抗拔參考資料管樁的承載力及結構構造

1、抗拔管樁的承載力及結構構造王離 （廣東省土木建筑學會，廣州 510160） 摘要：結合廣東省標準錘擊式預應力混凝土管樁基礎技術規(guī)程的 修訂，對抗拔管樁單樁豎向抗拔承載力的確定以及抗拔管樁的結構構 造包括樁身結構、接頭、樁頭與承臺的連接作了較詳細的介紹，提出 了具體的質保措施，可供抗拔管樁的制作、設計、施工、監(jiān)理和檢測 等人員參考。關鍵詞：抗拔管樁；單樁豎向抗拔承載力特征值；電焊接頭；機械嚙 合接頭；樁頂填芯混凝土中圖分類號：TU525文獻標識碼：A文章編號：1000-4637【2008）04 32050 前言在建筑工程中尤其是無上部結構的地下室以及地下停車場、 污水 處理池、深井泵房、 船塢、

2、人防和地鐵工程； 高聳結構如輸電線鐵塔、 電視塔、煙囪的基礎； 錨錠基礎以及在水平力作用下出現(xiàn)上拔力的建 （構）筑物基礎，如碼頭、擋土墻等，都有可能遇到工程結構的抗浮抗 拔問題。抗浮抗拔措施視具體情況而定， 型式種類多樣， 最常見的是設置 錨桿和抗拔樁。常用的抗拔樁型式主要有鉆 （沖）孔灌注樁、預制方樁 和預應力管樁等?？拱喂軜对趶V東乃至全國可說方興未艾。 據(jù)統(tǒng)計，廣東現(xiàn)有管樁 生產(chǎn)廠約 55家，近五年來，每年生產(chǎn)銷售管樁總量均在 7000 萬延米 以上， 2007年多達 9748萬延米。建筑工程中用得最多的是 4()0和 5()0 管樁，約占總銷售量的 75 左右。目前管樁基礎 90 以上是

3、承受 壓力為主的承壓樁， 抗拔樁的數(shù)量不到總應用量的 10。但抗拔管樁 只要在質量保證的前提下，會顯示出其施工方便、工期短、造價便宜 等許多優(yōu)點，大有發(fā)展前途。可以預計，隨著人們對抗拔管樁認識的 不斷加深， 其應用量會逐年增多。 本文重點對抗拔管樁的承載力計算 及其結構構造， 結合修訂廣東省標準 錘擊式預應力混凝土管樁基礎 技術規(guī)程 (以下簡稱新廣東規(guī)程 )的體會，作一些介紹和探討。 1 抗拔管樁的單樁豎向抗拔承載力抗拔管樁豎向抗拔承載力應根據(jù)樁身與樁周巖土的總抗拔摩阻 力以及樁身抗拉強度的大小來確定，取兩者中較小者。 1 1 抗拔管樁豎向抗拔承載力特征值其確定方法有以下 3種：通過現(xiàn)場豎向抗

4、拔靜載試驗確定；通過 經(jīng)驗公式進行計算；通過高應變動測法進行估算。1 11 通過現(xiàn)場抗拔靜載試驗確定重要的工程或經(jīng)驗不足、 地質條件復雜的地區(qū)， 單樁豎向抗拔承 載力特征值應通過現(xiàn)場抗拔靜載試驗確定， 抗拔試驗樁的數(shù)量， 試驗 的開始時間、試驗加載方法、加載終止條件等，各種地基基礎設計規(guī) 范或樁基檢測技術規(guī)范都有規(guī)定，可按要求進行操作。廣東各地近幾年來做了許多根管樁的抗拔靜載試驗， 下面列出某工地用機械嚙合接頭連接的3根4OOAB型PHC樁的試驗資料。樁采用D50柴油錘施打。典型土層從上至下依次為：素填土（2.20m ）、飽和粉細砂（6.10m ）?？伤芊圪|粘土（ 4.90m ）、硬塑粉質粘土

5、（3.70m ）、全風化泥質粉砂巖（2.20m ）、強風化泥質粉砂巖（1.10m） 其試驗結果見表1。表1管樁的抗拔靜載試驗樁號樁徑樁入土單樁抗拔取大上抜殘余上抜特征值對應單樁極限抗/mm長度/m力特征值/KN量/mm量/mm的上抜量/mm抜承載力/KN140019.03002.310.840.70為00240020.03002.020.580.63為00340021.03002.290.530.56為00從表1可看出，在這樣的地質條件下400管樁的抗拔承載力特征值 達300KN時，樁頂?shù)纳习橇亢苄。?.0mm ），嚙合接頭的抗拔位移也 是很小的。通過試驗公式進行計算單樁豎向抗拔承載力特征值計

6、算，新廣東規(guī)程推介如下經(jīng)驗公式:Ra = Up 丫 i sia + 0.9G式中Ra單樁豎向抗拔承載力特征值；Up管樁樁身外周長；入抗拔摩阻力折減系數(shù)，按表；&i管樁第i層土（巖）的側阻力修正系數(shù)值；qsia 管樁第i層土（巖）的側阻力特征值，如無試驗參數(shù)時可按表;l i 管樁穿越第i層土（巖）的厚度；Gp管樁自重設計值，地下水位以下部分應扣除水的 浮力。表2抗拔摩阻力折減系數(shù)入i土巖的類別強風化巖、花崗巖殘積土0.50-0.70砂土0.50-0.70粘性土、粉土0.50-0.70砂土和粘性土中的抗拔摩阻力折減系數(shù)廣東規(guī)程取值較其他規(guī) 范大一些，是因為管樁擠土效應大、穿透和入巖能力強的

7、緣故。 通過高應變動測法進行估算。高應變動測法可以測出承壓樁的豎向抗壓極限承載力，還可以提供樁側摩阻力和樁端阻力值等數(shù)據(jù)與信息。從理論上講，承壓樁的樁側摩阻力乘以抗拔摩阻力折減系數(shù)入i就是抗拔樁的承載力，為安全 計，入可以取較小值，如0.5-0.6。采用高應變動測法檢測承壓樁的承 載力和壯腎完整性，具有測試費用便宜、速度快、檢測精度能滿足工 程需要等優(yōu)點，只是用于抗拔樁的承載力的檢測，還需進一步積累經(jīng) 驗和技術數(shù)據(jù)，提高檢測樁摩阻力和端阻力的分辨率和檢測精度，但這是一個發(fā)展方向。1.2抗拔管樁樁身抗拉強度的計算抗拔管樁樁身抗拉強度有以下 3種計算模式：(1) 按樁身不出現(xiàn)拉應力為控制條件(2)

8、 按樁身不出現(xiàn)裂縫為控制條件；(3) 按樁身裂縫小于0.2mm為控制條件 新廣東規(guī)程采用上述第( 1)種計算模式，要求抗拔管樁受力后 樁身混凝土不出現(xiàn)拉應力；同時，忽略預應力鋼筋的抗拉作用。其計 算公式：RpW pc ARp管樁樁身豎向承載力設計值，贏一一管樁混凝土有效預應力值A管樁橫截面面積對于一些臨時性建筑的抗拔管樁，也可按上述第(2)種計算模式即樁身不出現(xiàn)裂縫為控制條件來進行計算：RpW( 0c+ ft) 式中，fc樁身混凝土抗拉強度設計值，C80混凝土的 ft=2.22Mpa。值得注意的是：當抗拔管樁承受最大的Rp時，端板錨固孔與鋼 筋墩頭連接處的抗剪強度是最薄弱的環(huán)節(jié)，容易先沖切破壞

9、。1.2.2 管樁混凝土有效預壓應力值的計算 管樁樁身混凝土有效預壓應力計算比較復雜， 不同人計算往往 會得出不同的結果。國家標準 GB50010-2002混凝土結構設計規(guī)范 的算法適合于普通混凝土結構，不適合離心成型、高壓蒸養(yǎng)的管樁。目前管樁界一般是套用日本的計算方法，但也很煩瑣，新廣東規(guī)程提出了一種計算管樁混凝土有效預壓應力的簡化公式：§c=0.56n Aa Fptk/A V500n Aa/A式中$c-管樁混凝土有效預壓應力值；n-預應力鋼筋數(shù)量Aa-單根預應力鋼筋的公稱截面面積；Ftk-預應力鋼筋的抗拉強度標準值，取1420Mpa;A-管樁截面面積，按管樁直徑和壁厚的理論面積計

10、。這是按張拉應力的20%乍為預壓應力損失值來估算的， 而張拉力一般以達到預應力鋼筋抗拉強度標準值的70%寸的總拉力來控制的，故0.7* (1-0.20) =0.56。用此公式計算結果與國家標準 GB13476先張法預應力混凝土管樁(送審稿)所推薦的計算方法 計算的結果基本一致，但此方法簡單實用，尤其在抗拔管樁抗拉強度 計算中顯出快捷的優(yōu)點。管樁樁身結構對應的單樁豎向承載力最大特征值的計算為便于應用，提出一個相當于樁身結構對應的單樁豎向抗拉承表3不同規(guī)格管樁的Rb管樁的規(guī)格型號預應力鋼筋配筋Rb/KN400-95AB型7 10.7378B型10 10.7540500-100AB型11 10.75

11、94B型11 12.6825500-125AB型12 10.7648B型12 12.6900載力最大特征值吊。RWR/1.35二氐 A/1.35=(800 n Aa/ A) A/1.35600 n A式中，n-預應力鋼筋數(shù)量；Aa-單根預應力鋼筋的公稱截面面積。利用RbP00 n Aa計算400、500AB型、B型PHC樁的Rb見表31.3抗拔管樁在廣東的應用概況(1) 錘擊法、靜壓法施工的管樁樁基均可作抗拔管樁。靜壓管 樁對接頭的保護要好些，故靜壓管樁作抗拔樁一般來說質量會好些； 但錘擊管樁入土較深，抗拔承載力較大些。(2) 承壓樁承載力主要由樁周樁端巖土摩擦支承力來決定，樁身抗壓強度一般不

12、是控制條件；而對于抗拔樁，除短樁外，抗拔承載 力一般是由樁身的抗拉強度所決定的，而樁身抗拉強度也往往由接頭 能力所左右的。當然，也是由樁周摩阻力決定的特殊地質條件下(如 厚淤泥層)的抗拔樁。(3) 從廣東的應用情況看，用的較多的抗拔管樁是 400-95 和500-125的AB型PHC4,其單樁豎向抗拔承載力特征值的應用范圍 分別為：500-125AB型抗拔樁，Ra=40M50KN400-95AB 型抗拔樁，Ra=20X50KN但具體應隨工程及水文地質條件、樁徑、樁長、沉樁方法、建筑類型等因素而定，一般不宜超出這個范圍。2.抗拔管樁的結構構造主要應注意下列 3個問題：樁身結構；接頭；樁頭與承臺的

13、連接。2.1 關于抗拔管樁的樁身結構問題 樁身結構問題重點在樁身的配筋和端板的質量， 同時還要注意預 應力鋼筋墩頭與端板上錨固孔直徑的抗拉能力和抗沖切能力。國家標準GB13476先張法預應力混凝土管樁（送審稿）將原來 預應力鋼筋的混凝土保護層從25mm加大到40mm （300管樁保護層 仍為25mm,不宜作抗拔樁），預應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，故鋼筋的配置數(shù)量略有增多。為保證抗拔管樁的樁身抗拉強度, 首先要保證預應力鋼筋的數(shù)量 和鋼筋的直徑。目前,有些預應力鋼筋生產(chǎn)廠生產(chǎn)的鋼筋直徑過小。 為此，新廣東規(guī)程專門列出每m預應力鋼筋的允許最小重量，同時還 規(guī)定：工地

14、上使用的管樁, 均要按一定的百分率抽檢鋼筋耳朵數(shù)量及 重量（最好利用截下來的余樁） ,若抽檢鋼筋的重量小于允許最小重 量,按不合格論處。2.1.2 端板的質量目前端板質量存在二大問題：端板的材質和端板的厚度。（ 1 ） 端板的材質大部分不符合規(guī)定新廣東規(guī)程規(guī)定：端板材質的性能應符合行業(yè)標準 JC/T947先 張法預應力混凝土管樁用端板 的規(guī)定, 該行業(yè)標準列出了端板用鋼 材的化學成分和力學性能，但沒有對所用鋼材作出具體的要求。因此, 有些端板生產(chǎn)廠鉆了這個空子，或用鑄鋼替代 Q235鋼板，或用拆船 板等廢舊鋼材熔煉的“地條鋼”來做端板。其危害性是：可焊性差， 焊縫易開裂。端板易腐爛。這樣的街頭

15、，應用在抗拔樁中，質量隱 患顯而易見。因此，用于抗拔樁的端板應符合國家標準 GB677優(yōu)質 碳素結構鋼技術條件及GB700碳素結構鋼的有關規(guī)定，材料的 機械性能不得低于Q235的要求。(2)端板的厚度普通較薄原廣東規(guī)程規(guī)定：300管樁，端板最小厚度為16mm;400管樁為18mm; 0500管樁為18mm; O600管樁為20mm。實際上，不少廠家連這個最小厚度也達不到。當然這個規(guī)定也有不足之 處。新廣東規(guī)程不是按管樁直徑來規(guī)定端板厚度，而是根據(jù)預 應力鋼筋的粗細來規(guī)定端板的厚度，比較科學。新廣東規(guī)程規(guī) 定端板的最小厚度見表4。表4端板最小厚度鋼筋直徑/mm7.19.010.712.6端板最小

16、厚度/mm16182024(3)端板桑的錨固孔與鋼筋墩頭的連接是抗拔管樁抗拉強度的一個“瓶頸”預應力鋼筋兩端部經(jīng)電熱擠壓成半球狀的墩頭， 通過墩頭與端板上錨固孔的連接，是端板與預應力鋼筋形成一個結構體， 張拉力通過端板再傳到預應力鋼筋墩頭上， 如果端板太薄， 錨固孔地板抗剪強 度不足，就同意將墩頭拉脫。但一般情況下，總拉應力為0.7nAaFptk, 張拉時， 如果端板與墩頭之間不出現(xiàn)拉脫情況， 那么按新廣東規(guī)程所 規(guī)定的樁身抗拉強度計算公式(R)=6pcA )計算的抗拔樁的抗拔力(0.56n Aa Fptk),是小于張拉力的，此時端板與墩頭之間的連接是安 全可靠的，若采用Rp= (6pc+ f

17、t) A作抗拉強度計算公式計算出來的抗拔 力，有時可能打過張拉力，尤其是 A型樁，端板與墩頭直徑的連接就 不一定可靠。 可見， 新廣東規(guī)程推薦的樁身抗拉強度計算公式并不保 守，而是與“墩頭與錨固孔”的抗拉能力相匹配。值得一提的是：有些管樁生產(chǎn)廠家在預應力張拉時，偶有一、 二根預應力鋼筋被拉脫或拉斷， 按理應作報廢處理， 但也有繼續(xù)離心 成型作成產(chǎn)品出廠。這種不合格的管樁，作為承壓樁，其危害性還不 是一下子顯現(xiàn)出來，但作為抗拔樁，當承受較大抜力時，其余完好的 預應力鋼筋也會發(fā)生“多米諾”效應而被拉斷。2.2 關于抗拔管樁接頭問題 單節(jié)管樁基礎沒有接頭問題，若用二節(jié)以上的管樁作抗拔樁， 就有一個樁

18、節(jié)聯(lián)結的接頭問題。 承壓樁的接頭質量若不大好， 其危害 性一時顯不出來；抗拔樁的接頭質量有問題，容易出現(xiàn)斷樁而失效。 所以抗拔樁的接頭質量至關重要。接頭型式，目前國內(nèi)主要是采用電焊焊接接頭。焊接方法主要 有手工電弧焊和二氧化碳氣體保護自動焊。 近幾年來， 全國各地又發(fā) 明了一些機械快速接頭，新廣東規(guī)程推“機械齒合接頭電焊接頭質量問題主要有： 焊縫坡口尺寸太??； 電焊施工質量差， 不飽滿；焊縫保護措施不力等。焊縫坡口尺寸太小端板外周上沿留有一圈供電焊的坡口 （槽）。新廣東規(guī)程規(guī)定了 各種管樁的具體坡口尺寸（高*深），并且要求坡口根部有R=3MM的 弧形。實際上， 不少端板生產(chǎn)廠家對坡口尺寸的加工

19、不重視，普遍偏 小，連4焊條也放不進去，造成焊縫強度的先天不足。2.2.2 焊縫施工質量差 新廣東規(guī)程對焊縫的施工方法和施工質量提出了許多要求，特別要求焊縫層數(shù)不得少于2層，300以上管樁宜為2層3道，焊縫要連 續(xù)飽滿， 按規(guī)程設置的坡口尺寸加上焊縫飽滿， 焊縫的抗拉強度會遠 大于樁身的抗拉強度， 所以焊縫強度不必驗算， 關鍵是要保證焊縫的 施工質量。焊接時間不足，“草草了事”是當前焊縫施工中的突出問題，為此， 新廣東規(guī)程還是明確規(guī)定量個焊工同時作業(yè)時各種直徑的管樁正常 情況下的施焊時間。如400管樁，兩個焊工同時施焊時，需要 12-15min。2.2.3 焊縫的保護問題焊縫的保護問題許多人不

20、大注意和重視， 其實也很重要。 首先是 焊好的接頭應自然冷卻后才能繼續(xù)施打， 自然冷卻時間， 舊廣東規(guī)程 規(guī)定不應小于8min,新規(guī)程規(guī)定不少于5min。而有的工地焊完就打， 高溫的焊縫遇水急劇冷卻會使焊縫變脆， 錘擊時易開裂， 受拉時焊縫易被拉斷。其次是打樁施工時要注意對焊縫的保護， 如保持樁身垂直，力戒偏心錘擊；宜“重錘低擊”，嚴禁“輕錘高擊；”靜壓施工時夾具應避 開接頭。 綜上所述，抗拔管樁接頭比承壓樁要求更高更嚴，因此，必須做 到：（1）端板的材質、板厚、坡口尺寸等要求嚴格按有關規(guī)范的要 求設置。（2）新廣東規(guī)程規(guī)定，抗拔樁的接頭宜選用機械齒合接頭（筆 者按：最好外加電焊實行雙保險）

21、；若采用電焊焊接時， 焊縫坡口尺寸宜按規(guī)定的坡口尺寸各向加大 1mm，或 由設計人員提出要求進行特制；若坡口尺寸不加大， 則接頭焊縫應做 10%數(shù)量的探傷檢查。（3）保證焊接施工時間和焊縫質量。2.3 關于抗拔樁樁頭與承臺的連接問題 舊的廣東規(guī)程對抗拔樁樁頭與承臺的連接有兩條規(guī)定： 一是管樁 與承臺連接時，樁頂嵌入承臺深度宜取100mm;另一條是對于抗拔樁， 應將樁的縱向鋼筋全部直接錨入承臺內(nèi)。 錨固長度不得小于 50倍縱向 鋼筋直徑不小于 500mm。這第二條規(guī)定現(xiàn)在看來有些問題。問題之一是按現(xiàn)行國家標準GB50010-2002混凝土結構設計規(guī)范（，表 5是計算結果。表5 鋼筋錨固長度承臺混

22、凝土強度等級C20C25C30C3540錨固長度/mm146d126d113d103d94d表中d為預應力鋼筋直徑，常用的承臺混凝土強度等級為 C30, 則C30昆凝土中的預應力筋錨固長度為113d，當鋼筋直徑為9.0mm時, 錨固長度為102cm;當鋼筋直徑為10.7mm時，錨固長度為120cm。用 人工手錘敲碎50cm長度的C8（預應力高強混凝土已夠辛苦費時了，要 用手錘敲碎100c m以上的樁身混凝土就更困難費時，因此施工人員不 愿接受。另外施工人員不愿接受。另外，要求保留的管樁余樁較長， 造成浪費；若余樁小于1.0m，預應力錨固鋼筋的接長也是個問題。問題之二是用預應力鋼筋直接錨入承臺內(nèi)

23、的做法不符合防腐要求。我們的希望是抗拔樁受最大拉力時，樁身混凝土不出現(xiàn)拉應力， 至少不出現(xiàn)樁身裂縫。而預應力管樁樁頭上的混凝土被敲掉以后，樁頭以下一段樁身混凝土中的預應力會消失。樁頭處預應力消失范圍可根據(jù)國家標準GB50010 2002混凝土結構設計規(guī)范（6. 1 . 9）公 式，來計算預應力傳遞長度（Ltr）。因公式中有些數(shù)據(jù)不大確定，估算 Ltr的最大經(jīng)驗值約300mm。規(guī)范還規(guī)定，當采用驟然放松預應力鋼 筋的施工工藝時，Ltr的起點應距構件末端0 .25 Ltr處開始計算。因此， 管樁樁頭處混凝土應力消失區(qū)應為1. 25 Ltr，其值約400mm。當采 用預應力鋼筋作錨固抗拔筋且樁身承受

24、最大抗拔力時，因此時管樁樁 頭頂部的拉力最大，于是這部分消失了預應力的樁身頂部40cm范圍內(nèi)的混凝土必然會出現(xiàn)裂縫，除非樁身外面進行必要的加固，否則管樁的耐久性就會降低。新廣東規(guī)程對抗拔樁樁頭與承臺的連接作了較大變動，廢除了用預應力鋼筋直接錨入承臺內(nèi)的連接方法，一律采用鋸掉余樁后在樁頂填芯混凝土中埋設連接鋼筋的連接方式。填芯混凝土長度一般均有2m以上，當連接鋼筋承受最大抗拔力時，抗拔力是 通過填芯混凝土柱體和管樁樁頂2m多高的內(nèi)壁之問的粘結摩阻力傳 遞到管樁樁身上。一般來說，樁頭頂部 40cm范圍內(nèi)的粘結摩阻力較 小，盡管此段樁身已消失預應力，但可靠樁身混凝土自身的抗拉力阻 止樁身的開裂?？拱?/p>

25、樁樁頭與承臺之問的連接示意如圖1。切割后的樁頂430抗拔管樁樁頭與承臺的連接示意圖采用樁頂填芯混凝土中埋設連接鋼筋的連接方法，其主要優(yōu)點是施工方便。同時，樁頂40era范圍內(nèi)預應力肖失區(qū)的樁身混凝土基本上不會出現(xiàn)裂縫?？拱喂軜稑?頂填芯混凝土長度和連接鋼筋總公稱截面積可通過下列經(jīng)驗公式計 算確定：，QtQtLa =fn UpnFy式中，La樁頂填芯混凝土長度，不應少于2. Om ;Qt 一相應于荷載效應基本組合時單樁豎向拔力設計值；為簡化計，也可取Q=1. 35Rta;Rta單樁豎向抗拔承載力特征值；fn填芯混凝土與管樁內(nèi)壁的粘結強度設計值， 宜由現(xiàn)場 試驗確定。當缺乏試驗資料時，C30摻微膨脹劑的填芯混凝土， fn可 取0. 30-0 . 35N/mm2;Upn管樁內(nèi)孔圓周長；As管樁內(nèi)孔連接鋼筋總公稱截面面積；F Y鋼筋的抗拉強度設計值，HRB335(20MnSi)的 F；=300N /mm2。填芯混凝土質量的好壞也是抗拔管樁成敗的關鍵。填芯混凝土 應是無收縮混凝土(摻微膨脹劑)，應密實飽滿，其強度等