桑登峰，胡若鄰

（中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230）

混凝土材料抗壓強度高、抗彎拉能力弱的特點導(dǎo)致混凝土管樁抗彎能力弱；而預(yù)應(yīng)力混凝土管樁有效克服了混凝土管樁在抗彎方面的不足；另外由于其單樁承載力高、耐久性好、施工快、質(zhì)量可靠等優(yōu)點，使得預(yù)應(yīng)力管樁在水運碼頭、工業(yè)民用建筑、鐵路橋梁等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。

隨著工程技術(shù)的發(fā)展以及施工技術(shù)的進步，對預(yù)應(yīng)力混凝土大直徑管樁的要求也越來越高，管樁直徑越來越大，樁長也越來越長[4-5]。改進型后張法大管樁進行了如下改進：1）采用復(fù)合成型工藝、改進混凝土配比和蒸養(yǎng)工藝使混凝土強度等級達到C80；2）改進預(yù)應(yīng)力張拉工藝，消除后批張拉對前批張拉預(yù)應(yīng)力的影響；3）增長單節(jié)管節(jié)長度，單節(jié)長度達到8 m；4）提高管樁混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力，有效預(yù)壓應(yīng)力達到15.6 MPa。

直徑1.2 m的改進型后張法預(yù)應(yīng)力大管樁（壁厚14.5 cm，單節(jié)長度為8 m，混凝土有效預(yù)應(yīng)力為15.6 MPa），該型管樁抗裂彎矩和極限彎矩的設(shè)計計算值分別為2681 kN·m、3617 kN·m，且管樁接頭抗裂彎矩和極限彎矩不小于管樁本身抗裂彎矩和極限彎矩，本文通過一系列的試驗，研究該型樁的受力特性和破壞特征，證明了此改進型后張法管樁在抗彎性能方面優(yōu)勢明顯。

1 試驗概況

針對后張法大管樁的抗彎能力改善情況，本次試驗重點研究了此型混凝土管樁的抗彎性能，包括管節(jié)抗彎性能以及管樁接頭的抗彎性能，本次試驗為驗證性試驗，以試驗樁達到設(shè)計要求為首要目的。試驗內(nèi)容包括加載過程中樁身關(guān)鍵截面應(yīng)力分布、撓度變化、裂縫發(fā)展及斷裂性狀4大部分。試驗采用6根試驗樁，其中3根管樁進行管節(jié)抗彎試驗研究，另外3根管樁進行管樁接頭抗彎試驗研究，試驗樁的基本情況如表1所示。

表1 試驗樁概況匯總表

2 試驗設(shè)備

試驗裝置參考國家標準相關(guān)規(guī)范制作[7-8]，采用反力架加載裝置，加載采用自鎖式穩(wěn)壓千斤頂，撓度測定采用百分表進行，應(yīng)變的觀測采用電阻應(yīng)變片（120 Ω，標距 5 cm），采集裝置采用UCAM-60B靜態(tài)應(yīng)變儀，裂縫寬度測定采用RSCK裂縫寬度測試儀。裂縫分布采用攝像以及裂縫展開圖的方式記錄。管節(jié)本身抗彎試驗裝置如圖1所示，管樁接頭抗彎試驗裝置如圖2所示。

圖1 管節(jié)抗彎裝置示意圖

圖2 管節(jié)接頭抗彎裝置示意圖

試驗的加載方式根據(jù)GB 13479—2009《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》確定，大直徑管樁抗彎試驗采用分級加載。當試驗荷載小于正常使用的設(shè)計荷載時，每級荷載為該荷載值的20%；當試驗荷載大于設(shè)計荷載時，每級荷載為設(shè)計荷載的10%；當試驗荷載接近抗裂荷載時，每級荷載為設(shè)計荷載的5%。每級荷載持荷5 min，以試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定為準。試驗過程中同時記錄下各級荷載作用下的構(gòu)件變形，包括荷載值、跨中下?lián)?、支座沉降和混凝土?yīng)變，記錄的時間為第0、3 min和5 min。當構(gòu)件出現(xiàn)裂縫時，應(yīng)同步記錄裂縫出現(xiàn)的時間，并測量裂縫的寬度，描述裂縫的分布。

抗裂荷載的檢驗標志有：出現(xiàn)肉眼可見裂紋；混凝土應(yīng)變突變；百分表指針跳動。極限荷載的檢驗標志有：構(gòu)件受壓區(qū)混凝土破壞；受拉鋼筋被拉斷；受拉主筋處的最大裂縫寬度達到1.5 mm。當出現(xiàn)以上任何一種標志時，即可判定已出現(xiàn)該荷載狀態(tài)。

樁身抗裂承載力（彎矩）和極限承載力（彎矩）判斷參考GB 13476—2009《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》可確定：1）當在試驗加載過程中出現(xiàn)上述檢驗標志時，應(yīng)取前一級荷載值作為檢驗荷載的實測值；2）在規(guī)定的荷載持續(xù)時間內(nèi)出現(xiàn)上述檢驗標志時，取本級荷載值與前一級荷載值的平均值作為其檢驗荷載的實測值；3）當在規(guī)定的荷載持續(xù)時間結(jié)束后出現(xiàn)上述檢驗標志時，取本級荷載值作為其檢驗荷載實測值。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 管節(jié)本身抗彎性能

根據(jù)圖1所示，對于24 m（8×3）的后張法大管樁，其抗裂彎矩和極限彎矩計算公式為：

其中：p0=5.5 kN（分配梁、千斤頂和U型箍總重）；L=24 m；a=0.5 m。

根據(jù)該型樁的設(shè)計資料，可以分別得到設(shè)計抗裂荷載472.5 kN，設(shè)計極限荷載680.5 kN。

管樁本身抗彎試驗的荷載-跨中撓度曲線，如圖3所示。試驗樁加載過程大致可分為兩個階段：荷載約550 kN前，結(jié)構(gòu)抗彎剛度約為20 kN/mm；約550 kN后，結(jié)構(gòu)抗彎剛度明顯減小，說明結(jié)構(gòu)已開裂，受拉區(qū)混凝土部分退出工作。

圖3 管節(jié)抗彎試驗跨中撓度發(fā)展

試驗樁跨中荷載-應(yīng)力發(fā)展情況如圖4所示。（C80混凝土彈性模量取3.8×104MPa，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負），由圖中可以發(fā)現(xiàn)，裂縫出現(xiàn)之前樁身跨中應(yīng)力比較小且基本呈線性分布。

圖4 管節(jié)抗彎試驗應(yīng)力發(fā)展

管樁本身抗彎試驗的裂縫分布，如圖5～7所示。

圖5 1號管樁裂縫分布圖

圖6 2號管樁裂縫分布圖

圖7 3號管樁裂縫分布圖

1號管樁抗彎試驗結(jié)果如下，加載到545.1 kN時，樁身跨中上下部的拉壓應(yīng)變幾乎相等；加載到594.6 kN時，加載過程中，樁身跨中下部出現(xiàn)了長0.3 m、寬0.01 mm的裂縫，且拉應(yīng)變減小；加載到644.2 kN時，在持荷時間內(nèi)，樁身跨中加載點下方的樁身下部新增了2條長0.6 m、寬0.1 mm的橫向裂縫；加載到693.7 kN時，在持荷時間內(nèi)，裂縫延伸了0.4 m；加載到743.3 kN時，在持荷時間內(nèi)，新增了2條裂縫；加載到768.0 kN時，在持荷時間內(nèi)，又新增了2條裂縫，跨中1條裂縫，另一條裂縫出現(xiàn)在右側(cè)加載點向右偏移1.2 m處樁身下部；加載到790.2 kN時，在持荷時間內(nèi)，樁身跨中下部裂縫最大寬度增至0.6 mm；加載到842.4 kN時，在持荷時間后，樁身跨中下部裂縫最大寬度增至0.8 mm，裂縫數(shù)量發(fā)展到10條。

2號管樁抗彎試驗結(jié)果如下，加載到545.1 kN時，樁身跨中下部拉應(yīng)變增加緩慢；加載到594.6 kN時，加載過程中，加載點處樁身下部開裂，長0.5 m，寬0.1 mm；加載到644.2 kN時，在持荷時間后，跨中下部拉應(yīng)變突然變小，跨中下部出現(xiàn)寬0.3 mm裂縫；荷載由693.7 kN到842 kN過程中，樁身跨中裂縫最大寬度由0.5 mm變?yōu)? mm，且裂縫出現(xiàn)范圍逐漸擴大，分布在加載點下方左右1.5 m范圍內(nèi)，裂縫數(shù)量為11條。

3號管樁抗彎試驗結(jié)果如下，加載到545.1 kN時，在持荷時間內(nèi)，樁身跨中下部出現(xiàn)長0.3 m寬0.05 mm裂縫；加載到644.2 kN時，在持荷時間后，共出現(xiàn)7條裂縫，最寬的0.3 mm，長1 m；加載到693.7 kN時，在持荷時間后，新增了2條裂縫，共9條裂縫，最寬的0.5 mm，長1.2 m；荷載由718.5 kN到941.5 kN過程中，共有11條裂縫，裂縫最大寬度由0.6 mm變?yōu)?.6 mm。

對于1號樁，加載到594.6 kN時，在持荷時間內(nèi)，樁身跨中下部出現(xiàn)了裂縫，則實測抗裂荷載取本級荷載與前一級荷載的平均值，為569.85 kN；加載到842.4 kN時，在持荷時間后，樁身出現(xiàn)裂縫的最大寬度為0.8 mm，還沒達到極限狀態(tài)，由于地錨開裂，加載終止，實測極限荷載大于842.4 kN。即實測抗裂彎矩為3119.1 kN·m，大于設(shè)計抗裂彎矩2681 kN·m；實測極限彎矩大于4345.6kN·m，也大于設(shè)計極限彎矩3617kN·m。

對于2號樁，加載到594.6 kN時，在加載過程中樁身開裂，則實測抗裂荷載取前一級荷載，為545.1 kN；加載到842.4 kN時，在持荷時間后，樁身出現(xiàn)裂縫的最大寬度為1 mm，還沒達到極限狀態(tài)，由于地錨開裂，加載終止，可見實測極限荷載大于842.4 kN。實測抗裂彎矩為3007.7 kN·m，大于設(shè)計抗裂彎矩2681 kN·m；實測極限彎矩大于4345.6 kN·m，也大于設(shè)計極限彎矩3617 kN·m。

對于3號樁，加載到545.1 kN時，在持荷時間內(nèi)，樁身開裂，實測抗裂荷載取本級荷載與前一級荷載的平均值，為520.3 kN；加載到941.5 kN時，在持荷時間后，樁身跨中下部出現(xiàn)了寬1.6 mm橫向裂縫，該樁已達到極限狀態(tài)，實測極限荷載取本級荷載，為941.5 kN。實測抗裂彎矩為2896.1 kN·m，大于設(shè)計抗裂彎矩2681 kN·m；實測極限彎矩為4791.5 kN·m，大于設(shè)計極限彎矩 3617 kN·m。

3.2 管樁接頭抗彎性能

根據(jù)圖2所示，對于16 m（8×2）的后張法大管樁，其抗彎彎矩計算公式為：

其中：p0=5.5 kN，L=16 m，a=0.5 m，q=12.62 kN/m。

根據(jù)該管樁設(shè)計資料，可以分別得到設(shè)計抗裂荷載698.4 kN，設(shè)計極限荷載977.8 kN。

管樁接頭抗彎試驗的荷載-跨中撓度曲線，如圖8所示。試驗樁加載過程大致可分為兩個階段：荷載約700 kN前，結(jié)構(gòu)抗彎剛度約為45 kN/mm；約700 kN后，結(jié)構(gòu)抗彎剛度明顯減小，說明結(jié)構(gòu)已開裂，受拉區(qū)混凝土部分退出工作。

圖8 管節(jié)接頭抗彎試驗跨中撓度發(fā)展

試驗樁跨中荷載-應(yīng)力發(fā)展情況如圖9所示。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，裂縫出現(xiàn)之前樁身跨中應(yīng)力比較小且基本呈線性分布。

圖9 管節(jié)接頭抗彎試驗應(yīng)力發(fā)展

4號、6號管樁抗彎試驗的裂縫分布如圖10、圖11所示。

圖10 4號管樁裂縫分布圖

圖11 6號管樁裂縫分布圖

4號后張法大管樁接頭抗彎試驗結(jié)果如下，加載到738 kN時，在持荷時間內(nèi)，管樁兩端外壁的上下部出現(xiàn)兩條順樁向裂縫，長0.8 m，寬0.2 mm；加載到785 kN時，在持荷時間后，樁身接頭下部黏結(jié)縫出現(xiàn)長0.77 m、寬0.1 mm的橫向裂縫，下部跨縫應(yīng)變片破壞；加載到831 kN時，管樁兩端外壁的上下部出現(xiàn)兩條順樁向裂縫增長到1.2 m，寬度0.4 mm，在持荷時間后，樁身跨中下部的裂縫增長了0.3 m，同時由于地錨出現(xiàn)寬0.5 mm的裂縫，加載終止。

5號后張法大管樁接頭抗彎試驗結(jié)果如下，加載到738 kN時，樁身混凝土和粘結(jié)處均未出現(xiàn)裂縫，由于地錨開裂，終止加載。

6號后張法大管樁接頭抗彎試驗結(jié)果如下，加載到715 kN時，在持荷時間后，管樁跨中的下部黏結(jié)縫出現(xiàn)了微裂縫，且下部拉應(yīng)變突然變大；加載到738 kN時，管樁跨中下部拉應(yīng)變減??；加載到877 kN時，在持荷時間后，地錨處出現(xiàn)寬0.2 mm的裂縫，管樁跨中上部壓應(yīng)變突然變大；管樁兩端外壁的上下部出現(xiàn)兩條順樁向裂縫，長1.3 m，寬0.3 mm；加載到923 kN時，在持荷時間內(nèi)，管樁跨中下部出現(xiàn)寬0.5 mm的裂縫；加載到980 kN時，在持荷時間結(jié)束后，管樁跨中上部混凝土壓碎破壞。

對于4號樁，加載到738 kN時，在持荷時間內(nèi)，樁兩端內(nèi)壁上下部出現(xiàn)裂縫，實測抗裂荷載取本級荷載與前一級的平均值，為726.5 kN。實測抗裂彎矩為2775.3 kN·m，大于設(shè)計抗裂彎矩2681 kN·m。

對于5號樁，加載到738 kN時，在持荷時間后，樁身未出現(xiàn)裂縫，因地錨開裂，加載終止，實測抗裂荷載大于本級荷載738 kN。實測抗裂彎矩大于2814 kN·m，大于設(shè)計抗裂彎矩2681 kN·m。

對于6號樁，加載到715 kN時，在持荷時間后，樁的右端內(nèi)壁出現(xiàn)了裂縫，實測抗裂荷載取本級荷載，為715 kN；加載到980 kN時，在持荷時間結(jié)束后，樁身跨中上部混凝土壓碎，樁已達到極限狀態(tài)，實測極限荷載取本級荷載，為980 kN。實測抗裂彎矩為2736.7 kN·m，大于設(shè)計抗裂彎矩2681 kN·m；實測極限彎矩為3621 kN·m，大于設(shè)計極限彎矩3617 kN·m。

綜上所述，后張法大管樁的實測平均抗裂彎矩為3007 kN·m，超過設(shè)計抗裂彎矩12%；實測平均極限彎矩為4494 kN·m，超過設(shè)計極限彎矩24%。后張法大管樁接頭的實測平均抗裂彎矩為2775 kN·m，超過設(shè)計抗裂彎矩3.5%，該樁的實測抗裂彎矩滿足設(shè)計要求。

4號和6號后張法大管樁管樁兩端外壁的上下部出現(xiàn)兩條順樁向裂縫，尤其是4號后張法大管樁兩端外壁先于跨中出現(xiàn)裂縫，管樁兩端外壁開裂主要是由于支點反力在管樁端部支點附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，懸臂端過短導(dǎo)致管樁端部外壁受拉應(yīng)力過大所致。規(guī)范[7]中建議的懸臂端長度為0.2 L，但是有時由于加載能力的限制，試驗中會有意增加跨中長度，縮小懸臂端長度，但是懸臂端過短會導(dǎo)致端部先開裂，影響抗彎試驗測試的試驗結(jié)果，從試驗結(jié)果可以看出，跨中極限彎矩時，管樁兩端外壁的開裂長度最大為1.3 m（約為1倍樁直徑），而懸臂端在2.5 m（約為2倍樁直徑）時，試驗過程中管樁兩端外壁未出現(xiàn)開裂，因此建議混凝土管樁抗彎試驗中，懸臂端長度在1～2倍管樁直徑之間。

4 結(jié)語

通過一系列的抗彎試驗，可以得出以下結(jié)論：

1）后張法大管樁的實測平均抗裂彎矩為3007 kN·m，超過設(shè)計抗裂彎矩12%；實測平均極限彎矩為4494 kN·m，超過設(shè)計極限彎矩24%。后張法大管樁接頭的實測平均抗裂彎矩為2775 kN·m，超過設(shè)計抗裂彎矩3.5%，該樁的實測抗裂彎矩滿足設(shè)計要求。

2）抗彎試驗顯示，樁身裂縫集中分布在純彎段3 m范圍內(nèi)。

3）混凝土管樁抗彎試驗，兩端懸臂端的長度在1～2倍管樁直徑之間。

[1]鄧友生.預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的應(yīng)用研究及發(fā)展前景[J].建筑技術(shù)，2003，34（4）：263-266.

[2]卓楊.大直徑離心鋼管混凝土管樁抗彎承載力研究[J].巖土工程學(xué)報，2011，33（2）：135-138.

[3]張忠苗.加強型預(yù)應(yīng)力混凝土管樁抗彎剪性能試驗研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2011，45：15-21.

[4]JGJ 94—94，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[5]柳炳康.預(yù)應(yīng)力填芯管樁抗彎性能與延性特性的試驗[J].工業(yè)建筑，2007，37（3）：46-50.

[6]JTS 167-6—2011，港口工程后張法預(yù)應(yīng)力混凝土大管樁設(shè)計與施工規(guī)程[S].

[7]GB 13479—2009，先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁[S].

[8]GB 50152—92，混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準[S].