郭冬冬，張耀文，朱懷龍

（1、廣東三和管樁股份有限公司 廣東中山 528414；2、華東交通大學(xué)江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與重點實驗室 南昌 330013）

0 引言

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（PHC 管樁）是現(xiàn)階段最為常用的水泥制品構(gòu)件，其具有單樁承載力高、工程造價低廉、施工便捷等特點被廣泛用于各類基礎(chǔ)工程。實際工程中，管樁主要是作為承受豎向荷載的基礎(chǔ)構(gòu)件［1-3］。然而在一些對基礎(chǔ)抗震和抵抗水平力有較高要求的場合，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁存在抗彎能力不足及延性差等問題，在地震多發(fā)區(qū)域管樁的水平承載力不足是造成管樁破壞的主要原因［4-9］。為改善管樁的抗震性能，研究人員在管樁中預(yù)應(yīng)力鋼棒的分布圓上均勻加入一定數(shù)量的非預(yù)應(yīng)力鋼筋，設(shè)計出了混合配筋的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PRC 管樁）。目前國內(nèi)外已經(jīng)對混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁進(jìn)行了許多理論和試驗研究，為簡要了解其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀，本文將從以下幾個方面對混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的研究現(xiàn)狀展開綜述，總結(jié)出PRC 管樁的力學(xué)性能特點，為PRC 管樁市場推廣前景及進(jìn)一步研究提供借鑒。

1 混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁抗彎、抗剪性能

對于混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PRC 樁），相比傳統(tǒng)管樁，其內(nèi)部鋼筋布置增加了非預(yù)應(yīng)力鋼筋，如圖1所示。

圖1 PRC管樁橫斷面示意圖Fig.1 Cross-sectional Diagram of PRC Pipe Pile

為了解增加非預(yù)應(yīng)力鋼筋對管樁水平承載力的影響，許多研究者針對混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PRC 管樁）的抗彎承載力進(jìn)行了試驗研究。王新玲等人［10-11］對5種配有非預(yù)應(yīng)力鋼筋的新型預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（每種形式制作2根）與2根普通預(yù)應(yīng)力混凝土管樁進(jìn)行了抗彎試驗，結(jié)果表明配置非預(yù)應(yīng)力鋼筋后的管樁具有好的抗彎性能。楊澤東［12］在室內(nèi)進(jìn)行了PRC 管樁的抗彎試驗，發(fā)現(xiàn)PRC 管樁的開裂彎矩和極限彎矩分別是《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁：10G409》規(guī)定值［13］的1.56 倍和1.42 倍。杜新喜等人［14］開展混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PRC 樁）和傳統(tǒng)管樁（PHC 樁）的抗彎性能試驗，根據(jù)試驗結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)，相比PHC 樁，PRC12（非預(yù)應(yīng)力鋼筋為1612）管樁的極限彎矩平均提高了43.7%，PRC16（非預(yù)應(yīng)力鋼筋為1616）管樁的極限彎矩平均提高了63.3%，說明加入非預(yù)應(yīng)力鋼筋可以顯著提高抗彎承載力，隨后又采用“等效鋼帶法”推導(dǎo)出了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁正截面的承載力簡化計算公式；郭楊等人［15］利用試驗測試了PRC600AB-Ⅰ和PRC600AB-Ⅱ兩種常用規(guī)格PRC 管樁的受彎和受剪性能，分析指出配置1212 的PRC樁的開裂彎矩和極限彎矩分別是配置812 的PRC樁的1.1倍和1.4倍，增加非預(yù)應(yīng)力鋼筋能提高PRC 樁的受彎承載性能，并且建議采用式⑴～式⑹［16-17］計算PRC 樁的抗彎承載力。在理論計算方面，王清等人［18］推導(dǎo)了混合配筋預(yù)應(yīng)力環(huán)形截面構(gòu)件正截面受彎承載力理論計算方法，并且與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（2015 年版）：GB 50010—2010》［16］中給出的疊加法計算公式進(jìn)行了比較，結(jié)論為使用式⑴～⑶適用于PRC管樁的受彎承載力設(shè)計值的計算。另外，也有許多學(xué)者通過有限元模擬展開了對混合配筋管樁抗彎承載力的研究。王新玲等人［19］基于管樁的抗彎模型試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合有限元軟件對混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗彎剛度進(jìn)行了模擬分析，進(jìn)而修正了適用于PRC樁開裂前后抗彎剛度計算公式；張錫治等人［20］的有限元模型討論了軸壓比、配筋強(qiáng)度比、預(yù)應(yīng)力度和混凝土強(qiáng)度等參數(shù)對混合配筋管樁受力性能的影響，結(jié)果表明管樁極限承載力隨著配筋強(qiáng)度比的增大而小幅度增大；郭楊等人［21］在PRC管樁抗彎承載力試驗的基礎(chǔ)上，采用ANSYS 有限元程序?qū)RC 管樁在集中荷載作用下的開裂荷載和極限荷載進(jìn)行了模擬分析?？梢?，配置非預(yù)應(yīng)力鋼筋的管樁極限彎矩有了顯著提高，然而抗裂彎矩增加幅度并不顯著。

混合配筋管樁正截面受彎承載力設(shè)計值計算：

式中：M為PRC管樁正截面受彎承載力設(shè)計值（kN·m）；Mu為PRC 管樁正截面受彎承載力極限值（kN·m）；A為管樁樁身橫截面面積（mm2）；AS為全部縱向非預(yù)應(yīng)力鋼筋的總截面面積（mm2）；Ap為全部縱向預(yù)應(yīng)力鋼棒的總截面面積（mm2）；r1、r2為環(huán)形截面的內(nèi)外半徑（mm）；rS為縱向非預(yù)應(yīng)力鋼筋所在分布圓的半徑（mm）；rp為縱向預(yù)應(yīng)力鋼棒所在分布圓的半徑（mm）；α為矩形應(yīng)力圖中，混凝土受壓區(qū)面積與全截面面積的比值；αt為矩形應(yīng)力圖中，縱向受拉預(yù)應(yīng)力鋼棒達(dá)到屈服強(qiáng)度的鋼筋面積與全部縱向預(yù)應(yīng)力鋼棒截面面積的比值；σp0為預(yù)應(yīng)力鋼棒合力點處混凝土法向應(yīng)力等于零時的預(yù)應(yīng)力鋼棒應(yīng)力（N/mm2）；fc、fck分別為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值和標(biāo)準(zhǔn)值（N/mm2）；fpy、fptk分別為預(yù)應(yīng)力鋼棒的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值和標(biāo)準(zhǔn)值（N/mm2）；fpy′為預(yù)應(yīng)力鋼棒抗壓強(qiáng)度設(shè)計值（N/mm2）；fy、fyk分別為非預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值和標(biāo)準(zhǔn)值（N/mm2）；γ′為考慮實際條件下的綜合折減系數(shù)，取γ′=0.95。

另一方面，混合配筋管樁的抗剪性能也是不容忽視的研究重點。張忠苗等人［22-23］選取PRC600（110）樁為對象依據(jù)國標(biāo)試驗方法進(jìn)行抗彎抗剪試驗，指出在剪力作用下配置非預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋改變了樁身的應(yīng)力和裂縫分布規(guī)律，顯著減小了樁的變形量，然而對抗剪承載力的提高沒有顯著影響；胡新喜等人［24-25］對3 根PHC600（110）樁和7 根PRC600（110）樁進(jìn)行了抗剪承載力對比試驗，試驗數(shù)據(jù)顯示，無軸壓時PRC樁的極限剪力比PHC 樁提高了3.6%，在同一級豎向荷載作用情況下，PRC 樁跨中撓度比PHC 樁減小17%～30%，后續(xù)的有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果也基本吻合，說明在PHC樁中加入非預(yù)應(yīng)力鋼筋可以提高管樁的抗剪承載力和抗剪剛度。徐金等人［26］的PRC 樁抗彎抗剪試驗與有限元模擬結(jié)果顯示，相比普通管樁，PRC 樁的開裂彎矩增加不顯著，但是其極限彎矩明顯增大，所有PRC 樁比普通管樁的抗裂剪力略微減小，隨著與非預(yù)應(yīng)力鋼筋直徑增加，抗裂剪力逐漸減小，極限彎矩逐漸增大；崔川［27］的有限元模擬結(jié)果同樣認(rèn)為混合配筋管樁的延性有所提高，抗彎性能顯著提高，但是其極限剪力會有所降低。通過對以上研究的回顧不難發(fā)現(xiàn)，配置非預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋改變了樁身的應(yīng)力和裂縫分布規(guī)律，顯著減小了樁的變形量，樁的延性有所提高，然而，不能有效提高抗剪承載力。

2 混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁抗震性能

在地震多發(fā)區(qū)域，研究人員最關(guān)心的就是樁的抗震性能。早在1983 年日本就已經(jīng)開發(fā)出ST 樁、PRC樁，以增強(qiáng)管樁的抗震性能。為了解混合配筋管樁抗震性能，學(xué)者們已經(jīng)對其展開了研究。戎賢等人［28-30］，寧飛［31］，徐金等人［32］，YANG 等人［33-34］對配置不同直徑非預(yù)應(yīng)力鋼筋的混合配筋混凝土管樁進(jìn)行了低周往復(fù)荷載試驗及有限元模擬，分析了樁的破壞形態(tài)與受力性能。結(jié)果表明布置適當(dāng)直徑的非預(yù)應(yīng)力鋼筋能提高管樁位移延性系數(shù)，改善管樁脆性斷裂的不足；王鐵成等人［35-36］的低周往復(fù)加載試驗指出，配置非預(yù)應(yīng)力筋可顯著提高PHC 管樁的極限位移，改善樁的破壞模式從而增強(qiáng)樁的抗震能力；王文進(jìn)［37］研究表明PRC 管樁在往復(fù)荷載作用下發(fā)生延性破壞，其極限承載力相比PHC 管樁提高了30%～60%；劉彥坡［38］通過開展現(xiàn)場試驗和有限元模擬研究了考慮樁-土相互作用下PRC 管樁的水平承載性能及其在地震作用下的受力和變形特點，分析認(rèn)為在低周水平往復(fù)荷載作用下，增配非預(yù)應(yīng)力鋼筋使得PHC管樁的破壞形式呈現(xiàn)從脆性破壞到延性破壞的一個逐漸過渡的過程，能夠改善常規(guī)PHC 管樁抗震性能；張錫治等人［39］通過擬靜力試驗研究了軸壓比對預(yù)制高強(qiáng)混凝土混合配筋管樁的破壞形態(tài)和抗震性能的影響，結(jié)果表明，配置預(yù)應(yīng)力鋼筋的管樁試件殘余應(yīng)變位移更小，自復(fù)位能力更強(qiáng)；劉暢等人［40］在軟土地區(qū)對PHC管樁和復(fù)合配筋管樁進(jìn)行了現(xiàn)場足尺抗震性能試驗，試驗指出混合配筋管樁的抗震性能相比PHC 管樁有顯著提高；鄭剛等人［41］針對預(yù)應(yīng)力管樁、預(yù)應(yīng)力方樁和鉆孔灌注樁等38根樁，在典型軟土場地展開了原位單樁擬靜力試驗，考慮樁-土相互作用對比了低周往復(fù)水平荷載作用下不同樁型的承載性狀及抗震性能，試驗結(jié)果表明常規(guī)預(yù)應(yīng)力樁延性較差，呈脆性破壞，而增配非預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力樁的位移延性及耗能能力得到顯著改善，抗震能力得到加強(qiáng)?？梢姡啾扔趥鹘y(tǒng)PHC管樁，在管樁中增配非預(yù)應(yīng)力鋼筋確實能夠增強(qiáng)管樁的延性和抗震能力，這為PRC 管樁在抗震地區(qū)的推廣提供了更加可靠的證據(jù)，然而目前的研究對水平荷載作用下預(yù)應(yīng)力鋼筋與非預(yù)應(yīng)力鋼筋的共同工作機(jī)理尚不夠清晰，因此PRC 管樁抗震性能及其優(yōu)化方案有待進(jìn)一步探索。

3 混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的工程應(yīng)用

與傳統(tǒng)管樁相比，PRC 管樁有更好的延性、抗彎性能和抗震性能，目前已經(jīng)有部分實際工程應(yīng)用了PRC 管樁，如蔡磊等人［42］將PRC 管樁應(yīng)用于深厚軟土地區(qū)的基坑支護(hù)工程，通過軟件計算與現(xiàn)場實際的檢測數(shù)據(jù)對比，證明了此類軟土區(qū)域采用PRC 排樁支護(hù)的可行性。大浪淀樞紐泵站采用了PRC 管樁、錨索支護(hù)和水泥土攪拌樁止水帷幕相結(jié)合的基坑支護(hù)技術(shù)，基坑周圍環(huán)境監(jiān)測結(jié)果均在安全規(guī)定范圍內(nèi)，支護(hù)效果比較理想，大大節(jié)省了施工成本［43］。廣西南寧某深基坑［44］、山東煙臺某基坑工程［45］、河南開封某商業(yè)樓項目［46］均采用了PRC管樁加錨索的支護(hù)方式，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示基坑變形滿足設(shè)計和規(guī)范要求。某深厚淤泥地質(zhì)條件的基坑工程［47］采用了PRC 管樁加內(nèi)支撐的支護(hù)方式，開挖過程中基坑狀態(tài)良好，節(jié)省了施工成本和工期。天津市某廠房項目［48］采用了PRC 管樁加角撐的基坑支護(hù)方案，施工過程順利進(jìn)行，現(xiàn)場觀測結(jié)果也符合設(shè)計預(yù)期。在青島某基坑支護(hù)工程中［49］，第二支護(hù)單元使用了單排布置的PRC-I 600AB110 單節(jié)預(yù)制管樁加錨桿的支護(hù)方案，收集了基坑及周邊監(jiān)測點沉降的檢測數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為此支護(hù)方案安全可靠。姚小波［50］和黃偉達(dá)［51］介紹的某基坑工程案例中也應(yīng)用了PRC 管樁作為懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)，此外，PRC 管樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)也在珠三角地區(qū)的某基坑工程中得到應(yīng)用［52］。通過對以上實際工程案例的回顧可以看出，PRC 管樁由于其良好的抗彎和抵抗水平荷載的能力在基坑支護(hù)方面得到了大量使用，不僅能保證施工安全進(jìn)行，節(jié)省了成本和工期，能夠達(dá)到良好的設(shè)計預(yù)期，同時可以有效減少對周邊環(huán)境的負(fù)面影響。然而目前的實際應(yīng)用集中于支護(hù)領(lǐng)域，在基礎(chǔ)工程領(lǐng)域的應(yīng)用尚有待推廣應(yīng)用，特別是抗震設(shè)防區(qū)域的實際應(yīng)用有待進(jìn)一步的研究。盡管如此，PRC 管樁在工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景仍十分有潛力。

4 結(jié)語與展望

本文從混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗彎、抗剪和抗震性能及其工程應(yīng)用這幾個方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡述，通過對已有重要研究成果的回顧匯總出了一些重要觀點與結(jié)論，可為后續(xù)PRC 管樁的優(yōu)化設(shè)計提供借鑒。

⑴相比傳統(tǒng)管樁，PRC 管樁的延性、極限彎矩有了顯著提高，但是其抗裂、抗剪性能的改善不顯著。

⑵增配非預(yù)應(yīng)力鋼筋可以顯著改善管樁的極限位移、位移延性、滯回性能及耗能能力，增強(qiáng)了管樁的抗震性能。

⑶PRC 管樁在基坑支護(hù)方面得到了大量使用，不僅能保證施工安全進(jìn)行，還節(jié)省了成本和工期，同時可以有效減少對周邊環(huán)境的不利影響，能夠達(dá)到良好的設(shè)計預(yù)期。

⑷盡管已有的PRC 樁抗彎、抗剪性能的研究已經(jīng)取得較多成果，然而，一方面是PRC 管樁中預(yù)應(yīng)力鋼筋與非預(yù)應(yīng)力鋼筋的共同工作機(jī)理尚不夠清晰；另一方面，PRC 管樁的實際應(yīng)用仍然集中于支護(hù)領(lǐng)域，在抗震設(shè)防區(qū)域的實際應(yīng)用尚有待推廣應(yīng)用。因此，PRC管樁的優(yōu)化設(shè)計仍需要更進(jìn)一步的研究探索。