樁身側(cè)肢數(shù)量對側(cè)嵌式管樁豎向及水平承載力的影響

劉東輝 洪 胤 王 偉 翟 蓮 謝新穎 田 偉

吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院（130118）

0 引言

管樁作為一種樁基礎(chǔ)及一種地基處理形式從20世紀(jì)初產(chǎn)生至今已經(jīng)得到了進(jìn)一步發(fā)展，被廣泛地應(yīng)用在大量建筑基礎(chǔ)之中，發(fā)揮著極大的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益[1]。其中應(yīng)用較多的一種樁型被稱為高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PHC樁），其是預(yù)應(yīng)力技術(shù)與離心制管技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物[2]。但在設(shè)計過程中，傳統(tǒng)管樁為了達(dá)到承載力要求，通常樁身較長、樁徑較大，以至于混凝土用量大、經(jīng)濟(jì)成本較高。通過研究得到，當(dāng)樁長或樁徑增大到一定程度后對單樁極限承載力的提高效果不再顯著。文章研究的側(cè)嵌式管樁是在PHC樁的基礎(chǔ)上，采用特殊的預(yù)制加工和預(yù)制短肢張壓技術(shù)而成的異型管樁形式，旨在通過側(cè)嵌預(yù)制短肢的副端承作用提高單樁承載力，達(dá)到一定的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效果。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁簡介

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁是一種運(yùn)用先張法預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉技術(shù)，經(jīng)過離心成型、蒸壓養(yǎng)護(hù)等預(yù)制工藝而制成的一種管狀預(yù)應(yīng)力鋼筋混土預(yù)制樁，主要由管狀鋼筋混凝土樁身、端板和鋼套箍等組成。在樁基施工中，采用靜壓或錘擊方法將其沉入設(shè)計地基土層而成為建筑物樁基礎(chǔ)。

1.1 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁按樁身混凝土強(qiáng)度等級分類

由于樁身混凝土強(qiáng)度等級的不同，可以將管樁分為三類:樁身混凝土強(qiáng)度等級不低于C60級被稱為PC樁(預(yù)應(yīng)力混凝土管樁)；PTC樁，即預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁管樁，樁身混凝土強(qiáng)度等級不低于C60級；樁身混凝土強(qiáng)度等級不低于C80級被稱作PHC樁（預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁）。

1.2 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的優(yōu)點

1）單樁承載力高。PC樁、PHC樁的樁身混凝土強(qiáng)度分別達(dá)到60MPa、80MPa以上，能夠沉入密實的砂層及強(qiáng)風(fēng)化層，將其強(qiáng)烈擠壓后可提高樁端承載力80%～100%，所以相同直徑的管樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值比沉管灌注樁或鉆孔灌注樁的標(biāo)準(zhǔn)值都高。

2）抗彎、抗剪、抗裂性能良好。由于樁身混凝土存在預(yù)壓應(yīng)力，故樁體具有極好的抗剪、抗彎、抗裂性能。

3）單位承載力造價便宜。雖然管樁每米造價高于沉管灌注樁，但單樁承載力高，且使用的混凝土比實心樁節(jié)省30%～60%，所以綜合比較其單位承載力造價低于沉管灌注樁。一般情況下，在各種樁型中預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的單位承載力造價相對較低。

4）規(guī)格齊全，可供選用范圍大。由于管樁直徑、樁長、混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力、單樁承載力具備不同規(guī)格，可設(shè)計選用空間大[3-4]。

1.3 我國管樁的發(fā)展趨勢及行業(yè)需求

目前，我國管樁產(chǎn)品擁有較完整的國家標(biāo)準(zhǔn)體系，擁有國家規(guī)范《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》（GB 13476—2009）[5]、國家圖集《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》(10G409）[6]、《混凝土制品用低碳冷拔鋼絲》（JC/T 540-2006）[7]、《預(yù) 應(yīng) 力 混 凝 土 用 鋼 棒》（GB/T 5223.3—2005）[8]、《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁鋼?！罚↗C/T605—2005）[9]、《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁用端板》（JC/T947—2005）10]、《預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁用硅砂粉》（JC/T950—2005）[11]等。如廣東、福建、湖北、浙江、江蘇、天津等各省市地區(qū)也編制了適合區(qū)域地質(zhì)條件的地方規(guī)程和相關(guān)圖集[12-17]，按不同的設(shè)計要求對管樁類型及其相關(guān)技術(shù)特性指標(biāo)加以選擇，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展，PHC樁被大量應(yīng)用在工業(yè)與民用建筑、公路鐵路等工程建設(shè)領(lǐng)域。

2 模型試驗方案設(shè)計

2.1 試驗內(nèi)容

1）對普通管樁模型樁與側(cè)嵌式管樁模型樁的承載力和沉降變形進(jìn)行對比試驗。

2）對不同預(yù)制短肢數(shù)量的側(cè)嵌式管樁模型樁的承載力和沉降變形進(jìn)行對比試驗。

3）模型樁樁頂沉降變形、樁身軸力、樁身側(cè)摩阻力隨施加荷載的變化規(guī)律。

2.2 數(shù)據(jù)處理

本模型試驗的數(shù)據(jù)處理工作主要是利用測得樁身應(yīng)變數(shù)據(jù)，計算出模型樁樁身軸力，進(jìn)而求出模型樁側(cè)摩阻力，并據(jù)此繪制軸力及側(cè)摩阻力沿樁身分布的相應(yīng)曲線。

2.3 小結(jié)

本章在充分利用已有試驗條件并對試驗方案及過程進(jìn)行精心設(shè)計基礎(chǔ)上，開展了普通管樁與不同側(cè)肢布設(shè)方式的側(cè)嵌式管樁的室內(nèi)模型試驗研究，對側(cè)嵌式管樁的承載與變形性能進(jìn)行了定性分析，對比分析了側(cè)嵌式管樁與普通管樁在承載機(jī)理上的異同，以及不同側(cè)肢數(shù)量對側(cè)嵌式管樁承載與變形性能的影響，得出一些有益結(jié)論，對比分析側(cè)嵌式管樁模型樁與普通管樁模型樁的樁頂沉降量與承載力數(shù)據(jù)得出，側(cè)嵌式管樁模型樁承載力均有明顯提高，但因側(cè)肢數(shù)量的影響在提高程度上有所差異。值得注意的是，樁周基土填裝狀態(tài)與環(huán)刀取土試驗所得土性數(shù)據(jù)存在一定差異，對模型樁承載性能產(chǎn)生了一定影響。

3 側(cè)肢數(shù)量對側(cè)嵌式管樁豎向承載性狀的影響

通過試驗結(jié)果表明，側(cè)嵌短肢數(shù)量越多，樁頂沉降量越??；比較側(cè)肢均設(shè)置在樁身下部的3層側(cè)嵌式管樁和5層側(cè)嵌短肢管樁，5層側(cè)嵌短肢管樁即在3層側(cè)嵌式管樁的每兩層側(cè)肢之間旋轉(zhuǎn)45°錯層增設(shè)一層側(cè)肢，形成間距為1000mm的5層側(cè)嵌短肢管樁，后者較前者的樁頂沉降量減小了35.81%；同理得到10層側(cè)嵌短肢管樁，而10側(cè)嵌短肢管樁與5層側(cè)嵌短肢管樁相比，樁頂沉降量約減小了27.14%。顯然，在側(cè)肢層間距允許的情況下，在樁身下部密布側(cè)肢更有助于提高側(cè)嵌式管樁豎向承載力，實現(xiàn)更好經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

隨著建筑結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)要求的不斷提高和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁以其承載力高、適應(yīng)性強(qiáng)、成樁可靠、節(jié)省用料、施工方便等眾多優(yōu)點成為許多建（構(gòu)）筑物樁基礎(chǔ)首選樁型。但在工程實踐中，為滿足高層、超高層建筑物及其它重要工程對樁基的要求通常需要增大樁長和樁徑，以至于混凝土用量大、經(jīng)濟(jì)成本較高。而且研究表明，當(dāng)樁長和樁徑增大到一度程度后，樁的側(cè)摩阻力與樁端阻力很難進(jìn)一步得到充分發(fā)揮，單樁極限承載力的提高與樁徑和樁長的增加不成正比例關(guān)系，因而單純通過增大樁長和樁徑的方式以追求提高單樁極限承載力是不經(jīng)濟(jì)的。

為此，科研工作者和工程技術(shù)人員對新型管樁型式開展了大量卓有成效的研究，力求通過改進(jìn)樁型及施工工藝增加樁身比表面積或改善樁土工作性狀，以達(dá)到提升管樁承載力的目的。文章所研究的側(cè)嵌式管樁便是在PHC樁的基礎(chǔ)上，采用特殊的預(yù)制加工和預(yù)制短肢張壓技術(shù)而成的異型管樁形式—側(cè)嵌式管樁，旨在通過側(cè)嵌預(yù)制短肢的副端承作用提高單樁承載力，達(dá)到一定的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效果。

4.2 展望

文章對側(cè)嵌式管樁單樁豎向及水平承載性狀的影響因素開展了系統(tǒng)的研究工作，得出了許多實用的結(jié)論。由于時間、研究條件限制及在此過程中對所研究問題認(rèn)識的逐漸加深，對側(cè)嵌式管樁這種新的樁基形式，尚需在以下幾個方面進(jìn)行深入研究，以便更好實現(xiàn)其技術(shù)與經(jīng)濟(jì)價值。①對側(cè)嵌式管樁群樁承載性狀的研究，分析群樁之間相互影響的問題；②側(cè)嵌式管樁極限承載力及側(cè)肢的極限承載力深入研究；③進(jìn)行室外足尺靜載試驗研究；④研究中進(jìn)一步考慮實際土層情況、擠土效應(yīng)及施工因素影響；⑤對側(cè)嵌式管樁作用機(jī)理的深入研究；⑥側(cè)肢張壓設(shè)備的完善研發(fā)。

5 結(jié)語[18-19]

文章的創(chuàng)新點在于試驗的可視性，進(jìn)而更直觀的觀測試驗過程中土體的破壞狀態(tài)[18-19]。實現(xiàn)和完善了小模型半面樁模型試驗方法，對錢永梅教授的多功能試驗臺進(jìn)行改良，來實現(xiàn)水平力的施加，通過研究可以得出，側(cè)枝數(shù)量是側(cè)嵌式管樁設(shè)計時考慮的一個重要參數(shù)，要綜合考慮承載能力，沉降控制，造價最低，節(jié)約材料等方面的考慮，在選擇利用較好土層，恰當(dāng)?shù)膫?cè)枝數(shù)量的情況下，合理設(shè)置側(cè)枝數(shù)量來有效的提高水平承載力為其在實際工程中應(yīng)用提供了可靠的理論依據(jù)。