預應力混凝土靜壓管樁極限承載力研究

董 博 趙儉斌

（沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110168）

0 引言

建筑基礎按埋深位置深淺分為深基礎和淺基礎兩種形式，樁基礎便是深基礎的一種。土體中各個土層性質并不相同，當表層土力學性質較差、較軟弱時，樁基礎通過自身性能將建筑物的荷載迅速傳遞到壓縮性能小且比較堅硬的深處土層或巖層。如今，樁基礎多采用預應力混凝土管樁[1]。

預應力混凝土管樁是在施工前按施工要求在工廠制作完成，然后運輸至施工現(xiàn)場進行施工[2]。預應力管樁生產(chǎn)主要采取離心成型和先張法兩種工藝手段，管樁成型后進行蒸壓養(yǎng)護工作，形成預應力管樁成品。這種管樁通常會利用靜力壓樁機采取靜壓法使其沉入地下，作為建筑物的深基礎。這種方法是通過管樁自重以及配重形成反力，將管樁一點點壓入土中，這即是沉樁工藝。靜壓法施工現(xiàn)場整潔規(guī)范、施工效率較高，并且預應力管樁的單樁承載力及強度等多項力學指標都優(yōu)于一般管樁。因此，預應力混凝土管樁和靜壓法配合使用的施工方法，在建筑基礎施工中備受青睞。本文從預應力混凝土管樁承載力的研究歷程出發(fā)，總結分析國內外對靜壓單樁極限承載力計算的經(jīng)驗公式，為預應力混凝土靜壓管樁的應用提供參考。

1 預應力靜壓管樁的優(yōu)勢和不足

任何形式的基礎在面對不同的工程情況下都會具有明顯的優(yōu)勢和劣勢，預應力混凝土管樁也不例外[3]。

1.1 預應力靜壓管樁的優(yōu)勢

（1）靜壓樁的單樁承載力高。承載力高主要有管樁材料和沉樁方式兩方面的原因。從選材來講，預應力管樁通常會選擇強度等級超過C80的高強度混凝土制作而成；從沉樁方式來說，在沉樁的過程中，各層土體及樁底土的密實度不斷增加，提高了樁周摩擦力及樁底承載力，從而提高靜壓樁的承載力。所以靜壓樁具有單樁承載力高的優(yōu)勢。

（2）樁型種類多樣，可以適應不同的施工環(huán)境和施工要求。預應力靜壓管樁更多用于多層或者高層建筑，根據(jù)上部傳遞載荷而采用不同的樁基，提升承載能力，使得基礎安全穩(wěn)固。目前，我國預應力管樁工廠大多可以制造直徑在300～600mm，樁長在5～50m，承載力在600～7000kN之間的管樁。預應力管樁的樁徑和樁長可以根據(jù)工程需要個性化訂制。在施工起吊時，只需用吊鉤拉住樁體兩頭就可以進行操作，簡化操作流程，使其不受外因影響，施工過程中，只需根據(jù)實際工程需要將多段樁進行自由搭配與組合，與一般樁大多受到相關機器與地質條件的約束形成鮮明對比。

1.2 預應力靜壓管樁的不足

（1）在靜壓管樁施工時會產(chǎn)生擠土效應，由于樁體下沉過程中會擾動樁身周圍的土體結構，導致土層的應力狀態(tài)受到改變而產(chǎn)生一系列不良影響。

（2）樁基和基坑施工結束后，要將額外的樁頭截取掉，這會形成一定程度的損失。開挖深度的不正確以及樁體不直立，容易發(fā)生破損現(xiàn)象，可能會使樁體報廢，這不僅會影響工期，還會增加施工成本。

（3）預應力混凝土管樁的應用也有很多限制條件，例如在石灰?guī)r地區(qū)中以巖溶層為持力層時，或是在土層軟硬分布間斷且有突然變化等情況時都不建議使用。

2 預應力混凝土管樁承載力的研究現(xiàn)狀

2.1 國外對預應力混凝土管樁承載力研究現(xiàn)狀

預應力混凝土管樁源自日本，在20世紀50年代其產(chǎn)量已經(jīng)到達5萬t，到1972年管樁的年產(chǎn)量已經(jīng)到達了700萬t。而美國和荷蘭在預應力混凝土管樁的應用和發(fā)展上相較其它國家處于領先地位。目前，各個國家對于預應力管樁的重點研究方向依然是面向單樁豎向極限承載力的算法，并產(chǎn)生了一大批優(yōu)秀實用的理論成就。

如日本對單樁極限承載力的計算公式如下：

式中：R——單樁樁身額定承載力；

fc——樁身有效截面面積；

δpc——樁身有效預壓應力；

A——管樁樁身混凝土極限抗壓強度。

在對單樁豎向極限承載力的計算研究上，各個國家的思路方向各有不同，各種方法交相輝映共同推進管樁的發(fā)展應用。在20世紀30年代，歐洲發(fā)明了靜力觸探技術，該技術在國際建筑領域上大放異彩，并且在幾十年的發(fā)展中各方面都逐漸趨于完善。在以靜力觸探法為基礎的情況下，多個國家總結得出符合自己國家實際情況的經(jīng)驗公式。

（1）使用雙橋探頭的單樁極限承載力經(jīng)驗公式

希臘、英國采用：

荷蘭采用：

印度采用：

前蘇聯(lián)采用：

（2）使用單橋探頭的單樁極限承載力經(jīng)驗公式

法國采用：

式中：P

a——單樁極限承載力計算值；

qc——雙橋探頭錐頭阻力；

As——側壁面積；

A——錐頭阻力；

Rh——端頭阻力；

fh——側壁摩阻力；

α1——樁端承載力修正系數(shù)；

qca——單橋探頭錐頭阻力；

U——樁周長度；

βs——樁端承載力修正系數(shù)；

qcs——單橋探頭側壁阻力；

Ls——樁身長度。

2.2 國內對預應力混凝土管樁承載力的研究

我國樁基礎的應用和發(fā)展歷史同樣源遠流長，甚至在早期是處于領先地位的。在我國浙江河姆渡遺址的考古過程中發(fā)現(xiàn)，我國祖先們早在7000多年前就開始嘗試使用木樁搭建房屋，這也是現(xiàn)在樁基礎的雛形。在近代，中國臺灣省最早進行預應力混凝土管樁的研究和使用，如今已有60多年的使用歷史，為大陸的預應力混凝土管樁使用提供了大量經(jīng)驗?？稍诋敃r預應力管樁并未引起廣泛關注，只是在一些特別的地質條件下的工程或者有特殊的設計意圖的項目上得以小試身手，此類管樁是在20世紀80年代才得到推廣和應用。而在近些年來，預應力管樁的發(fā)展和應用更是如日中天，如火如荼。

我國在1992年首次制定了《先張法預應力混凝土管樁》（GB 13476-92）。2年后就又制定了《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ 94-94），以下是近些年國家標準、地方標準、以及專家學者給出的極限承載力的簡單介紹：

《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ 94-94）給出了單樁極限承載力經(jīng)驗公式[4]：

式中：Rk——單樁豎向極限承載力；

up——樁身周長；

qp——樁端土的承載力標準值；

qsi——樁周土的摩擦力；

Ap——樁身的橫截面面積；

li——按土層劃分的各段樁長。

廣東省地方標準《預應力混凝土管樁基礎技術規(guī)程》（DBJ/T15-22-98），給出了適合廣東地區(qū)的單樁極限承載力計算的公式，其公式為[5]：

式中：R——單樁豎向極限承載力；

Quk——單樁豎向極限承載力標準值；

rsp——樁側阻力與樁端阻力抗力分項系數(shù)。

1997年，王離[6]提出，當預應力管樁樁尖進入強風化巖層時，單樁的豎向極限承載力經(jīng)驗公式，具體表述為∶

式中：N——樁端處強風化巖石的標貫值；

Ap——樁尖投影面積；

u——樁身周長；

li——按土層劃分的各段樁長；

q——樁周摩擦力標準值。

1999年，宋建軍[7]將大量靜載實驗數(shù)據(jù)進行整理，得出了單樁極限承載力公式：

式中：N——樁端處風化殘積土的標準貫入值；

Ap——樁的橫截面積；

u——樁身周長；

L——樁進入風化殘積土持力層的樁長；

qsi——風化殘積土樁周摩擦力標準值。

2000年，朱宏波[8]通過管樁在不同的樁長、樁徑、以及樁型下，壓樁力終壓值和極限承載力之間的關系，得出相應經(jīng)驗公式：

式中：Pend——壓樁的終壓力；

η——不同樁型修正系數(shù)；

β——不同持力土層修正系數(shù)。

施峰[9]在2004年將單樁極限承載力的靜載試驗結果與標準的計算公式進行了嚴格對照，并且對試驗結果系統(tǒng)地進行了研究和整合。因為標準的計算公式的應用范圍還是趨向于保守，這使得實際的計算結果相對于規(guī)范計算結果大許多。

在2008年，邵銘東[10]在分析預應力管樁的整體土塞效應時，也說明了此管樁對于單樁極限承載力會產(chǎn)生的影響，以及管樁擠土效應在單樁極限承載力和側阻力方面的干涉會產(chǎn)生哪些結果。

目前，隨著中國的高速鐵路、水路、高層地標性建筑以及重大市政工程的發(fā)展，一些具有戰(zhàn)略意義的建筑工程對地基的承載力提出了更高的要求，對建筑基礎的性能要求越來越高，因此，更加需要性能好、利用率高的預應力管樁。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果顯示，我國目前的管樁生產(chǎn)工廠大多數(shù)在沿海地區(qū)，總體上已經(jīng)超過220家。

3 結束語

目前來看，我國的預應力混凝土管樁具有規(guī)范的國家和地方標準，施工技術嫻熟，科研成果優(yōu)異。但還有很多問題需要引起重視。

（1）通過試驗得到的實際數(shù)據(jù)和根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》得出的結果有所差異，使得地方標準不可在其他地區(qū)隨意應用，因此，這就需要精細化和準確化的單樁極限承載力公式。

（2）預應力混凝土樁是一種開口樁，因其外形特點可能會在施工作業(yè)期間產(chǎn)生土塞效應和擠土效應，所以要加強承載力影響及對兩種效應的作用機理進行進一步研究。

（3）對于預應力管樁的理論研究和技術方面的檢測還有待完善。迄今為止，對于低應變的檢測沒有進展，依然在進行樁身是否完整的檢測，對于樁身的質量檢測缺少實用有依據(jù)的評價和分析。