內(nèi)置預(yù)應(yīng)力樁芯的組合抗拔樁研究

祝文畏，楊學(xué)林，戚慶陽，周豪毅，杜尚成

（浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006）

近年來，城市建筑場地日益減少，人類對地下空間的需求越來越大。隨著基礎(chǔ)埋深的不斷增長，建筑物所受的浮力也不斷加大?？拱螛蹲鳛榛A(chǔ)抗拔的主要形式，合理地解決了這一問題，逐漸成為現(xiàn)代建筑工程中不可或缺的角色。

目前，抗拔樁的施工工藝以傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁居多。當(dāng)鉆孔灌注樁作為抗拔樁來使用時(shí)，樁身配筋往往由裂縫控制，經(jīng)濟(jì)性較差。融入現(xiàn)場預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以有效控制抗拔樁樁身裂縫，但在地下工程中施加預(yù)應(yīng)力難度大，導(dǎo)致現(xiàn)場施工周期長、質(zhì)量難以保證。

本文提出了一種內(nèi)置預(yù)應(yīng)力樁芯的組合抗拔樁（下文簡稱組合抗拔樁）并依托于實(shí)例對其受力性能進(jìn)行了研究，然后結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，為該種抗拔樁的工程應(yīng)用提供建議。

1 組合抗拔樁應(yīng)用的可行性分析

組合抗拔樁由預(yù)制預(yù)應(yīng)力樁芯和和現(xiàn)澆混凝土組成，其示意圖見圖1。樁芯側(cè)壁預(yù)埋一個(gè)套筒，用于二次注漿，提高樁芯與現(xiàn)澆混凝土樁身的粘結(jié)性能［1］。

圖1 組合抗拔樁示意

本樁型適用于直徑200～350 mm的鉆孔灌注抗拔樁，其施工工藝如下：

1）工廠中用先張法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土樁芯預(yù)制；

2）施工現(xiàn)場鉆機(jī)成孔；

3）清孔反渣，下放預(yù)制樁芯；

4）灌注錨固漿體；

5）進(jìn)行二次注漿；

6）預(yù)留伸入底板或基礎(chǔ)的錨頭，完成抗拔樁施工。

由于預(yù)應(yīng)力技術(shù)及工業(yè)化預(yù)制的加入，本樁型相對于普通鋼筋混凝土抗拔樁和現(xiàn)場施工的預(yù)應(yīng)力抗拔樁均有較大的優(yōu)勢：

1）普通鋼筋混凝土抗拔樁，其配筋往往由抗裂性能控制，相對于樁身抗拔承載力通常有很大富余。即便犧牲經(jīng)濟(jì)性，采用加大配筋的方法來控制裂縫，依舊無法完全保證其耐久性。在地下水位起伏，干濕交替環(huán)境的長久作用下，細(xì)微的裂縫也可能不斷擴(kuò)大。本樁型采用先張法預(yù)應(yīng)力工藝，對樁芯預(yù)加壓力，從而有效控制了樁身裂縫的產(chǎn)生，提高了抗拔樁的耐久性。

2）現(xiàn)場施工的預(yù)應(yīng)力抗拔樁，現(xiàn)場施工工藝較為繁瑣，對施工質(zhì)量要求較高，對工期影響很大。本樁型采用工業(yè)化先張法預(yù)制工藝，既能保證預(yù)應(yīng)力樁芯質(zhì)量，又能大大縮短現(xiàn)場施工的周期，進(jìn)而降低整體成本。

2 組合抗拔樁的受力分析

組合抗拔樁的樁芯直徑小而預(yù)壓應(yīng)力大，這導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋回縮時(shí)的彈性變形損失偏大，樁身可能會(huì)因?yàn)闃缎绢A(yù)壓應(yīng)力不足而產(chǎn)生裂縫。本節(jié)結(jié)合計(jì)算實(shí)例對組合抗拔樁的預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行了分析并提出了相應(yīng)減小預(yù)應(yīng)力損失的措施。

2.1 預(yù)應(yīng)力損失分析

引起應(yīng)力損失的主要原因有：張拉端錨具的變形，混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)溫差的影響，以及預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力松弛和混凝土的收縮與徐變。上述預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算公式見表1［2］。

表1 預(yù)應(yīng)力損失分析

2.2 計(jì)算實(shí)例

本節(jié)基于2.1節(jié)的計(jì)算公式，對某15 m組合抗拔樁進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力損失分析，計(jì)算結(jié)果見表2。其中，混凝土的強(qiáng)度等級為C60，樁芯的直徑為300 mm；預(yù)應(yīng)力筋的直徑為12.6 mm，數(shù)量為5根，張拉控制應(yīng)力為994 MPa。

由表2可知：

表2 某15 m組合抗拔樁預(yù)應(yīng)力損失分析

1）本實(shí)例中預(yù)應(yīng)力損失共計(jì)248.29 N／mm2，占總控制張拉應(yīng)力的24.98%。確定張拉控制應(yīng)力時(shí)應(yīng)充分考慮預(yù)應(yīng)力損失的影響，以避免因張拉控制應(yīng)力不足，導(dǎo)致樁身預(yù)加壓力不足。

2）混凝土的彈性壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失占總預(yù)應(yīng)力損失的18.7%，在對該樁型進(jìn)行預(yù)應(yīng)力損失估算時(shí)，混凝土的彈性壓縮作用不可忽略。

2.3 減小預(yù)應(yīng)力損失的措施

2.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果顯示，該種抗拔樁的預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算值為24.98%，因此有必要采取措施減小預(yù)應(yīng)力損失。

1）減小錨具變形引起的預(yù)應(yīng)力損失的措施。

錨具變形對于預(yù)應(yīng)力損失的影響，主要由錨具的變形程度和張拉端至錨固段之間的距離控制。先張法相對于現(xiàn)場施工的后張法，張拉端至錨固端距離更長，且更有條件對錨具變形進(jìn)行監(jiān)測，保證預(yù)應(yīng)力損失在可控范圍內(nèi)。

2）減小由于溫差引起的預(yù)應(yīng)力損失的措施。

當(dāng)張拉完畢的預(yù)應(yīng)力鋼筋因熱脹冷縮的原理而伸長時(shí)，張緊的預(yù)應(yīng)力鋼筋中的應(yīng)力將降低，造成預(yù)應(yīng)力損失。對于溫度差造成的預(yù)應(yīng)力損失，可采取以下措施：①避免混凝土養(yǎng)護(hù)造成的較大溫度差；②避免在晝夜溫差較大的條件下進(jìn)行張拉作業(yè)。

3）減小應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失的措施。

張拉過程中，預(yù)應(yīng)力鋼筋總變形保持不變，徐蠕變使塑性變形不斷增加，彈性變形相應(yīng)減少，應(yīng)力隨時(shí)間緩慢降低。為彌補(bǔ)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力松弛導(dǎo)致的應(yīng)力損失，在工廠張拉施工中，必須按設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)與現(xiàn)場驗(yàn)算數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力控制，并采用超張拉的方式，一般超張拉系數(shù)取1.03～1.05。

4）減小混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失的措施。

為減少混凝土的收縮與徐變產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失，可采取以下措施：①混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后再進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋放張作業(yè)；②采用高標(biāo)號水泥，減少水泥用量，降低水灰比；③采用級配較好的骨料，加強(qiáng)混凝土的振搗，提高混凝土密實(shí)性，從而減少混凝土的收縮徐變。

3 有限元分析

采用建立組合抗拔樁的樁芯模型，材料參數(shù)同2.2節(jié)所述。對樁芯的預(yù)應(yīng)力筋施加張拉控制應(yīng)力，產(chǎn)生彈性收縮后預(yù)應(yīng)力筋與樁芯混凝土的應(yīng)力見圖2。

圖2 產(chǎn)生彈性收縮后樁芯應(yīng)力云圖

分析結(jié)果顯示，鋼筋的預(yù)應(yīng)力損失值為46.3 N／mm2，混凝土的壓應(yīng)力為8.35 N／mm2，與2.2節(jié)計(jì)算結(jié)果吻合良好。

另外，距離樁端0.1 m處，樁身混凝土的壓應(yīng)力才達(dá)到平均壓應(yīng)力。因此，在應(yīng)用本樁型時(shí)，樁端0.1 m范圍內(nèi)需錨入地下室底板中，不考慮其受力性能。

4 結(jié) 語

本文通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析，對內(nèi)置預(yù)應(yīng)力樁芯的組合抗拔樁進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

1）本樁型由預(yù)制預(yù)應(yīng)力樁芯和現(xiàn)澆混凝土組成，其中，樁芯在工廠預(yù)制，既能保證質(zhì)量，又能縮短現(xiàn)場施工工期，且符合現(xiàn)在國家建筑工業(yè)化的倡導(dǎo)。

2）設(shè)計(jì)預(yù)制預(yù)應(yīng)力樁芯時(shí)應(yīng)注意預(yù)應(yīng)力損失，指導(dǎo)工廠給出合適的張拉控制應(yīng)力。

3）應(yīng)用本樁型時(shí)，樁端0.1 m范圍內(nèi)需錨入地下室底板中。

4）總體而言，組合抗拔樁在技術(shù)上可行，并有優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性，期望其將來能在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用。