偏斜預(yù)應(yīng)力混凝土管樁承載能力分析及合理利用研究

詹旺林，劉翔，周將

（江西省九江市水利電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西九江 332000）

0 引言

由于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁可以工廠化制作，并具有樁體強(qiáng)度高、施工速度快的顯著優(yōu)點(diǎn)，特別是采用靜壓法施工時(shí)，送樁深度大，施工場地適應(yīng)能力強(qiáng)，因此在工程建設(shè)中應(yīng)用廣泛[1]。 但是在施工過程中，往往因?yàn)橹苓叚h(huán)境復(fù)雜、打樁順序不合理、基坑開挖不當(dāng)?shù)雀鞣N原因，導(dǎo)致樁身出現(xiàn)移位、偏斜等質(zhì)量問題，使管樁的承載能力降低，影響建筑結(jié)構(gòu)的安全?！额A(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJT 406—2017）規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的垂直度偏差不應(yīng)大于1%[2]。 對于偏斜率大于1%的管樁，規(guī)范未明確其如何使用。 在實(shí)際工程應(yīng)用中，對于偏斜率大于1%的樁，一般采用糾偏措施，或?qū)⑵睒洞蛘墼倮肹3]，折扣率大多是從樁體抗壓性能的降低等方面考慮，對樁體偏斜造成樁體承受彎矩和剪力的作用問題，更多采用定性分析，大多未進(jìn)行定量研究。 本文通過對偏斜樁的受力分析，提出了兩種偏斜模型，根據(jù)這兩種模型，分別對偏斜樁進(jìn)行抗壓、抗彎和抗剪驗(yàn)算，可得出定量的彎矩和剪力，為偏壓樁的合理利用提供了理論依據(jù)。

1 概述

1.1 工程概況

某澇區(qū)排澇泵站安裝6 臺(tái)800kW 軸流泵，總裝機(jī)4800kW。 泵房距離下游堤腳30m，為濕式進(jìn)水方式，采用直徑1.4m 穿堤壓力鋼管將水排至外江。

1.2 地質(zhì)情況

場地地層巖性自上至下依次為：

（1） 堤身填土（rQ）：場地普遍分布，以粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)壤土為主，局部夾植物根系及碎石。厚度1.5～11.2m，層底高程6.70～12.20m。該層填筑質(zhì)量一般，土質(zhì)較好，野外注水試驗(yàn)滲透系數(shù)為1.0E-05，具弱透水性；

（2） 粉質(zhì)黏土（al+lQ4）：主要分布于堤基或堤內(nèi)，黃褐色，軟～可塑狀，無搖振反應(yīng)，韌性中等，干強(qiáng)度一般，濕，層厚2.6～3.8m，層底高程4.60～10.60m。 該層具有中等壓縮性，承載力一般，野外注水試驗(yàn)滲透系數(shù)為1.0E-05，具弱透水性；

（3） 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（al+lQ4）：普遍分布，灰黑色，軟塑，含腐殖質(zhì)，局部間夾薄層粉砂，具輕微臭味，局部為揭穿，揭露最大層厚27.80m。 該層具高壓縮性，厚度大，承載力低，野外注水試驗(yàn)滲透系數(shù)為1.0×10-5cm/s，具弱透水性；

（4） 中粗砂（alQ4）：分布于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土之下，灰褐色～黃褐色，飽和，以中粗砂為主，夾雜細(xì)砂、砂礫石，級配較好，揭露層厚2.2～8.5m，層頂高程-18.19～-14.79m。 該層承載力高，厚度大，為適宜的樁基持力層；

（5） 砂巖（Z2）：僅ZK11 孔揭露，灰褐色，全風(fēng)化，呈碎石土狀，揭露層厚1.2m。

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，泵站基礎(chǔ)處于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，含水量為30.66%， 天然容重1.90g/cm3， 飽和容重1.92g/cm3， 干容重1.45g/cm3， 孔 隙 比0.87， 比 重2.71， 液 性 指 數(shù)0.75， 凝 聚 力15.68kPa，摩擦角10.64°，地質(zhì)綜合建議滲透系數(shù)：K=5.27×10-4cm/s，承載力標(biāo)準(zhǔn)值建議值為90kPa[4]。

1.3 樁基設(shè)計(jì)

由于地基承載力不滿足要求，設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力管樁對泵站基礎(chǔ)進(jìn)行處理，管樁型號PHC-400-AB-95，由專業(yè)混凝土預(yù)制廠按定型產(chǎn)品預(yù)制，管樁施工采用靜壓法沉樁，樁長26m，樁底深入中粗砂層不小于1.0m，樁體中心縱、橫向間距1.7m[5]。

2 出現(xiàn)樁體偏斜的原因及處理方案

2.1 存在問題

設(shè)計(jì)樁頂高程10.0m，打樁平臺(tái)高程12.0m，送樁深度2.0m。打樁完成，上層土體開挖后，發(fā)現(xiàn)最外面兩排樁出現(xiàn)不同程度的偏斜，偏斜樁共20 根，占總數(shù)的8.9%，其中，偏斜率超過1%的占總數(shù)的4.0%。 第163 號樁偏斜率最大，為1.75%。 根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJT 406—2017）， 預(yù)應(yīng)力管樁的垂直度偏差不應(yīng)大于1%。 因此，必須對偏斜樁進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)核，以確定偏斜樁的利用方式或加固處理方案。

2.2 原因分析

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查分析，認(rèn)為出現(xiàn)樁體偏斜的原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1） 由于泵房位于堤腳，為了避免錘擊打樁時(shí)震動(dòng)對堤防安全產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)采用靜力壓樁。 由于壓樁機(jī)自重大，施工時(shí)場地土體變形大，易造成管樁傾斜；

（2） 基礎(chǔ)前后的土體密實(shí)度不一樣。 由于泵房位于堤腳，泵房臨堤側(cè)土體在堤身重力的作用下，土體密實(shí)，壓縮模量較大，而臨水側(cè)為原狀淤泥質(zhì)土，相對堤基土體壓縮模量較小。 因此，當(dāng)樁體壓入土體時(shí)，臨水側(cè)的擠土效應(yīng)更加明顯；

（3） 飽和淤泥質(zhì)黏土含水量高、飽和度大、抗剪強(qiáng)度較低，管樁施工過程中土體應(yīng)力增加，超靜孔隙水壓力升高。 基礎(chǔ)開挖時(shí)，土體應(yīng)力和超靜孔隙水壓力瞬時(shí)釋放，易導(dǎo)致管樁傾斜[6]；

（4） 對于較密集的樁群，宜從中間向兩側(cè)對稱施工，而本次施工采用由一側(cè)向單一方向逐排施工的方式。 先期打入的樁體受后期樁體擠土效應(yīng)的影響，易發(fā)生樁體偏斜。

2.3 常規(guī)加固處理方案

對于偏斜率大于規(guī)范值的管樁，一般可采用以下幾種方法進(jìn)行加固處理：

（1） 糾偏法。 糾偏的目的是使斜樁變直、傾斜度變小，使豎向荷載順利傳遞。 該方法費(fèi)用低、安全可靠，極限承載力可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 缺點(diǎn)是土體應(yīng)力釋放，對原樁的側(cè)阻力有一定的影響；

（2） 補(bǔ)樁法。 補(bǔ)鉆孔灌注樁，因?yàn)殂@孔灌注樁樁機(jī)輕，適應(yīng)在軟土上作業(yè)。 但該方法成本高，原來的斜樁成了地下障礙物，補(bǔ)樁樁位難以確定，鉆孔易發(fā)生縮徑，土體應(yīng)力釋放深度大，對原樁的側(cè)摩阻力也有一定影響[6]。

3 偏斜樁結(jié)構(gòu)復(fù)核

對偏斜樁進(jìn)行小應(yīng)變檢測， 結(jié)果顯示樁體完整， 未出現(xiàn)斷裂、裂縫等結(jié)構(gòu)性損傷。 對偏斜最大的第163 號樁進(jìn)行靜載實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，單樁承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

但是由于樁體發(fā)生偏斜后，除了受樁頂設(shè)計(jì)豎向荷載、樁底反力、樁周摩阻力影響外，還承受垂直于樁身的側(cè)向土壓力。 為了驗(yàn)算管樁在側(cè)向土壓力作用下的安全性，還必須對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核。 本次選取偏斜率最大的第163 號樁進(jìn)行計(jì)算：樁長26m，樁底深入砂層1.0m， 樁頂偏位0.46m， 偏斜率1.75%， 豎向設(shè)計(jì)荷載480kN。

3.1 受力模型分析

當(dāng)樁體垂直時(shí)， 樁底端承力N 及樁周摩阻力R 之和與樁頂受到的豎向荷載P 大小相等，方向相反，即P=N+R，樁體處于平衡狀態(tài)。 管樁受力情況見圖1。

圖1 垂直樁受力模型

當(dāng)樁體發(fā)生偏斜時(shí)，樁頂豎向荷載P 對樁底產(chǎn)生力矩M1=P·X，根據(jù)力和力矩平衡分析，土體必然對樁體產(chǎn)生側(cè)向壓力，且側(cè)向壓力對樁底的力矩M2與M1大小相等、方向相反。 此時(shí)的樁體側(cè)向受力可能會(huì)出現(xiàn)兩種情況：

模型1：管樁繞O1點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)變形，樁底砂層提供的被動(dòng)土壓力F2與上層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土提供的被動(dòng)土壓力F1大小相等、方向相反。 管樁受力情況見圖2。

模型2：管樁偏斜進(jìn)一步發(fā)展，樁底砂層在水平反力F2的作用下發(fā)生剪切破壞，管樁繼續(xù)繞O2發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)變形。 此時(shí)，O2點(diǎn)上下段分別受到被動(dòng)土壓力F3和F4的作用，F(xiàn)3和F4大小相等、方向相反。 管樁受力情況見圖3。

土壓力是土體受到壓縮變形而形成的，壓縮量和土體所受應(yīng)力的關(guān)系見下式[7]：

式中：S——壓縮變形量 （mm）；ms——沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；σzi——附加應(yīng)力（MPa）；Esi——壓縮模量（MPa）；hi——壓縮層厚度（mm）。

由公式（1）可知，土壓力的大小和壓縮變形量成正比。 因此，兩種模型的受力分析情況分別見圖2、圖3。

圖2 偏斜樁受力模型1

圖3 偏斜樁受力模型2

3.2 樁體受力狀態(tài)的判別

首先， 假定樁底持力層在F2的水平反力作用下未發(fā)生剪切破壞，此時(shí)管樁的受力分析見圖2，由力矩平衡可得下列關(guān)系式：

式中：P——樁頂設(shè)計(jì)荷載 （kN）；X——樁頂偏位距離（m）；S——F1至轉(zhuǎn)動(dòng)中心O1的距離 （m）；q1——樁頂受到的土壓力（kN/m）；l——樁體長度（m）。

根據(jù)力矩平衡原理M1=M2，綜合（2）式和（3）式，可計(jì)算得出q1=0.98（kN/m）。

又根據(jù)樁體水平方向力的平衡，可得關(guān)系式F1=F2。

由于樁體深入砂層1.0m，因此樁體受到土體的側(cè)向應(yīng)力為：

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告， 樁基持力砂層的允許承載力為200kPa，大于樁底給予它的壓應(yīng)力，因此，樁底砂層土體未產(chǎn)生剪切破壞，樁體傾斜變形維持在模型1 階段。

3.3 樁體抗壓復(fù)核

由于樁體發(fā)生偏斜，垂直向下的豎向荷載P 分解為沿管樁軸線的力P1和水平方向 的 力P2。 管 樁最大偏斜1.75%，其 偏 斜 角 α =1.0°，受力分析見圖4。

圖4 偏斜樁軸向受力分析

由圖4 可知，管樁傾斜后，軸向力P1=P/cosα=480/cos1°=481（kN），由計(jì)算可知，樁體傾斜對樁體的軸向受壓影響不大。

3.4 樁體抗彎復(fù)核

泵站底板長39.4m、 寬13.0m、 厚1.0m。 樁頂嵌入泵站底板25cm，泵站底板的剛度相對于單根管樁來說足夠大，因此樁頂按剛接考慮。 樁底深入砂層1.0m，砂層對樁底的約束按鉸接考慮。

對一端簡支、一端固定的桿件進(jìn)行彎矩計(jì)算，計(jì)算簡圖見圖5。

圖5 受力簡圖

計(jì)算得到樁體最大正彎矩19.8kN·m， 發(fā)生在距樁頂14.4m處， 最大負(fù)彎矩44.2kN·m， 發(fā)生在樁頂剛接點(diǎn)處。 最大剪力10.2kN，也發(fā)生在樁頂剛接點(diǎn)處。 樁體彎矩圖見圖6。

圖6 彎矩圖

預(yù)應(yīng)力管樁的型號為PHC-400-AB-95， 抗裂彎矩檢驗(yàn)值為63kN·m，極限彎矩檢驗(yàn)值為104kN·m，均大于樁體所受彎矩。 因此，樁體的抗裂、抗彎滿足要求。

3.5 樁體抗剪復(fù)核

樁體的抗剪強(qiáng)度采用文獻(xiàn)[8]推薦的公式進(jìn)行計(jì)算。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在水平荷載作用下發(fā)生剪切破壞時(shí)，其剪力一部分由混凝土承擔(dān)，另一部分由箍筋承擔(dān)。

其中：

V——環(huán)形截面抗剪承載力；fc——混凝土抗壓強(qiáng)度；σ——環(huán)形截面的壁厚；h0——當(dāng)量有效高度；fyv——箍筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Asv——配置在同一截面內(nèi)箍筋各肢的全部截面面積；s——沿構(gòu)件長度方向的箍筋間距；sinα——螺旋斜向環(huán)箍與梁軸交角的正弦；r——圓形截面半徑；rs——縱向鋼筋所在的圓周半徑。

把相應(yīng)的管樁參數(shù)代入公式可得：樁體環(huán)形截面抗剪承載力V=155kN，大于管樁承受的最大剪力10.2kN。因此，樁體的抗剪強(qiáng)度滿足要求。

4 處理措施及效果

對163 號樁的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，樁體偏斜后，其軸向壓力增加不多，但是承擔(dān)了一定的彎矩和剪力作用，偏斜樁主要受其抗彎和抗剪性能的影響。 計(jì)算結(jié)果顯示， 偏斜率最大的163號樁，其抗壓、抗彎、抗剪均滿足要求。

工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g， 可不考慮地震荷載的影響。 樁頭整體與泵站底板剛接，樁體在正常情況下，不承擔(dān)其他水平荷載。 由于水利工程施工受季節(jié)的影響較大，因此為了加快施工進(jìn)度，節(jié)省工程投資，在對樁體進(jìn)行現(xiàn)場檢測及充分的理論計(jì)算前提下，認(rèn)為可不對偏斜樁采取糾偏、補(bǔ)樁等加固措施。

為了監(jiān)測泵站的位移和沉降情況，在泵房的4 個(gè)角點(diǎn)設(shè)置了監(jiān)測點(diǎn)。 泵站投入運(yùn)行2 年來，泵房運(yùn)行穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)沉降、位移等變形情況，說明樁基運(yùn)行正常，未發(fā)生進(jìn)一步變形和結(jié)構(gòu)破壞。

5 結(jié)語

根據(jù)計(jì)算分析可知，當(dāng)預(yù)應(yīng)力管樁發(fā)生偏斜時(shí)，樁體的軸向壓力增加不大，但抗裂、抗彎、抗剪成為影響樁體結(jié)構(gòu)安全的重要因素。 因此，為了避免樁體出現(xiàn)偏斜造成廢樁，在軟弱層較厚、地質(zhì)條件較復(fù)雜的場地， 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁設(shè)計(jì)應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗟豙9]，宜選用截面慣性矩大、抗彎強(qiáng)度高的樁。 另外，在樁基設(shè)計(jì)及偏斜樁利用時(shí)，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1） 樁底盡量壓入持力層一定深度，當(dāng)出現(xiàn)施工不當(dāng)造成樁體偏斜時(shí)，一定深度持力層的約束能有效限制樁體偏斜的發(fā)展；

（2） 受地震荷載作用或樁體承擔(dān)水平荷載的工程項(xiàng)目，應(yīng)嚴(yán)格控制偏斜樁的使用；

（3） 設(shè)置適當(dāng)長度的填芯鋼筋混凝土，可提高預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗剪能力，同時(shí)加強(qiáng)管樁與承臺(tái)的連接，確保連接有效[9]；

（4） 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁原則上不適合作為高層建筑的基礎(chǔ)處理樁型[10]；

（5） 在建筑物正常使用過程中，建議定期對建筑物進(jìn)行必要的沉降及位移監(jiān)測。