先張法預(yù)應(yīng)力離心混凝土橢圓形嚙合管樁的構(gòu)建和試驗(yàn)

陳敏芬，毛江才，洪榮華，洪澤斌

（1.杭州市水利水電工程質(zhì)量安全管理服務(wù)中心，浙江 杭州 310005；2.杭州市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，浙江 杭州 310005；3.杭州迪瑩科技有限公司，浙江 杭州 310021）

0 前言

先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁因樁身強(qiáng)度高、單位承載力造價(jià)低、質(zhì)量可控性強(qiáng)、生產(chǎn)制造和施工效率高、經(jīng)濟(jì)性能好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、港口、機(jī)場(chǎng)、水利等領(lǐng)域，已成為除鉆孔灌注樁以外的最主要樁型，但在深厚軟土地基進(jìn)行管樁施工時(shí)也帶來管樁移位、傾斜、樁身開裂等問題[1-3]。

為提高先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁抗水平荷載能力，國內(nèi)對(duì)管樁有一定的研究，張忠苗等[4]創(chuàng)新加強(qiáng)非預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋的配置或箍筋加密的新型管樁。干鋼等[5]研究指出，用新型先張法預(yù)應(yīng)力鋼鉸線代替螺旋槽鋼棒，使管樁在抗彎、抗剪性能有較大提高。周清暉等[6]研究預(yù)應(yīng)力鋼鉸線超高強(qiáng)混凝土管樁的抗剪性能，在管樁受剪狀態(tài)下有效提高變形延性和極限承載力。柳炳康等[7]開展預(yù)應(yīng)力填芯管樁抗彎性能與延性特征的試驗(yàn)，但管樁填芯實(shí)際應(yīng)用效果并不理想。

構(gòu)建一種樁身橫截面外輪廓為橢圓形、縱軸線方向有凹凸槽嚙合、離心工藝成型的新型先張法預(yù)應(yīng)力橢圓形混凝土管樁。通過建立相應(yīng)的數(shù)值模型、單樁試驗(yàn)，研究開裂彎矩、極限彎矩及破壞特征，為新型管樁的工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 先張法預(yù)應(yīng)力離心混凝土橢圓形嚙合管樁的構(gòu)建

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

先張法預(yù)應(yīng)力混凝土橢圓形嚙合管樁環(huán)形截面為橢圓形，由主筋（鋼棒）、螺旋外鋼筋（箍筋）和混凝土組成，見圖1。內(nèi)部為圓形空心結(jié)構(gòu)，螺旋環(huán)形箍筋環(huán)繞在鋼棒四周，有效保護(hù)混凝土與鋼棒粘結(jié)和剛度，橢圓長軸的兩側(cè)，設(shè)置一側(cè)凸形，另一側(cè)凹形，凹凸二側(cè)互為卯榫相連接，使2 根相鄰的圍護(hù)管樁緊密嚙合在一起。管樁嚙合處有填充槽R，可根據(jù)不同的要求填入止水材料或者透水材料，達(dá)到較好的防滲或排水效果。

1.2 一般要求

管樁原材料水泥強(qiáng)度等級(jí)不低于P·O42.5 水泥，集料質(zhì)量符合相關(guān)規(guī)范規(guī)定，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C60，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用鋼棒，抗拉強(qiáng)度不小于1280 MPa，沿環(huán)向及長軸軸心線對(duì)稱均勻配置，最小配筋率不低于0.5%，并不少于6 根。

嚙合連接處間隙配合，間隙大小根據(jù)實(shí)際工程情況確定。

1.3 理論計(jì)算分析

1.3.1 截面抗彎性能計(jì)算

選取新型橢圓形管樁外尺寸400 mm×560 mm（2b×2a），長度10 m，中部為圓形，半徑100 mm。常規(guī)圓形管樁外尺寸半徑200 mm，長度10 m，壁厚100 mm。2 種樁預(yù)應(yīng)力鋼筋均為8Φ9.0，預(yù)應(yīng)力鋼棒對(duì)稱分布均為2 根，預(yù)應(yīng)力相同。

由材料力學(xué)，應(yīng)力σ＝My/IX，假定兩樁所受彎矩相同，同時(shí)最大應(yīng)力σ、y 相同，y 均為200 mm，則只需比較對(duì)水平向X 軸的慣性矩IX。

新型橢圓形管樁慣性矩IX＝I橢圓-I內(nèi)圓＝（π/4）（b/2）3（a/2）-（π/64）（2r）4＝（π／4）2003×300-（π/64）2004＝1.8×109mm4。

由以上計(jì)算可知，在配筋相同的情況下，新型橢圓形管樁慣性矩為常規(guī)圓形管樁的1.8/1.18≈1.52 倍，在彎矩相同的情況下，新型橢圓形管樁最大拉應(yīng)力為常規(guī)圓形管樁的0.65倍。由此可得，在同等條件下，新型橢圓形管樁不僅可以減少配筋量，而且在抗彎承載力上較常規(guī)圓形管樁有優(yōu)勢(shì)。

1.3.2 受力變形計(jì)算

計(jì)算工況按樁排前側(cè)（基坑內(nèi)）無水，樁排后側(cè)為土壓力，荷載主要為土壓力，采用控制變量法，通用巖土有限元計(jì)算軟件Plaxis 2d 進(jìn)行計(jì)算。

考慮預(yù)制樁制作工藝，樁長取10.0 m，護(hù)岸基坑深4.0 m，模型X 方向?yàn)橥翂毫Ψ较?，Y 方向?yàn)樨Q直方向，模型周圍為土體約束，土層自上而下分別為Ⅱ1 粉質(zhì)黏土、Ⅲ1 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、Ⅳ1 粉質(zhì)黏土、Ⅴ1 含泥礫砂，計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

將圓形管樁外徑與橢圓管樁短軸相同的管樁進(jìn)行對(duì)比分析，樁基布置為密排，即圓形管樁樁基間距等于外徑，橢圓管樁樁基間距等于長軸。管樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)選用C60，彈性模量E=3.6×104MPa，2 種管樁計(jì)算斷面見圖2，計(jì)算選取尺寸對(duì)照見表2。

表2 2 種類型管樁尺寸對(duì)照

1.3.3 計(jì)算結(jié)果分析

以新型橢圓形管樁TNPC400×560A95-10 型和常規(guī)圓形管樁PC400A95-10 為例，此時(shí)常規(guī)圓形管樁與新型橢圓形管樁的位移、彎矩及剪力如圖3、圖4 所示，管樁整體水平位移云圖如圖5、圖6 所示。單樁的彎矩與剪力應(yīng)該將圖中的每米的彎矩與剪力乘以縱向的樁間距。新型橢圓形管樁TPC 400×560A95-10 的位移最大值-5.072×10-3m、剪力最大值38.21 kN及彎矩最大值9.438 kN·m。常規(guī)圓形管樁PHC400A100-10的位移最大值-5.147×10-3m、剪力最大值39.23 kN 及彎矩最大值10.32 kN·m。

表3 管樁頂部、底部水平位移匯總

通過以上計(jì)算結(jié)果，可初步得到如下結(jié)論：

（1）同外徑（短軸）新型橢圓形管樁位移、剪力及彎距最值均小于常規(guī)圓形管樁，最值出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)位置相同。而且隨著管樁尺寸的增大，新型橢圓形管樁的絕對(duì)位移、剪力及彎矩最值逐漸減小，受力變形條件更好。

（2）同外徑（短軸）2 種類型管樁的位移、剪力及彎距的最大值相差較小，位移相差5%以內(nèi)。

2 抗剪抗彎性能試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)裝置

抗彎及抗剪試驗(yàn)所用裝置相似，如圖7、圖8 所示，參考GB 13476—2009《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》、GB 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》與浙江省相關(guān)規(guī)范2002 浙G22《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》制作而成[8-10]。試驗(yàn)樁型號(hào)為TNPC400×560A95-10，結(jié)構(gòu)尺寸為400 mm×560 mm，樁長10 m，最小壁厚95 mm，自重2.7 t，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C60，設(shè)計(jì)抗裂彎矩54 kN·m，對(duì)應(yīng)荷載P=52.69 kN，極限彎矩81 kN·m，對(duì)應(yīng)荷載P=81.90 kN。

2.2 試驗(yàn)的加載方式

根據(jù)GB 13479—2009[8]確定。試驗(yàn)過程著重研究3 種樁身臨界狀態(tài)：開裂狀態(tài)，即樁身出現(xiàn)裂縫；破壞（極限）狀態(tài)，即出現(xiàn)裂縫達(dá)1.5 mm、受拉鋼筋拉斷或受壓區(qū)混凝土被壓碎3種情況之一；斷裂狀態(tài)，即樁身發(fā)生完全斷裂破壞，再無任何承載能力。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)樁在抗彎性能檢驗(yàn)過程中，采用力加載模式，分荷載從0 至55.3 kN，樁身未出現(xiàn)裂縫，加載至65.9 kN 首次出現(xiàn)裂縫，實(shí)測(cè)最大裂縫寬度0.14 mm；加載至82 kN 時(shí)，實(shí)測(cè)裂縫寬度最大值為0.48 mm，裂縫寬度未達(dá)到1.5 mm，構(gòu)件未破壞[11]。

試驗(yàn)結(jié)果表明，新型橢圓形管樁的抗彎性能明顯優(yōu)于常規(guī)圓形管樁，相比常規(guī)圓形管樁的抗裂極限彎矩提高了26%，明顯減小了裂縫的平均寬度和最大寬度，但分布的范圍和數(shù)量沒有明顯的增加。

3 結(jié)語

通過一系列理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)，對(duì)先張法預(yù)應(yīng)力離心混凝土橢圓形嚙合管樁的抗彎抗剪進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明，先張法預(yù)應(yīng)力離心混凝土橢圓形嚙合管樁較同型號(hào)的常規(guī)圓形管樁，不僅在抗剪、抗彎、變形延性等方面有較大幅度改善，而且減少投資，造價(jià)經(jīng)濟(jì)。目前先張法預(yù)應(yīng)力混凝土橢圓形嚙合管樁已獲得實(shí)用專利和水利部新技術(shù)產(chǎn)品推廣，并在河湖護(hù)岸、基坑圍護(hù)、市政管廊等領(lǐng)域進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)應(yīng)用，具有良好的應(yīng)用前景。