預應力高強混凝土管樁抗拔承載力分析

楊振仲

(廈門城市職業(yè)學院　福建廈門　361008)

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預應力高強混凝土管樁抗拔承載力分析

楊振仲

(廈門城市職業(yè)學院福建廈門361008)

結合實際工程，分析了預應力高強混凝土管樁抗拔承載力的影響因素，研究了其抗拔承載力的確定方法，并對抗拔樁的應用提供了一些建議。

預應力高強混凝土管樁；抗拔樁；抗拔承載力

1　概述

建筑地下室或地下構筑物在施工階段和使用階段存在上浮問題時，抗浮或抗拔措施一般視具體情況而定。比如，當采用天然地基時，可設置抗浮錨桿；當采用樁基礎時，可設置抗拔樁。常用的抗拔樁型式有混凝土預制樁、鉆(沖)孔灌注樁和鋼樁等。

按照混凝土強度等級，先張法預應力混凝土管樁(以下簡稱“管樁”)可分為預應力高強混凝土管樁和預應力混凝土管樁兩類。其中，預應力高強混凝土管樁代號為PHC，混凝土強度等級不得低于C80[1]。PHC樁強度高，造價低，工期短，在建筑工程中應用廣泛。

2　工程實例

2.1工程概況

廈門市湖里區(qū)某安置房工程項目由6棟23～26層高層建筑、北側及東側2～3層沿街商業(yè)裙房以及1層純地下室組成。其中，高層建筑采用框架-剪力墻結構，裙房采用框架結構，各建筑物自身及其之間設置一層整體地下室，地下室層高為4.8m，純地下室如圖1所示。

該工程場地位于坡洪積坡地，地勢總體較平緩、開闊。場地土層主要由①雜填土、②粉質粘土、③礫砂、④殘積土、⑤全風化巖、⑥強風化巖、⑦中風化巖和⑧微風化巖等組成。

2.2抗浮設計

場地受原始地形地貌和拆遷堆填的影響，地下水位埋深變化較大。根據(jù)場地地形、地貌特征、地區(qū)氣象特點及片區(qū)規(guī)劃場地周邊市政排水設施等情況，地下室抗浮設計的最高地下水位按室外設計地坪標高以下1.0m考慮。

地下室底板均位于地下水位以下，且地下室建成后，周邊須進行土方回填及市政建設，考慮在雨季或回填區(qū)形成新的含水體系和毛細水上升等因素影響，地下水位將上升。因此，地下室設計與施工應考慮地下水的浮力作用。

對于直接位于高層建筑主體結構下的地下室，主要是施工期間的臨時抗浮穩(wěn)定問題，一般可通過場地臨時排水和降水等措施解決；而對于裙房，尤其是純地下室部分，則屬永久性抗浮問題，需通過抗浮驗算，并采取相應的抗浮措施。

2.3抗拔樁設計

結合基礎型式，該工程采用預應力高強混凝土管樁作為抗拔樁。純地下室室外地坪以下土層參數(shù)詳見表1。

表1　純地下室外地坪以下土層參數(shù)一覽表

室外地坪設計標高為8.80m，地下水位標高7.80m。承臺高度為1.00m，抗拔樁樁頂標高2.40m，樁端持力層為⑤全風化巖，設計樁長為21.0m。

地下水對鋼筋混凝土結構中的鋼筋(干濕交替帶)和鋼結構具有弱腐蝕性，設計時需考慮地下水的腐蝕性，采取相應的防腐措施：

(1)采用壁厚不應小于125mm的AB型PHC樁；

(2)樁混凝土強度等級不應低于C60，抗?jié)B等級不應低于S10，保護層厚度不應小于35mm，樁尖宜采用閉口型；

(3)樁接頭焊縫坡口根部至焊縫表面的最短距離不應小于12mm。

根據(jù)上述防腐措施，該工程選用管樁型號為PHC 500 AB 125-12。

3　PHC樁抗拔承載力驗算

作為抗拔樁，PHC樁的抗拔承載力主要由樁身抗拉強度、管樁連接的抗拉強度以及其他節(jié)點的抗拉強度等確定。

3.1樁身抗拉強度

(1)根據(jù)國家建筑標準設計圖集《預應力混凝土管樁》10G409[1]，樁身預應力鋼筋應采用抗拉強度標準值不小于1 420MPa、35級延性的低松弛預應力混凝土用螺旋槽鋼棒?？紤]預應力鋼筋鐓頭與端板連接處受力不均勻等因素的影響，有

N≤0.85fpyAp

(1)

式中，N—樁身軸心受拉承載力設計值；

fpy—預應力鋼筋抗拉強度設計值(不小于1000MPa)；

Ap—全部縱向預應力鋼筋的截面面積。

該工程采用的預應力鋼棒為12Φ10.7，Φ10.7的公稱截面面積為90.0mm2，則N≤0.85×1 000×12×90.0=918kN。

同時，根據(jù)文獻[1]，應進行樁身裂縫控制驗算，裂縫控制等級取一級，應符合下列規(guī)定：

Nk≤σceA0

(2)

式中，Nk—按荷載效應標準組合計算的基樁拉力；

σce—樁身混凝土的有效預壓應力；

A0—截面換算面積。

該工程A0=A+[(Es/Ec)-1]Ap=π×(5002-2502)/4+[(2.0×105/3.8×104)-1]×12×90.0=151 866mm2；查文獻[1]，型號為PHC 500 AB 125-12的管樁σce=6.18MPa；按荷載效應標準組合計算的基樁拉力Nk=356kN，則Nk≤6.18×151 866=939kN。

(2)福建省標準《先張法預應力混凝土管樁基礎技術規(guī)程》DBJ13-86-2007有以下規(guī)定[2]：

對于嚴格要求不出現(xiàn)裂縫的基樁，應符合下式要求：

Qct≤σpcA

(3)

對于一般要求不出現(xiàn)裂縫的基樁，應符合下式要求：

Qct≤(σpc+ft)A

(4)

式中，Qct—相應于荷載效應基本組合時單樁豎向抗拔承載力設計值；

σpc—樁身混凝土的有效預壓應力，等同于σce；

A—樁身截面面積；

ft—樁身混凝土抗拉強度設計值。

該工程σpc=σce=6.18MPa，按公式(3)，得：Qct≤6.18×π×(5002-2502)/4=910kN；按公式(4)，得：Qct≤(6.18+2.22)×π×(5002-2502)/4=1 237kN。

(3)根據(jù)廣東省標準《錘擊式預應力混凝土管樁基礎技術規(guī)程》DBJ/T15-22-2008，有

N≤σpcA

(5)

式中符號同上。

公式(5)的計算結果與公式(3)相同。

對比以上3種計算方法，國家建筑標準設計圖集[1]考慮了預應力鋼筋鐓頭與端板連接處受力不均勻等因素，對預應力鋼筋抗拉強度進行折減，同時取一級裂縫控制等級進行裂縫控制驗算；福建省標準[2]除了考慮樁身混凝土的有效預壓應力外，還考慮了混凝土的抗拉應力，將預應力鋼筋抗拉強度作為安全儲備；廣東省標準[3]只考慮了樁身混凝土的有效預壓應力，而忽略了預應力鋼筋和混凝土的抗拉強度，因此偏為保守，但是由于混凝土不出現(xiàn)拉應力，可以不作裂縫控制驗算。

因此，在計算樁身抗拉強度時，對于設計等級為甲、乙級的PHC樁基礎以及當?shù)叵滤⒌鼗翆HC樁有腐蝕性時，可采用福建省標準[2]的式(3)或廣東省標準[3]的式(5)；而對于設計等級為丙級的PHC樁基礎，可采用福建省標準[2]的式(4)。

該工程地基基礎設計等級為乙級，可按照式(3)或式(5)，樁身抗拉強度取910kN。

3.2管樁連接的抗拉強度

(1)管樁連接方式

管樁連接方式有端板焊接連接、法蘭連接和機械快速連接等。其中，機械快速連接又包含機械螺紋連接和機械嚙合連接兩類，機械螺紋連接是用螺母將預埋在管樁兩端的螺紋端板和連接端板快速連接，而機械嚙合連接是利用連接銷與分別預埋在管樁端板上的連接槽、螺栓孔等零部件嚙合形成的。

(2)焊縫抗拉強度

端板焊接連接應符合國家標準《鋼結構焊接規(guī)范》GB50661—2011和行業(yè)標準《建筑樁基技術規(guī)范》JGJ94—2008的規(guī)定，其連接強度不應小于樁身抗拉強度。

根據(jù)福建省標準[2],當PHC樁采用焊接連接，應滿足下式要求：

(6)

式中，lw—焊縫長度；

he—焊縫計算厚度；

(3)機械螺紋連接接頭抗拉強度

當符合下列情況之一時，管樁連接宜采用機械螺紋連接：

①地基基礎設計等級為甲級的管樁；

②管樁為抗拔樁；

③管樁接頭在中等液化等級及以上的土層；

④土對樁身約束較差時；

⑤擠土效應明顯時[2]。

根據(jù)福建省標準《預應力混凝土管樁機械快速連接接頭施工及驗收規(guī)程》DBJ13-58-2004，管樁機械螺紋接頭的極限抗拉強度應符合表2的要求。

表2　管樁機械螺紋接頭的極限抗拉強度[4]

若該工程選擇機械螺紋連接接頭，其極限抗拉強度為1 788kN，則機械螺紋連接接頭抗拉強度設計值大于樁身抗拉強度。

又根據(jù)文獻[5]，管樁機械螺紋接頭抗拉強度由螺紋端板承載力決定，可用下式計算：

(7)

Ae—管樁端板螺紋接頭有效截面積；

de—管樁螺紋端板扣除螺母壁厚和螺紋的有效直徑；

dn—管樁螺紋端板扣除螺紋和壁厚的內壁直徑。

(4)機械嚙合連接接頭抗拉強度

當符合下列情況之一時，管樁連接宜采用機械嚙合連接：

①地下水、地基土對管樁有弱到中等以上腐蝕作用時；

②管樁為抗拔樁時；

③當樁數(shù)較多、較密集，擠土效應較大時；

④在施工環(huán)境溫度低于0℃或風雨季節(jié)作業(yè)時[6]。

根據(jù)文獻[5]，管樁機械嚙合連接接頭采用高強度螺栓連接銷與端板預拉力連接，機械嚙合連接接頭的抗拉強度由連接銷與端板預拉力連接的抗拉強度控制，可用下式計算：

(8)

(5)管樁連接方式選用

傳統(tǒng)的管樁采用端板焊接連接，焊接質量易受人為因素和天氣條件影響，抗拉性能難以完全保證，施工時間長。經實踐證明，管樁機械快速連接接頭具有連接質量高、防腐性能好、抗拔性能好、施工速度快、人為因素和天氣條件影響小等優(yōu)點，能有效解決抗拔樁的連接質量問題。

為保證預應力混凝土管樁的安全，2010年根據(jù)近年來管樁施工中存在接頭焊接質量問題，福建省要求在建筑工程建設中，凡是采用管樁作為抗拔樁的，其接頭均應采用機械快速連接接頭技術。與機械螺紋連接接頭相比，機械嚙合連接接頭施工速度更快，增加的材料費用更少，應優(yōu)先選用[5]。該工程管樁接頭采用機械嚙合連接接頭。

3.3其他節(jié)點的抗拉強度

(1)鋼筋鐓頭的抗拉強度

國家標準《先張法預應力混凝土管樁》GB 13476-2009規(guī)定：鋼筋鐓頭部位的強度不得低于該材料抗拉強度的 90%。

因此，要求該工程預應力鋼筋鐓頭的抗拉強度≥0.90fpyAp=0.90×1 000×12×90.0=972kN，大于樁身抗拉強度。

(2)端板預應力筋錨孔抗剪強度

PHC樁端板上有預應力筋錨孔，用于樁身預應力鋼筋的錨固，當PHC樁承受的上拔力較大時，錨孔易產生沖切破壞，應驗算其抗剪強度。因此，應選用加厚的端板，《先張法預應力混凝土管樁》GB 13476-2009規(guī)定了端板最小厚度[7]。該工程預應力鋼筋的直徑為10.7mm，端板最小厚度為20mm，取24mm。根據(jù)文獻[8]，有

N≤nπfv(d1+d2) [ts-(h1+h2)/2]/2

(9)

式中，N—端板預應力筋錨孔抗剪強度設計值；

n—預應力筋數(shù)量；

d1—端板預應力筋錨孔臺階下口直徑；

d2—端板預應力筋錨孔臺階上口直徑；

ts—端板厚度；

h1—端板預應力筋錨孔臺階下口距端板頂距離；

h2—端板預應力筋錨孔臺階上口距端板頂距離；

fv—端板的抗剪強度設計值。

N≤nπfv(d1+d2) [ts-(h1+h2)/2]/2=12×π×125×(12+20)×[24-(9.5+6)/2]/2=1 225kN，端板預應力筋錨孔抗剪強度大于樁身抗拉強度。

(3)樁頂與承臺的連接強度

樁頂與承臺的連接形式可分為不截樁樁頂與承臺連接、截樁樁頂與承臺連接以及接樁樁頂與承臺連接3種。對于承受較大上拔力的PHC樁，無論樁頂與承臺采用哪種連接方式，樁頂內均應設置托板，并放入鋼筋骨架，樁頂填芯采用微膨脹混凝土，填芯混凝土高度不小于3m。樁頂與承臺的連接節(jié)點所承受的上拔力，主要經由填芯混凝土與樁內壁的粘結力傳遞，根據(jù)國家建筑標準設計圖集[1]和福建省標準[2]，單樁豎向抗拔承載力設計值應符合下列公式：

Qct≤HUmfn

(10)

式中，H—填芯混凝土高度；

Um—PHC樁內孔圓周長度；

fn—填芯混凝土與樁內壁的粘結強度設計值，宜由現(xiàn)場實驗確定，當缺乏試驗資料時，對于C30的微膨脹混凝土，fn可取0.35MPa。

該工程填芯混凝土高度取3.5m，Qct≤HUmfn=3 500×π×250×0.35=962kN，則樁頂與承臺的連接強度大于樁身抗拉強度。

3.4單樁抗拔極限承載力

(1)根據(jù)行業(yè)標準《建筑樁基技術規(guī)范》JGJ 94—2008，抗拔樁應按下列公式同時驗算抗拔承載力[9]：

Nk≤Tgk/2+Ggp

(11)

Nk≤Tuk/2+Gp

(12)

式中，Tgk—群樁呈整體破壞時基樁的抗拔極限承載力標準值；

Tuk—群樁呈非整體破壞時基樁的抗拔極限承載力標準值；

Ggp—群樁基礎所包圍體積的樁土總自重除以總樁數(shù)；

Gp—基樁自重。

(2)對于設計等級為甲級和乙級的建筑樁基，基樁的抗拔極限承載力應通過現(xiàn)場單樁豎向抗拔靜載試驗確定。

若無當?shù)亟涷灂r，設計等級為丙級的建筑樁基，可按下列公式計算抗拔極限承載力：

Tuk=∑λiqsikuili

(13)

(14)

式中，λi—抗拔系數(shù)；

qsik—樁側表面第i層土的抗壓極限側阻力標準值；

ui—樁身周長；

li—樁周第i層土的厚度；

ul—樁群外圍周長。

該工程設計樁長為21.0m，查文獻[1]得，樁理論質量為383kg/m，Gp=383×21.0×10=80.4kN，Tuk=π×500×(0.75×60×2.34+0.55×80×4.90+0.72×60×10.00+0.65×80×3.76)=1 490kN，則Nk=356kN≤Tuk/2+Gp=1 490/2+80.4=825kN。

4　單樁豎向抗拔靜載試驗

該工程地基基礎設計等級為乙級，應根據(jù)單樁豎向抗拔靜載試驗確定抗拔極限承載力。根據(jù)《建筑基樁檢測技術規(guī)范》JGJ 106—2014，單樁豎向抗拔靜載試驗檢測數(shù)量不應少于同一條件下樁基分項工程總樁數(shù)的1%，且不應少于3根；當總樁數(shù)小于50根時，檢測數(shù)量不應少于2根[10]。

施工現(xiàn)場選取了3根樁進行單樁豎向抗拔靜載試驗，樁型PHC 500 AB 125-12，采用慢速維持荷載法，單樁最大試驗荷載為900kN，最大上拔量為3.16mm，單樁豎向抗拔靜載試驗結果見表3。

表3　單樁豎向抗拔靜載試驗結果

由此可見，該工程單樁豎向抗拔極限承載力不小于900kN，與上述分析計算結果較為吻合，該PHC樁能滿足抗拔承載力要求。

5　結論

該工程將預應力高強混凝土管樁用作抗拔樁，通過對其抗拔承載力分析和單樁豎向抗拔靜載試驗，可得到以下結論：

(1)在計算樁身抗拉強度時，對于設計等級為甲、乙級的PHC樁基礎以及當?shù)叵滤⒌鼗翆HC樁有腐蝕性時，應考慮樁身混凝土的有效預壓應力；而對于設計等級為丙級的PHC樁基礎，應考慮樁身混凝土的有效預壓應力和混凝土的抗拉應力。

(2)基于機械嚙合連接接頭具有諸多優(yōu)點，PHC樁用作抗拔樁時，應優(yōu)先采用機械嚙合連接接頭。

(3)樁端板上的預應力筋錨孔易產生沖切破壞，應選用加厚的端板。

(4)對于用作抗拔樁的PHC樁，應通過計算確定樁頂填芯混凝土的高度。

(5)PHC樁是一種良好的抗拔樁樁型。

[1]10G409 預應力混凝土管樁[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[2]DBJ13—86—2007 先張法預應力混凝土管樁基礎技術規(guī)程[S].福州：福建省建筑標準設計辦公室，2007.

[3]DBJ/T15—22—2008 錘擊式預應力混凝土管樁基礎技術規(guī)程[S].廣州：廣東省標標準化協(xié)會，2008.

[4]DBJ13—58—2004 預應力混凝土管樁機械快速連接接頭施工及驗收規(guī)程[S].福州：福建省建筑標準設計辦公室，2004.

[5]李宏偉.淺析預應力高強混凝土抗拔管樁的連接接頭方式[J].福建建筑，2013(3):100-102.

[6]DBJ15—63—2008 預應力混凝土管樁機械嚙合接頭技術規(guī)程[S].廣州：廣東省標標準化協(xié)會，2009.

[7]GB 13476-2009 先張法預應力混凝土管樁[S]. 北京：中國標準出版社，2009.

[8]陳岱杰，樊向陽，徐楓.上海地區(qū)PHC管樁作抗拔樁的探討[J].建筑結構，2008(4):8-10.

[9]JGJ 94-2008 建筑樁基技術規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[10]JGJ 106—2014 建筑基樁檢測技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

Analysis of Uplift Capacity of Pretensioned Spun High Strength Concrete Piles

YANGZhenzhong

(Xiamen City University, Xiamen 361008)

Combination of the practical project，influencing factors in uplift capacity of pretensioned spun high strength concrete piles were analysed，and determining methods of uplift capacity of PHC piles were studied，and some suggestions were provided for the application of uplift piles.

Pretensioned spun high strength concrete piles；Uplift piles；Uplift capacity

2014年福建省中青年教師教育科研項目 “預應力高強度混凝土管樁在建筑工程中的應用研究”(編號：JA14426)。

楊振仲(1980.01-)，男，講師。

E-mail:zhenzhong@xmcu.cn

2016-04-26

TU473.1+6

A

1004-6135(2016)07-0067-05