè)計考慮到本工程中抗拔設(shè)計值僅取Rd =850 kN，故填芯高度采用L=1.5m，其具體構(gòu)造見圖3。對于必須截樁的管樁（如試、錨樁等），要求如縱向鋼筋有足夠錨固長度時，L取

19、1.5m；其余情況下，L取2.5m。在本工程實際設(shè)計中，也采取了增加端板內(nèi)直徑的方法來確保混凝土填芯的抗拔強度。詳見圖4。圖3    PHCB500管樁作抗拔樁樁頭連接詳圖                                  

20、圖4    端板詳圖4    靜載荷試驗及結(jié)果為了確定單樁豎向抗拔承載力，同時驗證PHC管樁的抗拔性能，工程現(xiàn)場進行了3組常規(guī)管樁的靜載荷抗拔承載力試驗。樁型采用上海管樁圖集PHC B500 100 39m（端板厚度19mm，D1=300mm），設(shè)計抗拔承載力850kN，抗拔試驗最大加載量1400kN（本工程試樁都是作為工程樁使用，在確定抗拔試驗最大加載量時不宜超過PHC管樁樁身強度的極限承載力）。其中2組管樁樁頂采用C30微膨脹混凝土填芯，填芯高度5m，內(nèi)插1222螺紋鋼筋，其US曲線見圖5。圖5    

21、;靜載抗拔Us曲線作為對比試驗，另一組管樁樁頂采用鋼筋通過鋼管直接與端板焊接的連接方式。試驗中當上拔力達到1120 kN時，端板被拔壞，基本接近驗算所得的端板整體的抗拉能力。破壞形式主要是預(yù)應(yīng)力鋼棒與端板連接的綜合強度（端板孔口抗剪強度、鋼棒墩頭抗拉強度）不足造成的。分析其破壞原因，可能一方面是實際生產(chǎn)制作的PHC管樁的構(gòu)件強度與理論計算有所出入；另一方面是抗拔試驗中各鋼筋的受力不免有受力不均的現(xiàn)象存在。因而，可以認為端板孔口抗剪強度是PHC管樁作為抗拔樁中的薄弱點，根據(jù)抗拔承載力設(shè)計要求對其驗算增加端板厚度是有必要的；作為受抗拔力最大的樁頂與承臺的連接，同時采用填芯加端板焊接鋼筋的連接方法也

22、是必須的。靜載荷試驗結(jié)果表明，對于本工程中抗拔承載力850kN的情況下，PHC管樁各項連接節(jié)點均能滿足抗拔承載力的要求。試驗所得的土層提供的極限抗拔承載力為1400kN，遠大于根據(jù)表1參數(shù)的計算值，且還尚未達到土體的破壞。建議估算抗拔承載力時，抗拔承載力系數(shù)可根據(jù)行業(yè)的樁基規(guī)范8取值，即：粘性土、粉性土取0.70.8；砂土取0.50.7。5    結(jié)語與建議本文通過介紹上海某項目PHC管樁抗拔設(shè)計的應(yīng)用實例，分析了PHC管樁作抗拔樁使用時所需的樁身結(jié)構(gòu)強度驗算、管樁連接構(gòu)件的強度驗算的方法，并探討了管樁與承臺的連接方式。同時通過現(xiàn)場的靜載荷試驗驗證了其可靠性，得出以下初步結(jié)論與建議：（1）PHC管樁是性能良好的抗拉構(gòu)件，適宜作為抗拔工程樁的使用。（2）PHC管樁樁身結(jié)構(gòu)強度的確定建議主要由有效預(yù)壓應(yīng)力控制，可以充分發(fā)揮其混凝土的抗拉能力，以零裂縫的控制要求計算。實際工程使用中，可根據(jù)地層條件的不同，選用不同配筋的管樁，一般宜采用有效預(yù)壓應(yīng)力較大的B型樁。（3）抗拉設(shè)計時管樁拼接時連接構(gòu)件的強度必須進行驗算，其主要包含焊縫強度、端板孔口抗剪強度、鋼板棒墩頭抗拉強度的驗算。（4）從