預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的荷載傳遞規(guī)律研究

張萬(wàn)濤 郝愛(ài)玲 趙 林

(1.安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，安徽合肥 230011;2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁(PHC樁)是采用先張法預(yù)應(yīng)力離心成型工藝，并經(jīng)過(guò)10個(gè)大氣壓、1 800℃ 左右的蒸汽養(yǎng)護(hù)而制成一種空心圓筒形混凝土預(yù)制構(gòu)件。PHC樁是重要的樁基材料，具有單樁承載力高、應(yīng)用范圍廣、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)效益好等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到高層及多層建筑、鐵路高架橋、橋梁與高速公路等工程建設(shè)中。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)PHC管樁的理論及工程應(yīng)用開(kāi)展了大量的研究，取得了頗為豐碩的研究成果。針對(duì)PHC管樁的荷載傳遞規(guī)律研究方面，亦取得了較大的進(jìn)展。本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，著重探討PHC管樁的荷載傳遞規(guī)律與承載特性，分析影響PHC管樁荷載傳遞規(guī)律的主要因素，總結(jié)現(xiàn)有的PHC管樁荷載傳遞方面的理論計(jì)算方法，并予以科學(xué)評(píng)價(jià)，可為PHC管樁的研究和應(yīng)用提供一定的參考和指導(dǎo)作用。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

歐美及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家是研究、生產(chǎn)、使用PHC管樁較多的國(guó)家。20世紀(jì)60年代末～70年代，日本就開(kāi)發(fā)了PHC管樁，至1991年前后，PHC管樁生產(chǎn)達(dá)到高峰，日本全國(guó)各種管樁產(chǎn)量達(dá)790 萬(wàn) t[1，2]。20 世紀(jì)60年代末，由于建設(shè)南京長(zhǎng)江大橋需要采用管樁基礎(chǔ)形式，大橋工程局三處開(kāi)始研制和生產(chǎn)管樁。為了滿足港口建設(shè)發(fā)展的需要，1987年交通部第三航務(wù)工程局引進(jìn)了日本的全套PHC管樁生產(chǎn)線。隨后，我國(guó)相關(guān)單位和部門通過(guò)對(duì)引進(jìn)的管樁生產(chǎn)線的消化吸收，自主開(kāi)發(fā)了國(guó)產(chǎn)化的PHC管樁生產(chǎn)線，并于1993年被建設(shè)部列為全國(guó)重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。近30年來(lái)，我國(guó)土木建筑工程業(yè)迅速發(fā)展，大量高層建筑、民用住宅、公用工程、橋梁、港口與碼頭等工程均需要優(yōu)質(zhì)的樁基礎(chǔ)。管樁基礎(chǔ)由于其存在的諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2006年，我國(guó)管樁直接銷售收入約250億元。目前，廣東、江蘇、上海、天津等地都有許多管樁生產(chǎn)企業(yè)和施工單位。特別是在南方地區(qū)，管樁基礎(chǔ)已經(jīng)占到樁基礎(chǔ)的70%～80%。

2 PHC管樁單樁荷載傳遞規(guī)律

2.1 PHC管樁荷載傳遞機(jī)理

當(dāng)PHC管樁受到豎向荷載作用時(shí)，樁身上部發(fā)生壓縮而產(chǎn)生相對(duì)于樁周土的向下位移;同時(shí)，這種向下的位移受到土的阻礙作用，在樁的側(cè)表面產(chǎn)生相對(duì)向上的摩阻力。樁所受的荷載通過(guò)產(chǎn)生的樁側(cè)摩阻力而逐步傳遞到周圍土層中，樁身荷載和壓縮變形量隨入土深度的增加而逐漸減小。樁—土相對(duì)位移為零深度及其以下，樁側(cè)摩阻力尚未得到發(fā)揮，其值為零。PHC管樁在加載初始階段，樁側(cè)摩阻力與向下位移近似的呈直線關(guān)系;隨著荷載的增大，位移和樁身壓縮量增大，下部的摩阻力被逐步調(diào)動(dòng)起來(lái)，將部分荷載傳遞給樁端土層承擔(dān)，導(dǎo)致樁端土層發(fā)生壓縮變形，進(jìn)而產(chǎn)生樁端阻力。另一方面，樁—土相對(duì)位移由于樁端土層的壓縮而進(jìn)一步增大，致使樁側(cè)摩阻力進(jìn)一步發(fā)揮出來(lái)。當(dāng)樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限后，隨著位移量的繼續(xù)增大，樁側(cè)摩阻力保持不變，樁端阻力則不斷增大。

2.2 影響荷載傳遞的因素

1)樁端土層與樁周土層的剛度比。樁端土層與樁周土層的剛度比越小，樁身軸力沿深度衰減就越快。當(dāng)其值為零時(shí)，PHC樁為純摩擦樁，所有荷載均由樁側(cè)摩阻力承擔(dān)。當(dāng)其值為1時(shí)，即樁端突出與樁周土層的剛度相等，其荷載傳遞規(guī)律曲線和樁側(cè)摩阻力分布情況與純摩擦樁相似。當(dāng)其值為無(wú)窮大，且為中長(zhǎng)樁時(shí)，樁身上段軸力隨深度增加而減少，下段則基本保持不變。由于樁端土層的剛度相對(duì)極大，可分擔(dān)60%以上的荷載，此時(shí)為端承樁。2)樁、土剛度比。樁、土剛度比越大，由樁端阻力所分擔(dān)的荷載所占的比例也越大;反之，樁端阻力所分擔(dān)的荷載所占的比例就越小，側(cè)摩阻力所分擔(dān)的荷載所在的比例越大。當(dāng)樁、土剛度比為無(wú)窮大時(shí)，PHC管樁可被看作是一剛體，端阻力和側(cè)摩阻力同時(shí)發(fā)揮作用，按樁側(cè)、樁端土層的剛度系數(shù)大小來(lái)分擔(dān)荷載。此時(shí)，端阻力將分擔(dān)大部分荷載。3)PHC管樁的長(zhǎng)、徑比。管樁的長(zhǎng)、徑對(duì)其荷載傳遞規(guī)律具有較大的影響，特別是在均勻土層中，其影響是否顯著。當(dāng)長(zhǎng)、徑比超過(guò)100時(shí)，樁端土的工程性質(zhì)對(duì)荷載傳遞規(guī)律將不再產(chǎn)生任何影響。因此，長(zhǎng)、徑比很大的管樁往往都屬于摩擦樁或純摩擦樁。4)土塞效應(yīng)。PHC管樁在施工過(guò)程中，往往在樁端空腔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定長(zhǎng)度土塞。土塞剛產(chǎn)生時(shí)，是不完全閉塞的，然后逐漸形成完全閉塞的土塞。土塞不完全閉塞時(shí)，沉樁引起的擠土效應(yīng)相對(duì)較弱;土塞完全閉塞后，管樁沉樁變?yōu)橥耆臄D土樁，擠土效應(yīng)相對(duì)強(qiáng)烈，過(guò)于強(qiáng)烈的擠土效應(yīng)可能導(dǎo)致管樁沉樁困難。沉樁過(guò)程中，管樁空腔中土塞的形成與基底下楔體的形成過(guò)程是相輔相成的，楔體對(duì)土塞的閉塞效應(yīng)存在一定的影響。土塞作用可在管樁內(nèi)壁形成摩阻力，并產(chǎn)生一定的法向應(yīng)力，進(jìn)而對(duì)PHC管樁的荷載傳遞過(guò)程形成明顯的影響。5)擠土效應(yīng)。PHC管樁在沉樁施工過(guò)程中，對(duì)樁周土存在一定的擠土作用，使樁周土受到擾動(dòng)，并導(dǎo)致側(cè)向壓應(yīng)力的增加。當(dāng)樁周土為飽和粘性土?xí)r，由于粘性土瞬時(shí)排水固結(jié)效應(yīng)較弱，壓縮變形量小，沉樁擠土作用使樁周土產(chǎn)生橫向和豎向位移。隨著時(shí)間的推移，所產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力逐漸消散，土體發(fā)生再固結(jié)，其強(qiáng)度存在觸變恢復(fù)過(guò)程。因此，側(cè)摩阻力亦發(fā)生變化，存在顯著的時(shí)間效應(yīng)，對(duì)PHC管樁的荷載傳遞過(guò)程造成一定程度的影響。當(dāng)樁周土體為非飽和土?xí)r，樁周土體受到擠壓作用而變得密實(shí)，樁周土的密實(shí)度增大后，其側(cè)摩阻力亦隨之有所增大，從而對(duì)PHC管樁的荷載傳遞過(guò)程造成一定的影響。

3 管樁荷載傳遞的理論計(jì)算

在豎向荷載作用下，樁身所受荷載與沉降為非線性關(guān)系，PHC管樁的荷載傳遞過(guò)程十分復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者探討了樁基礎(chǔ)的荷載傳遞規(guī)律的計(jì)算方法，對(duì)于管樁基礎(chǔ)而言，主要包括彈性理論法、荷載傳遞法、剪切變形傳遞法和有限元計(jì)算方法等。不同的方法其基本假定條件不一致，亦存在一定的局限性。彈性理論法考慮了土體的連續(xù)性，在計(jì)算過(guò)程中，認(rèn)為樁和土的水平向變形很小，可以忽略不計(jì)，而只考慮豎向變形作用。彈性理論法是基于彈性力學(xué)而提出來(lái)的，但目前適用于樁基礎(chǔ)的彈性力學(xué)基本解很少，考慮土的分層及非線性十分困難。因而，難以得到實(shí)際應(yīng)用。有限元法在計(jì)算時(shí)，可以考慮土的不均勻性、非線性、各向異性等特征，并能考慮樁和土的應(yīng)力歷史、樁的滑移等，是分析管樁工作性能的有效方法?？捎脕?lái)揭示管樁基礎(chǔ)的受力特性和荷載傳遞規(guī)律，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)成果相對(duì)比驗(yàn)證，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。但有限元法的缺點(diǎn)是計(jì)算參數(shù)難以準(zhǔn)確獲取，不能保證計(jì)算的正確性和精度，難以真正實(shí)現(xiàn)定量分析。

4 結(jié)語(yǔ)

在全面總結(jié)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，深入探討了豎向荷載作用下PHC管樁單樁的荷載傳遞規(guī)律?；仡櫫薖HC管樁的發(fā)展歷程，分析了豎向荷載作用下的PHC管樁荷載傳遞規(guī)律，探討了影響荷載傳遞的主要因素，總結(jié)評(píng)價(jià)了常用的管樁荷載傳遞規(guī)律的理論計(jì)算方法。

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