張萬濤 郝愛玲 趙 林

(1.安徽省交通勘察設計院有限公司，安徽合肥 230011;2.合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院，安徽合肥 230009)

預應力高強度混凝土管樁(PHC樁)是采用先張法預應力離心成型工藝，并經(jīng)過10個大氣壓、1 800℃ 左右的蒸汽養(yǎng)護而制成一種空心圓筒形混凝土預制構(gòu)件。PHC樁是重要的樁基材料，具有單樁承載力高、應用范圍廣、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟效益好等諸多優(yōu)點，被廣泛應用到高層及多層建筑、鐵路高架橋、橋梁與高速公路等工程建設中。國內(nèi)外不少學者對PHC管樁的理論及工程應用開展了大量的研究，取得了頗為豐碩的研究成果。針對PHC管樁的荷載傳遞規(guī)律研究方面，亦取得了較大的進展。本文在總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)文獻資料的基礎上，著重探討PHC管樁的荷載傳遞規(guī)律與承載特性，分析影響PHC管樁荷載傳遞規(guī)律的主要因素，總結(jié)現(xiàn)有的PHC管樁荷載傳遞方面的理論計算方法，并予以科學評價，可為PHC管樁的研究和應用提供一定的參考和指導作用。

1 國內(nèi)外發(fā)展與應用現(xiàn)狀

歐美及日本等發(fā)達國家是研究、生產(chǎn)、使用PHC管樁較多的國家。20世紀60年代末～70年代，日本就開發(fā)了PHC管樁，至1991年前后，PHC管樁生產(chǎn)達到高峰，日本全國各種管樁產(chǎn)量達790 萬 t[1，2]。20 世紀60年代末，由于建設南京長江大橋需要采用管樁基礎形式，大橋工程局三處開始研制和生產(chǎn)管樁。為了滿足港口建設發(fā)展的需要，1987年交通部第三航務工程局引進了日本的全套PHC管樁生產(chǎn)線。隨后，我國相關(guān)單位和部門通過對引進的管樁生產(chǎn)線的消化吸收，自主開發(fā)了國產(chǎn)化的PHC管樁生產(chǎn)線，并于1993年被建設部列為全國重點推廣項目。近30年來，我國土木建筑工程業(yè)迅速發(fā)展，大量高層建筑、民用住宅、公用工程、橋梁、港口與碼頭等工程均需要優(yōu)質(zhì)的樁基礎。管樁基礎由于其存在的諸多優(yōu)點，得到了廣泛應用和快速發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，到2006年，我國管樁直接銷售收入約250億元。目前，廣東、江蘇、上海、天津等地都有許多管樁生產(chǎn)企業(yè)和施工單位。特別是在南方地區(qū)，管樁基礎已經(jīng)占到樁基礎的70%～80%。

2 PHC管樁單樁荷載傳遞規(guī)律

2.1 PHC管樁荷載傳遞機理

當PHC管樁受到豎向荷載作用時，樁身上部發(fā)生壓縮而產(chǎn)生相對于樁周土的向下位移;同時，這種向下的位移受到土的阻礙作用，在樁的側(cè)表面產(chǎn)生相對向上的摩阻力。樁所受的荷載通過產(chǎn)生的樁側(cè)摩阻力而逐步傳遞到周圍土層中，樁身荷載和壓縮變形量隨入土深度的增加而逐漸減小。樁—土相對位移為零深度及其以下，樁側(cè)摩阻力尚未得到發(fā)揮，其值為零。PHC管樁在加載初始階段，樁側(cè)摩阻力與向下位移近似的呈直線關(guān)系;隨著荷載的增大，位移和樁身壓縮量增大，下部的摩阻力被逐步調(diào)動起來，將部分荷載傳遞給樁端土層承擔，導致樁端土層發(fā)生壓縮變形，進而產(chǎn)生樁端阻力。另一方面，樁—土相對位移由于樁端土層的壓縮而進一步增大，致使樁側(cè)摩阻力進一步發(fā)揮出來。當樁側(cè)摩阻力達到極限后，隨著位移量的繼續(xù)增大，樁側(cè)摩阻力保持不變，樁端阻力則不斷增大。

2.2 影響荷載傳遞的因素

1)樁端土層與樁周土層的剛度比。樁端土層與樁周土層的剛度比越小，樁身軸力沿深度衰減就越快。當其值為零時，PHC樁為純摩擦樁，所有荷載均由樁側(cè)摩阻力承擔。當其值為1時，即樁端突出與樁周土層的剛度相等，其荷載傳遞規(guī)律曲線和樁側(cè)摩阻力分布情況與純摩擦樁相似。當其值為無窮大，且為中長樁時，樁身上段軸力隨深度增加而減少，下段則基本保持不變。由于樁端土層的剛度相對極大，可分擔60%以上的荷載，此時為端承樁。2)樁、土剛度比。樁、土剛度比越大，由樁端阻力所分擔的荷載所占的比例也越大;反之，樁端阻力所分擔的荷載所占的比例就越小，側(cè)摩阻力所分擔的荷載所在的比例越大。當樁、土剛度比為無窮大時，PHC管樁可被看作是一剛體，端阻力和側(cè)摩阻力同時發(fā)揮作用，按樁側(cè)、樁端土層的剛度系數(shù)大小來分擔荷載。此時，端阻力將分擔大部分荷載。3)PHC管樁的長、徑比。管樁的長、徑對其荷載傳遞規(guī)律具有較大的影響，特別是在均勻土層中，其影響是否顯著。當長、徑比超過100時，樁端土的工程性質(zhì)對荷載傳遞規(guī)律將不再產(chǎn)生任何影響。因此，長、徑比很大的管樁往往都屬于摩擦樁或純摩擦樁。4)土塞效應。PHC管樁在施工過程中，往往在樁端空腔內(nèi)會產(chǎn)生一定長度土塞。土塞剛產(chǎn)生時，是不完全閉塞的，然后逐漸形成完全閉塞的土塞。土塞不完全閉塞時，沉樁引起的擠土效應相對較弱;土塞完全閉塞后，管樁沉樁變?yōu)橥耆臄D土樁，擠土效應相對強烈，過于強烈的擠土效應可能導致管樁沉樁困難。沉樁過程中，管樁空腔中土塞的形成與基底下楔體的形成過程是相輔相成的，楔體對土塞的閉塞效應存在一定的影響。土塞作用可在管樁內(nèi)壁形成摩阻力，并產(chǎn)生一定的法向應力，進而對PHC管樁的荷載傳遞過程形成明顯的影響。5)擠土效應。PHC管樁在沉樁施工過程中，對樁周土存在一定的擠土作用，使樁周土受到擾動，并導致側(cè)向壓應力的增加。當樁周土為飽和粘性土時，由于粘性土瞬時排水固結(jié)效應較弱，壓縮變形量小，沉樁擠土作用使樁周土產(chǎn)生橫向和豎向位移。隨著時間的推移，所產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力逐漸消散，土體發(fā)生再固結(jié)，其強度存在觸變恢復過程。因此，側(cè)摩阻力亦發(fā)生變化，存在顯著的時間效應，對PHC管樁的荷載傳遞過程造成一定程度的影響。當樁周土體為非飽和土時，樁周土體受到擠壓作用而變得密實，樁周土的密實度增大后，其側(cè)摩阻力亦隨之有所增大，從而對PHC管樁的荷載傳遞過程造成一定的影響。

3 管樁荷載傳遞的理論計算

在豎向荷載作用下，樁身所受荷載與沉降為非線性關(guān)系，PHC管樁的荷載傳遞過程十分復雜。國內(nèi)外不少學者探討了樁基礎的荷載傳遞規(guī)律的計算方法，對于管樁基礎而言，主要包括彈性理論法、荷載傳遞法、剪切變形傳遞法和有限元計算方法等。不同的方法其基本假定條件不一致，亦存在一定的局限性。彈性理論法考慮了土體的連續(xù)性，在計算過程中，認為樁和土的水平向變形很小，可以忽略不計，而只考慮豎向變形作用。彈性理論法是基于彈性力學而提出來的，但目前適用于樁基礎的彈性力學基本解很少，考慮土的分層及非線性十分困難。因而，難以得到實際應用。有限元法在計算時，可以考慮土的不均勻性、非線性、各向異性等特征，并能考慮樁和土的應力歷史、樁的滑移等，是分析管樁工作性能的有效方法。可用來揭示管樁基礎的受力特性和荷載傳遞規(guī)律，并與現(xiàn)場實測成果相對比驗證，以指導設計和施工。但有限元法的缺點是計算參數(shù)難以準確獲取，不能保證計算的正確性和精度，難以真正實現(xiàn)定量分析。

4 結(jié)語

在全面總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)文獻資料的基礎上，深入探討了豎向荷載作用下PHC管樁單樁的荷載傳遞規(guī)律?；仡櫫薖HC管樁的發(fā)展歷程，分析了豎向荷載作用下的PHC管樁荷載傳遞規(guī)律，探討了影響荷載傳遞的主要因素，總結(jié)評價了常用的管樁荷載傳遞規(guī)律的理論計算方法。

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