劉東輝 洪 胤 王 偉 翟 蓮 謝新穎 田 偉

吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院（130118）

0 引言

管樁作為一種樁基礎(chǔ)及一種地基處理形式從20世紀(jì)初產(chǎn)生至今已經(jīng)得到了進(jìn)一步發(fā)展，被廣泛地應(yīng)用在大量建筑基礎(chǔ)之中，發(fā)揮著極大的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益[1]。其中應(yīng)用較多的一種樁型被稱為高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PHC樁），其是預(yù)應(yīng)力技術(shù)與離心制管技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物[2]。但在設(shè)計(jì)過(guò)程中，傳統(tǒng)管樁為了達(dá)到承載力要求，通常樁身較長(zhǎng)、樁徑較大，以至于混凝土用量大、經(jīng)濟(jì)成本較高。通過(guò)研究得到，當(dāng)樁長(zhǎng)或樁徑增大到一定程度后對(duì)單樁極限承載力的提高效果不再顯著。文章研究的側(cè)嵌式管樁是在PHC樁的基礎(chǔ)上，采用特殊的預(yù)制加工和預(yù)制短肢張壓技術(shù)而成的異型管樁形式，旨在通過(guò)側(cè)嵌預(yù)制短肢的副端承作用提高單樁承載力，達(dá)到一定的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效果。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁簡(jiǎn)介

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁是一種運(yùn)用先張法預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉技術(shù)，經(jīng)過(guò)離心成型、蒸壓養(yǎng)護(hù)等預(yù)制工藝而制成的一種管狀預(yù)應(yīng)力鋼筋混土預(yù)制樁，主要由管狀鋼筋混凝土樁身、端板和鋼套箍等組成。在樁基施工中，采用靜壓或錘擊方法將其沉入設(shè)計(jì)地基土層而成為建筑物樁基礎(chǔ)。

1.1 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁按樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)分類

由于樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)的不同，可以將管樁分為三類:樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C60級(jí)被稱為PC樁(預(yù)應(yīng)力混凝土管樁)；PTC樁，即預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁管樁，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C60級(jí)；樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C80級(jí)被稱作PHC樁（預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁）。

1.2 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的優(yōu)點(diǎn)

1）單樁承載力高。PC樁、PHC樁的樁身混凝土強(qiáng)度分別達(dá)到60MPa、80MPa以上，能夠沉入密實(shí)的砂層及強(qiáng)風(fēng)化層，將其強(qiáng)烈擠壓后可提高樁端承載力80%～100%，所以相同直徑的管樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值比沉管灌注樁或鉆孔灌注樁的標(biāo)準(zhǔn)值都高。

2）抗彎、抗剪、抗裂性能良好。由于樁身混凝土存在預(yù)壓應(yīng)力，故樁體具有極好的抗剪、抗彎、抗裂性能。

3）單位承載力造價(jià)便宜。雖然管樁每米造價(jià)高于沉管灌注樁，但單樁承載力高，且使用的混凝土比實(shí)心樁節(jié)省30%～60%，所以綜合比較其單位承載力造價(jià)低于沉管灌注樁。一般情況下，在各種樁型中預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的單位承載力造價(jià)相對(duì)較低。

4）規(guī)格齊全，可供選用范圍大。由于管樁直徑、樁長(zhǎng)、混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力、單樁承載力具備不同規(guī)格，可設(shè)計(jì)選用空間大[3-4]。

1.3 我國(guó)管樁的發(fā)展趨勢(shì)及行業(yè)需求

目前，我國(guó)管樁產(chǎn)品擁有較完整的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系，擁有國(guó)家規(guī)范《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》（GB 13476—2009）[5]、國(guó)家圖集《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》(10G409）[6]、《混凝土制品用低碳冷拔鋼絲》（JC/T 540-2006）[7]、《預(yù) 應(yīng) 力 混 凝 土 用 鋼 棒》（GB/T 5223.3—2005）[8]、《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁鋼?！罚↗C/T605—2005）[9]、《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁用端板》（JC/T947—2005）10]、《預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁用硅砂粉》（JC/T950—2005）[11]等。如廣東、福建、湖北、浙江、江蘇、天津等各省市地區(qū)也編制了適合區(qū)域地質(zhì)條件的地方規(guī)程和相關(guān)圖集[12-17]，按不同的設(shè)計(jì)要求對(duì)管樁類型及其相關(guān)技術(shù)特性指標(biāo)加以選擇，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展，PHC樁被大量應(yīng)用在工業(yè)與民用建筑、公路鐵路等工程建設(shè)領(lǐng)域。

2 模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

1）對(duì)普通管樁模型樁與側(cè)嵌式管樁模型樁的承載力和沉降變形進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

2）對(duì)不同預(yù)制短肢數(shù)量的側(cè)嵌式管樁模型樁的承載力和沉降變形進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

3）模型樁樁頂沉降變形、樁身軸力、樁身側(cè)摩阻力隨施加荷載的變化規(guī)律。

2.2 數(shù)據(jù)處理

本模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理工作主要是利用測(cè)得樁身應(yīng)變數(shù)據(jù)，計(jì)算出模型樁樁身軸力，進(jìn)而求出模型樁側(cè)摩阻力，并據(jù)此繪制軸力及側(cè)摩阻力沿樁身分布的相應(yīng)曲線。

2.3 小結(jié)

本章在充分利用已有試驗(yàn)條件并對(duì)試驗(yàn)方案及過(guò)程進(jìn)行精心設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，開展了普通管樁與不同側(cè)肢布設(shè)方式的側(cè)嵌式管樁的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，對(duì)側(cè)嵌式管樁的承載與變形性能進(jìn)行了定性分析，對(duì)比分析了側(cè)嵌式管樁與普通管樁在承載機(jī)理上的異同，以及不同側(cè)肢數(shù)量對(duì)側(cè)嵌式管樁承載與變形性能的影響，得出一些有益結(jié)論，對(duì)比分析側(cè)嵌式管樁模型樁與普通管樁模型樁的樁頂沉降量與承載力數(shù)據(jù)得出，側(cè)嵌式管樁模型樁承載力均有明顯提高，但因側(cè)肢數(shù)量的影響在提高程度上有所差異。值得注意的是，樁周基土填裝狀態(tài)與環(huán)刀取土試驗(yàn)所得土性數(shù)據(jù)存在一定差異，對(duì)模型樁承載性能產(chǎn)生了一定影響。

3 側(cè)肢數(shù)量對(duì)側(cè)嵌式管樁豎向承載性狀的影響

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果表明，側(cè)嵌短肢數(shù)量越多，樁頂沉降量越??；比較側(cè)肢均設(shè)置在樁身下部的3層側(cè)嵌式管樁和5層側(cè)嵌短肢管樁，5層側(cè)嵌短肢管樁即在3層側(cè)嵌式管樁的每?jī)蓪觽?cè)肢之間旋轉(zhuǎn)45°錯(cuò)層增設(shè)一層側(cè)肢，形成間距為1000mm的5層側(cè)嵌短肢管樁，后者較前者的樁頂沉降量減小了35.81%；同理得到10層側(cè)嵌短肢管樁，而10側(cè)嵌短肢管樁與5層側(cè)嵌短肢管樁相比，樁頂沉降量約減小了27.14%。顯然，在側(cè)肢層間距允許的情況下，在樁身下部密布側(cè)肢更有助于提高側(cè)嵌式管樁豎向承載力，實(shí)現(xiàn)更好經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

隨著建筑結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)要求的不斷提高和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁以其承載力高、適應(yīng)性強(qiáng)、成樁可靠、節(jié)省用料、施工方便等眾多優(yōu)點(diǎn)成為許多建（構(gòu)）筑物樁基礎(chǔ)首選樁型。但在工程實(shí)踐中，為滿足高層、超高層建筑物及其它重要工程對(duì)樁基的要求通常需要增大樁長(zhǎng)和樁徑，以至于混凝土用量大、經(jīng)濟(jì)成本較高。而且研究表明，當(dāng)樁長(zhǎng)和樁徑增大到一度程度后，樁的側(cè)摩阻力與樁端阻力很難進(jìn)一步得到充分發(fā)揮，單樁極限承載力的提高與樁徑和樁長(zhǎng)的增加不成正比例關(guān)系，因而單純通過(guò)增大樁長(zhǎng)和樁徑的方式以追求提高單樁極限承載力是不經(jīng)濟(jì)的。

為此，科研工作者和工程技術(shù)人員對(duì)新型管樁型式開展了大量卓有成效的研究，力求通過(guò)改進(jìn)樁型及施工工藝增加樁身比表面積或改善樁土工作性狀，以達(dá)到提升管樁承載力的目的。文章所研究的側(cè)嵌式管樁便是在PHC樁的基礎(chǔ)上，采用特殊的預(yù)制加工和預(yù)制短肢張壓技術(shù)而成的異型管樁形式—側(cè)嵌式管樁，旨在通過(guò)側(cè)嵌預(yù)制短肢的副端承作用提高單樁承載力，達(dá)到一定的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效果。

4.2 展望

文章對(duì)側(cè)嵌式管樁單樁豎向及水平承載性狀的影響因素開展了系統(tǒng)的研究工作，得出了許多實(shí)用的結(jié)論。由于時(shí)間、研究條件限制及在此過(guò)程中對(duì)所研究問(wèn)題認(rèn)識(shí)的逐漸加深，對(duì)側(cè)嵌式管樁這種新的樁基形式，尚需在以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究，以便更好實(shí)現(xiàn)其技術(shù)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。①對(duì)側(cè)嵌式管樁群樁承載性狀的研究，分析群樁之間相互影響的問(wèn)題；②側(cè)嵌式管樁極限承載力及側(cè)肢的極限承載力深入研究；③進(jìn)行室外足尺靜載試驗(yàn)研究；④研究中進(jìn)一步考慮實(shí)際土層情況、擠土效應(yīng)及施工因素影響；⑤對(duì)側(cè)嵌式管樁作用機(jī)理的深入研究；⑥側(cè)肢張壓設(shè)備的完善研發(fā)。

5 結(jié)語(yǔ)[18-19]

文章的創(chuàng)新點(diǎn)在于試驗(yàn)的可視性，進(jìn)而更直觀的觀測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中土體的破壞狀態(tài)[18-19]。實(shí)現(xiàn)和完善了小模型半面樁模型試驗(yàn)方法，對(duì)錢永梅教授的多功能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行改良，來(lái)實(shí)現(xiàn)水平力的施加，通過(guò)研究可以得出，側(cè)枝數(shù)量是側(cè)嵌式管樁設(shè)計(jì)時(shí)考慮的一個(gè)重要參數(shù)，要綜合考慮承載能力，沉降控制，造價(jià)最低，節(jié)約材料等方面的考慮，在選擇利用較好土層，恰當(dāng)?shù)膫?cè)枝數(shù)量的情況下，合理設(shè)置側(cè)枝數(shù)量來(lái)有效的提高水平承載力為其在實(shí)際工程中應(yīng)用提供了可靠的理論依據(jù)。