管樁斜截面抗剪承載力性能與新型擴(kuò)張灌漿管樁開發(fā)研究

李錦程 郭愛喜

（1.天津和興源建筑工程有限公司，天津 300270；2.天津天河偉業(yè)建設(shè)工程有限公司，天津 300000）

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁結(jié)構(gòu)可以充分利用混凝土的抗壓強(qiáng)度和高強(qiáng)鋼筋的抗拉強(qiáng)度提升整體結(jié)構(gòu)的承載力。在不同的建筑場合中都得到了相應(yīng)的使用，例如預(yù)應(yīng)力梁板、軌枕、水管及電桿等大型現(xiàn)場成型結(jié)構(gòu)構(gòu)件中都有較好的利用[1]。近年來，大部分工程都是以鋼管樁的垂直抗壓承載力為主，但在實(shí)際工程中管樁因其抗拔承載能力低、樁端處理煩瑣等特點(diǎn)，使其在工程中的應(yīng)用受到很大限制。因此，對管樁斜截面抗剪承載力性能進(jìn)行研究，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)和研究擴(kuò)張灌漿管樁就顯得尤為重要。

1 管樁抗剪試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)計(jì)

第一，試件的制作。為保證試驗(yàn)結(jié)果理論的真實(shí)性，本研究在設(shè)計(jì)對應(yīng)的參數(shù)之前，對使用的材料進(jìn)行了重新調(diào)整。本研究選擇的管樁主要是以PACB400的管樁為主，在試驗(yàn)過程中將使用到的混凝土強(qiáng)度改為C40，鋼筋直徑改為12.6mm。試驗(yàn)中使用到的所有試件均等分成6 份，且每份有兩個管樁，使用預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力兩種進(jìn)行表示，預(yù)應(yīng)力的管樁長度為8m，非預(yù)應(yīng)力的管樁長度為6m。在試驗(yàn)的末尾添加了兩根樁型，以對其進(jìn)行驗(yàn)證。所選樁為PCA400806，兩根正常樁的切跨比入均為1，試件編號分別為PCAP-1A、PCAPlB，管樁的配筋和幾何尺寸參數(shù)符合圖集規(guī)定。

第二，鋼筋力學(xué)指標(biāo)選擇鋼棒和箍筋兩種為主，分別對鋼棒和箍筋的拉伸和彈性模量進(jìn)行試驗(yàn)，具體結(jié)果見表1。

表1 拉伸和彈性模量試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)

第三，水泥指數(shù)的選取和試驗(yàn)?；炷恋燃夁x擇C40，其制作工藝以及混凝土的材質(zhì)與相關(guān)施工要求一致，且對6個不同的管樁試件進(jìn)行試驗(yàn)，綜合公式（1）推算出具體結(jié)果。

2 管樁抗剪承載力試驗(yàn)結(jié)果分析

本研究以剪跨比為單位，由大到小、由內(nèi)而外地進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：在斜縫之前，5.5 號、3 號、2.5 號、1號、2 號和5 號試件均為彎曲破壞。其破壞特征為：先有斜裂縫，后發(fā)展迅速，后有一段時間發(fā)展緩慢，發(fā)生豎向裂縫之后在壓力的作用之下發(fā)生破壞，樣品為1.5號、1 號、3 號、2.5 號，PCAB0-2、PCAB0-1.5、PCABO-1均被剪切破壞。在本試驗(yàn)中所有試件的剪切破壞形式都是以剪切和壓縮為主，沒有發(fā)生斜拉破壞。在破裂的斜縫產(chǎn)生后，與破裂的斜縫交叉處的箍筋會產(chǎn)生很大的變形（PCABP-1.5） ，破裂的斜縫交叉處的箍筋數(shù)量為6 個；PCABP1-1 破壞面交叉箍筋個數(shù)為5 個；在PCABO2.5 中有8 個箍筋與破壞面交叉；2 號斷裂面的箍筋數(shù)量為7個；PCABO-1.5破壞面交叉的箍筋數(shù)量為6 條，其中一條是7.5 號加勁肋；PCABO-1 破壞面交叉的箍筋數(shù)量為3條，當(dāng)剪壓區(qū)的混凝土受到剪切壓力而斷裂時，與剪切壓力相對應(yīng)的箍筋將會被拉伸，使整個試件在剪切壓力下斷裂[2]。斷裂的斜裂面與水平方向的角度基本為45°左右。通過對PCAP-IA、PCAP-LB等常規(guī)鋼筋的分析，發(fā)現(xiàn)C60 使其抗壓強(qiáng)度和軸向剪切強(qiáng)度均有一定程度的提高。所以，在試件加荷的過程中縱筋也會首先達(dá)到屈服，但隨著混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度的增加，試件最后會因?yàn)榭v筋被拉斷而破壞，破壞形式為彎壞。與PCABP-1比較，PCAP-IA、PCAP-IB兩種材料的抗彎承載能力都有一定程度的降低，但兩種材料的抗剪承載能力相差不大，因而表現(xiàn)為彎曲失效。

通過對試驗(yàn)全過程和結(jié)果的分析可以得到如下結(jié)論：①預(yù)應(yīng)力混凝土試樣絕大部分為彎曲破壞；②大部分非預(yù)應(yīng)力的試樣都是剪切破壞；③在相同的情況下預(yù)應(yīng)力混凝土柱的抗剪承載力比非預(yù)應(yīng)力混凝土柱的高；④剪力墻的剪跨率對非預(yù)應(yīng)力墻的影響不大。

3 試驗(yàn)資料整理

綜合本研究得出的開裂荷載試驗(yàn)結(jié)果為118.98kN，荷載及設(shè)備自重產(chǎn)生的彎矩見圖1。

圖1 彎矩圖

開裂彎矩Mexpcr= 95.98 + 0.78 = 96.7kN·m；

開裂剪力V = 64.13kN。

不同試件之間的結(jié)果整理數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同試件之間的結(jié)果整理數(shù)據(jù)

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 對非預(yù)應(yīng)力樁剪跨比對受剪承載力影響分析

對于受集中荷載的構(gòu)件，剪跨比可以表達(dá)為“剪跨”與其有效高度之比，對于普通混凝土構(gòu)件來說，剪跨比是其斜截面承載力的一個重要因素。而在此次使用的管樁試驗(yàn)中，5 根非預(yù)應(yīng)力樁發(fā)生了剪切破壞。1個鋼筋發(fā)生彎曲斷裂，從這5 個鋼筋發(fā)生剪切斷裂時，D之比對剪跨比的關(guān)系如圖2所示。從曲線上可以看出，隨著剪跨比的減小，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的相對抗剪承載力有一定提高，但效果不顯著?；诖?，本研究提出了剪切跨度比環(huán)形截面受剪承載力影響較小的假說，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證“剪切跨度比環(huán)形截面受剪承載力影響較小”這一理論[3]。為此，本研究提出了一種不計(jì)剪跨比的計(jì)算方法。

4.2 預(yù)應(yīng)力的影響

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，由于產(chǎn)生了有效的預(yù)壓力，使試樣的剪切強(qiáng)度得到了提高，所以大部分試樣都出現(xiàn)了彎曲破壞現(xiàn)象。針對預(yù)應(yīng)力對截面抗剪所產(chǎn)生的影響研究當(dāng)中，有學(xué)者認(rèn)為，當(dāng)預(yù)應(yīng)力為有效的作用力之后可以將其理解為軸向壓預(yù)應(yīng)力，其軸向壓力強(qiáng)度在提升的同時，其幅度的增加值可以取0.05Npo[4]。以此為切入點(diǎn)，本研究分別進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并給出相應(yīng)的建議公式。

4.3 混凝土強(qiáng)度的影響分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，管樁斜斷面的抗剪性能均與混凝土的強(qiáng)度密切相關(guān)。由于混凝土強(qiáng)度越高，抗剪強(qiáng)度越大，所以在建立計(jì)算模型時應(yīng)著重考慮混凝土密度的影響。如果用抗壓強(qiáng)度來表示，那么高強(qiáng)度的混凝土則會高估其抗剪能力。在計(jì)算中以混凝土對管樁的抗剪承載力為主要影響因子，并以混凝土抗剪承載力為指標(biāo)，以混凝土抗拉承載力為對比試算。

5 軟土地區(qū)擴(kuò)張灌漿管樁的開發(fā)

5.1 擴(kuò)張灌漿管樁工藝模型

擴(kuò)張灌漿管樁是一種比較方便的結(jié)構(gòu)形式，利用注漿的方法來提高管樁的承載力，有利于提高效率，節(jié)省投資。在沉管樁施工時先用擴(kuò)頂板在樁周與管樁之間形成一個空洞，再用注漿機(jī)的注漿管將注漿材料注入空洞，從而實(shí)現(xiàn)一次注漿；在沉降管樁的施工中采用擴(kuò)頂板法，使樁周土體與管樁之間產(chǎn)生一個空間，并用與注漿裝置相通的注漿管向空間內(nèi)灌注注漿材料[5]。注漿管道與地面相連，管道材質(zhì)可以是聚乙烯管、鍍鋅管、焊接管，管道可以循環(huán)使用。注漿的壓力是無限制的，但要確保注漿材料的正常流淌。為保證其承載能力的提升，具體可以通過預(yù)留灌漿管的注漿管的形式與管樁進(jìn)行同步下沉，等待凝固之后進(jìn)行二次注漿[6]。

5.2 灌漿管樁的試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)選擇天津市開發(fā)區(qū)某養(yǎng)殖場為研究對象，該場地的土填標(biāo)高為3.100m，為典型的軟弱土層，滿足灌漿管樁新型樁開發(fā)的要求。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）、《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106-2014）的規(guī)定，以緩慢保持荷載的方法對9 個樁進(jìn)行最大加載直至失效的靜載試驗(yàn)，包括6 個樁徑為400mm、3個樁徑為300mm。根據(jù)有關(guān)規(guī)范的要求對單樁豎向抗壓極限承載力進(jìn)行測定和計(jì)算。一次、二次注漿之后的結(jié)果見表3。通過表3數(shù)據(jù)分析可以看出，經(jīng)過注漿之后不同的灌漿管樁的承載能力有所提升，且承載力的提升可以達(dá)到100%以上[7]。

表3 注漿后灌漿管樁的承載能力比較

6 結(jié)語

本研究基于試驗(yàn)分析的方式對樁身斜截面抗剪承載力計(jì)算公式的差異進(jìn)行對比分析，結(jié)果顯示，在水平力荷載作用下，管樁在受水平力時其破壞模式為受壓-彎比受剪后，其破壞模式為受壓后受彎后受剪。因此，在采用新型管樁時應(yīng)增加其承載能力，并對其橫向變形加以限制。其次，新樁型開發(fā)能夠較好地改善管樁樁身的抗拉性能，其水平承載力得到有效提升，經(jīng)過注漿之后不同的新樁灌漿管樁的承載能力有所提升，且承載力的提升可達(dá)100%以上，具有較好的抗震性能，相較于傳統(tǒng)的管樁具有較好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，可為相關(guān)工程的開展奠定一定的基礎(chǔ)。