預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁承載性能研究現(xiàn)狀及前景

翟 蓮 洪 胤 劉東輝 錢永梅 金玉杰

吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院（130118）

0 引言

混凝土管樁是用混凝土制成的管狀產(chǎn)品，有非常強(qiáng)的承載力，主要在特定的地質(zhì)環(huán)境下作為建筑物的基礎(chǔ)，它有良好的抗裂和耐錘擊性能，且補(bǔ)救方式簡單，使用成本低，在實(shí)際施工階段不會產(chǎn)生過大的噪聲等優(yōu)勢，所以被廣泛應(yīng)用。隨著我國改革開放和現(xiàn)代化的飛速發(fā)展，市政，公路，鐵路等預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。在過去的30年中，管樁及其配套產(chǎn)品逐漸形成了新興的快速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。到目前為止，我國已成為世界上最大的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁生產(chǎn)國和應(yīng)用國。

1 國內(nèi)外PHC樁研究現(xiàn)狀

1.1 預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的概況

隨著近30多年的發(fā)展和進(jìn)步，混凝土管樁的原材料和生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)完全國產(chǎn)化，能夠自給自足，規(guī)格和型號也越來越多樣，形成了從國家標(biāo)準(zhǔn)、地方規(guī)程到設(shè)計(jì)圖集，再到施工等一系列完整的設(shè)計(jì)生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我國大多數(shù)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的生產(chǎn)都是運(yùn)用先張法預(yù)應(yīng)力技術(shù)，制管采用的是混凝土高速離心成型技術(shù)，使用高溫高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行其快速的養(yǎng)護(hù)。到目前為止，我國己經(jīng)成為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁應(yīng)用范圍最廣、產(chǎn)量最大的國家。當(dāng)下PC管樁和PHC管樁的應(yīng)用范圍比較廣，前者的混凝土等級為C60,后者的混凝土等級為C80。并且預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的產(chǎn)品規(guī)格十分齊全、應(yīng)有盡有，根據(jù)管樁樁身混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)可大概區(qū)分為A型、B型、AB型和C型管樁。

1.2 預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁在水平荷載作用下的研究

樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮豎向承載力的影響，而目前水平荷載作用下樁基礎(chǔ)的研究越來越受重視，我國學(xué)者對此有一些研究。洪濤[1]在分析研究國內(nèi)外樁土相互作用分析方法及研究狀況的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ANSYS軟件，主要對水平荷載作用下的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁樁與土相互作用下管樁的受力和變形特性進(jìn)行了研究和探討，經(jīng)過研究計(jì)算，得出主要結(jié)論如下:在對管樁進(jìn)行水平承載力設(shè)計(jì)時(shí)，樁頭處的設(shè)計(jì)尤其重要，加強(qiáng)樁頂與承臺的連接，可以有效的減少管樁的水平變位。在設(shè)計(jì)樁基時(shí)必須予以考慮，不能忽略，但是一些豎向荷載的影響可以忽視。 席文勇[2]等研究者對PHC管樁的水平承載能力進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)合FLAC3D分別建立上一樁身混凝上一鋼筋實(shí)體的各向異性管樁模型，在分析PHC管樁單樁水平承載工作性狀后得出結(jié)論:通過數(shù)值分析，可以實(shí)現(xiàn)頂管穿越過程的良好力學(xué)模擬。陳祥[3]等利用室內(nèi)試驗(yàn)，研究了水平受荷樁的承載內(nèi)力和變形特征。

1.3 預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的抗彎性能研究

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁普遍應(yīng)用于基礎(chǔ)工程，需要足夠的抗彎承載能力來抵抗其他效應(yīng)引起的地震或水平力。彎曲破壞是預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在地震中的主要破壞形式，國內(nèi)外研究人員對其承載性能和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了很多的研究。胡銳[4]對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗彎承載性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論推導(dǎo)，提出了PRC管樁抗彎承載力簡化計(jì)算公式，該公式非常實(shí)用，可運(yùn)用在實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)中。 王全[5]提出了一種全新的預(yù)制混凝土樁的設(shè)計(jì)方案，主要通過在管樁中心增加預(yù)應(yīng)力鋼筋，混凝土填充或者在表面增加碳纖維布等措施來提高管樁抗彎強(qiáng)度。劉俊偉[6]等人對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗彎性能進(jìn)行了一系列原型試驗(yàn)，所使用的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗彎性能比規(guī)范值好得多，在彎矩的作用下，在跨度中間約3m的范圍內(nèi)樁身裂縫均勻分布，樁在斷裂后仍具有較高的抗彎承載力。郭楊[7]等人通對復(fù)合鋼筋混凝土管樁（PRC）進(jìn)行了現(xiàn)場彎曲試驗(yàn)和數(shù)值分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)GFRP鋼筋和混凝土（C80）可以協(xié)同工作，并且GFRP鋼筋的成分也是如此。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的彎曲性能已大幅提高。其發(fā)現(xiàn)可以為復(fù)合增強(qiáng)（GFRP腱）預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。沈琳[8]等由試驗(yàn)和數(shù)值模擬測試兩種類型的管樁抗彎性能，得出以下結(jié)論:實(shí)際生產(chǎn)的PHC管樁的抗彎性能比標(biāo)準(zhǔn)值好很多，在彎矩作用下，管樁已達(dá)到極限狀態(tài)的跡象均為1.5mm寬的裂縫，表明管樁達(dá)到極限狀態(tài)后具有一定的承載力。在管樁抗彎承載力的有限元模擬中，人們對混凝土進(jìn)行了塑性損傷模擬，預(yù)應(yīng)力鋼筋的屈服與事實(shí)更加一致，這表明管樁已達(dá)到極限狀態(tài)。

1.4 預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的抗震研究

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁（PHC管樁）具有許多其他樁基所沒有的優(yōu)點(diǎn)。其已廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中，具有廣闊的市場前景。上層建筑的安全程度主要依賴于管樁的抗震性能情況，但是，在我國關(guān)于管樁的抗震性能的研究很少，因此，有必要對地震作用下的應(yīng)力狀態(tài)，管樁及變形能力進(jìn)行分析研究。我國一些學(xué)者對PHC管樁的抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。李義凡[9]提出了補(bǔ)救措施。與其他補(bǔ)救措施相比，可以不添加預(yù)應(yīng)力筋，并且可以在PHC管樁中加入鋼纖維?？梢杂行У靥岣吖軜兜某休d力和變形能力，并且滯后性能也得到較大改善，延展性能和力消耗也得到提高，向PHC管樁中添加非預(yù)應(yīng)力筋且摻入鋼纖維是提高管樁抗震性能的措施之一。張季超[10]等提出PHC管樁處于地震作用狀態(tài)下，其最大樁身彎矩包絡(luò)值呈現(xiàn)先增加后減小的發(fā)展態(tài)勢，另外，其最大彎矩值出現(xiàn)在大約5倍樁徑的位置而且集中出現(xiàn)在3~8倍樁徑位置處的都為PHC管樁較大的彎矩值。對PHC管樁采用合適數(shù)量的填芯混凝土進(jìn)行加強(qiáng)處理，使其抗震性能可以得到一定的提高。王詩朦[11]整理了高性能混凝土的研究現(xiàn)狀和預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁在豎向荷載作用下的水平承載力研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，將ABAQUS用于有限元分析，并確定了現(xiàn)有的理論。利用混凝土和鋼筋的材料模型建立了預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁的三維有限元模型。結(jié)論:PHC管樁的水平承載力隨著豎向壓力的增加而減小，減小的幅度繼續(xù)增大。PHC失效時(shí)PHC樁的變形能力和延展性持續(xù)下降。當(dāng)PHC樁承受往復(fù)的水平載荷時(shí)，其剛度會降低，其性能會降低，并且其延展性也會降低，這會在樁頭附近發(fā)生。預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的水平變形能力隨豎向壓力的增加而減小。

1.5 預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的抗剪性能研究

長期以來，國內(nèi)外對管樁的研究主要集中在管樁的抗震性能和樁土的影響上，對管樁的抗剪承載力研究很少。但是，在實(shí)際工程中，除了允許樁基礎(chǔ)承受垂直載荷的上部結(jié)構(gòu)，液化土層的側(cè)向流動，軟土層和硬土層的聯(lián)合剛度差異以及其他不利因素外，樁基還必須能夠承受地震。如果變形較大且剪切力超過管樁的抗剪強(qiáng)度，則可能會發(fā)生工程事故，因此對PHC管樁的抗剪性能的研究具有重大意義。為此我國研究人員對預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的抗剪性能展開研究。楊志堅(jiān)[12]等人使用ABAQUS軟件建立了預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁的有限元模型并分析了抗剪強(qiáng)度，得出結(jié)論:在PHC管樁中增配普通鋼筋對于提高管樁的抗剪承載力具有明顯影響；提高混凝土強(qiáng)度和預(yù)應(yīng)力筋配筋率都可以提高管樁的抗剪承載力，但前者對其影響相對較小；構(gòu)件的極限抗剪承載力與軸壓比成正比例函數(shù)。杜新喜[13]等人開展多組預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗剪性能試驗(yàn)，研究數(shù)據(jù)表明，在PHC管樁中加入非預(yù)應(yīng)力鋼筋可以提高管樁的抗剪承載力和抗剪剛度，軸向壓力也對管樁的抗剪承載力有顯著的提高[14-16]。

2 評述與展望

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁以其經(jīng)濟(jì)效益好、施工工期短、工程造價(jià)低、施工現(xiàn)場文明環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)在基礎(chǔ)工程中得到推廣應(yīng)用。目前，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的主要設(shè)計(jì)目的是滿足立式軸承的要求，將其用于水平承載樁需要對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的受力特性、配筋方式、接頭性能、截面特性等方面開展理論及試驗(yàn)研究，提高預(yù)應(yīng)力管樁的抗彎抗剪性能，這對全面推廣預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在基坑工程等領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[17-18]。隨著我國預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的應(yīng)用越來越普遍，新的樁型就應(yīng)運(yùn)而生，這些新樁型具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和廣泛的適用范圍。新樁型離不開新材料，因?yàn)槌?xì)礦物摻合料顆粒細(xì)小，比表面積大，與減水劑雙摻使用，能夠有效減少單位體積混凝土用水量，減少水泥用量，增加混凝土漿體和易性，提高混凝土的工作性能。免蒸壓法混凝土管樁生產(chǎn)工藝用蒸汽養(yǎng)護(hù)一自然養(yǎng)護(hù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蒸汽養(yǎng)護(hù)一蒸壓養(yǎng)護(hù)，能夠有效節(jié)約資源，降低生產(chǎn)成本[19]。引孔靜壓法、靜鉆根植法、中掘法等新的施工方法與傳統(tǒng)的施工相比，具有污染小、施工快、適用范圍廣、對管樁承載力影響小、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的推廣價(jià)值。