老黏土地區(qū)混合配筋預應力管樁抗彎試驗研究

楊澤東 （安徽省建筑工程質量第二監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 230001）

0 引言

自20世紀90年代，預應力管樁以其工廠化生產(chǎn)、承載力高、施工工期短和施工環(huán)保等特點，逐步在我國基礎工程中廣泛應用，應用領域隨之擴展到工業(yè)與民用建筑、公路橋梁、港口碼頭等工程的樁基基礎[1]。

隨著預應力管樁的不斷應用，尤其在合肥、阜陽及亳州等老黏土地區(qū)，預應力管樁在水平荷載作用下易出現(xiàn)抗彎承載力不足等問題，主要表現(xiàn)為斷樁、斜樁及接頭水平承載力不足等質量缺陷問題。為更好擴大預應力管樁的應用領域，提高預應力管樁的抗彎承載力，目前工程中常采用填芯混凝土[2-3]、配置螺紋鋼筋[4-5]等措施，但效果并不理想。

本文通過室內抗彎試驗，對混合配筋預應力管樁（以下簡稱PRC樁）的抗彎性能和破壞形態(tài)進行研究，為混合配筋預應力管樁在工程中的推廣應用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗概況

試驗采用試驗樁的樁長12m，樁徑和壁厚均為600mm和110mm，16根直徑12.6mm的預應力鋼棒和16根直徑12mm非預應力鋼筋；非預應力鋼筋與預應力鋼棒按圓截面均勻布置。樁身配筋橫剖面如圖1所示。

2 試驗裝置及加載方式

圖1 PRC樁斷面尺寸及配筋

根據(jù)國家標準（GB13479）與安徽省地方標準（DB 34/5005）[6-7]：試驗采用1000kN液壓千斤頂進行加載；采用5cm型數(shù)字位移計測量撓度；采用100mm×3mm型電阻應變片測量混凝土應變，使用分布式靜態(tài)應變測試系統(tǒng)采集混凝土應變量。試驗裝置示意圖如圖2所示。

圖2 抗彎試驗裝置示意圖

根據(jù)《先張法預應力混凝土管樁》（GB13479-2009）：試驗加載分級具體為按抗裂彎矩的20%的級差由零加載至抗裂彎矩的80%，每級荷載的持續(xù)時間為3min；然后按抗裂彎矩的10%的級差繼續(xù)加載至抗裂彎矩的100%。每級荷載的持續(xù)時間為3min，觀察是否有裂縫出現(xiàn)，測定并記錄裂縫寬度。按極限彎矩的5%的級差繼續(xù)加載至試驗樁破壞，測定和記錄每級荷載下的裂縫寬度。具體表現(xiàn)為出現(xiàn)裂縫達1.5mm、受拉鋼筋拉斷或受壓區(qū)混凝土被壓碎，標志試驗樁已破壞，停止試驗。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗現(xiàn)象分析

圖4為老黏土地區(qū)PRC樁荷載-撓度曲線圖，在彎矩作用下的受力性能可分為以下3個受力階段：

①在加載開始階段，PRC樁處于彈性變形階段，撓度隨著跨中彎矩的增加而線性增大，樁身沒有裂縫出現(xiàn)。當跨中彎矩達到350kN·m時（約破壞彎矩的49.4%左右），在樁跨中底部受拉區(qū)位置第一條豎向裂縫產(chǎn)生，PRC樁進入帶裂縫工作階段。

②隨著跨中彎矩的不斷增加，新裂縫不斷產(chǎn)生，已有裂縫不斷擴展，PRC樁進入裂縫擴展階段。同時跨中撓度迅速增加，當跨中彎矩達到468.9kN·m時（約破壞彎矩的66.2%時），PRC樁的彎剪段產(chǎn)生斜裂縫。

③隨著荷載繼續(xù)增加，PRC樁進入破壞階段：裂縫急劇擴展，寬度明顯增大；最終受拉區(qū)鋼筋被拉斷，構件破壞。

圖4 荷載-跨中撓度曲線對比圖

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

PRC樁抗彎試驗數(shù)據(jù)匯總

表列出了PRC樁抗彎試驗數(shù)據(jù)。從表中可看出，PRC樁在荷載加載至215.6kN時（對應彎矩350kNm），跨中出現(xiàn)第1條裂縫，跨中撓度為8.03mm；加載至446.8kN時（對應彎矩708.3kNm），受拉區(qū)鋼筋被拉斷，PRC樁破壞，此時跨中最大撓度44.14mm。

結合國家標準預制樁抗彎性能數(shù)據(jù)對比，可見相同配筋和直徑情況下：PRC樁的開裂彎矩是國家標準的1.56倍，其極限彎矩是國家標準的1.42倍。可見非預應力鋼筋的加入，使得普通管樁的抗彎性能得到顯著的提高。

3.3 跨中截面應變發(fā)展

圖5 PRC樁跨中截面應變圖

PRC樁的最大應力處基本位于跨中純彎段內，部分應變片由于混凝土表面出現(xiàn)裂縫，使得應變片超過量程而退出工作；裂縫出現(xiàn)后，管樁上表面混凝土應力增長速度加快；隨著加載量的不斷增加，管樁內部鋼筋拉力達到極限抗拉強度后斷裂破壞。

從圖5亦可以發(fā)現(xiàn)，裂縫出現(xiàn)之前樁身各處的應力非常小且基本呈線性變化，裂縫出現(xiàn)后跨中界面處應力發(fā)生突變。

3.4 破壞情況

為了更好的闡述PRC樁的抗彎性能及破壞情況，圖6給出了PRC樁身裂縫分布圖。從圖6可以看出，裂縫均勻分布于跨中約3.0m的范圍內，首條裂縫均出現(xiàn)在純彎段并位于純彎段最左邊，破壞時主要豎向裂縫為19條（還有4條相對較小裂縫，在此未給出），平均長度48cm，且呈現(xiàn)跨中位置長而兩端短的分布規(guī)律，兩端裂縫呈現(xiàn)向跨中發(fā)現(xiàn)發(fā)展的趨勢，破壞時管樁內部鋼筋被拉斷。

圖6 PRC樁樁身裂縫分布圖

4 小結

通過室內原型抗彎試驗，對老黏土地區(qū)PRC樁抗彎性能進行了研究，得出以下幾點結論：

①非預應力鋼筋的加入較大幅度改善了普通管樁的抗彎承載力。PRC樁的開裂彎矩是國家標準的1.56倍，其極限彎矩是國家標準的1.42倍。

②PRC樁破壞過程是：首先純彎段最左邊出現(xiàn)第一條裂縫；隨著荷載增大，在跨中往兩邊不斷有新的裂縫出現(xiàn)，大體呈現(xiàn)對稱趨勢；隨后破壞時管樁內部鋼筋被拉斷。

③文章的研究成果可為PRC樁在工程中的推廣應用提供理論依據(jù)。