孫曉凱

（1.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院綠色建筑與裝配式建造安虎生重點實驗室，安徽 合肥 230031）

0 引言

采用旋轉(zhuǎn)離心和預(yù)應(yīng)力先張法成型方法制成的一種形狀如細(xì)長空心體混凝土預(yù)制構(gòu)件稱為先張法預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁[1]，我們也稱之為PHC樁（Pretensioned prestressed high strength concrete pipe pile）。先張法預(yù)應(yīng)力混凝管樁在生產(chǎn)廠房以流水線生產(chǎn)方式制造，包含鋼筋籠的綁扎、預(yù)應(yīng)力張拉、混凝土的澆筑以及高溫高壓養(yǎng)護(hù)。生產(chǎn)完成之后，通過陸路或者水運的方式運輸至施工場地，采用靜壓或者錘擊的打樁機將預(yù)應(yīng)力管樁沉入地基土，由此作為上部建筑物的基礎(chǔ)來承受各種荷載。此種樁型在實際工程中被越來越多的應(yīng)用，是由于這類樁型具有單樁承載力比較高、生產(chǎn)規(guī)模高度工業(yè)化、質(zhì)量比較易于保障、施工現(xiàn)場不會造成污染、適用于比較復(fù)雜的工程地質(zhì)條件、具備較快的施工速度等許多優(yōu)點，并且逐漸形成工程管樁應(yīng)用體系，主要以預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PC）、預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁（PHC）為主、預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁管樁（PTC）、鋼管樁等為輔[2]。因為具備如此多的優(yōu)點，混凝土管樁在很多建筑工程和路橋工程中都有大規(guī)模的應(yīng)用，產(chǎn)生了非常好的經(jīng)濟效益。然而在預(yù)應(yīng)力管樁的應(yīng)用過程中，其關(guān)鍵技術(shù)原理大多照搬實心樁的相關(guān)技術(shù)成果，本文從預(yù)應(yīng)力混凝土管樁自身特點出發(fā)，研究了管樁應(yīng)用過程中的承載力特性、擠土效應(yīng)、土塞效應(yīng)和群樁效應(yīng)，為今后預(yù)應(yīng)力混凝土管樁更大規(guī)模的工程應(yīng)用提供了科學(xué)的理論指導(dǎo)。

1 承載力分析

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁頂?shù)呢Q向荷載由樁端阻力和樁側(cè)阻力共同承擔(dān)，單樁豎向承載力的發(fā)揮由樁體和土體共同工作來體現(xiàn)，所以對樁體工作性能的研究是單樁基豎向承載力分析的理論基礎(chǔ)[3]，即對樁端阻力和樁側(cè)阻力的研究。巖土體本身的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、擠土效應(yīng)、樁的幾何尺寸、樁進(jìn)入持力層的深度效應(yīng)、下臥土層的影響以及樁周土層組合特征影響等因素共同決定著單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值的估算。通常情況下，由承載力參數(shù)和土的物理指標(biāo)之間的相互關(guān)系計算單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的時候，可以按照下面的公式初步估算：

上式中Quk——管樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值；μ——管樁樁身外周長；qsik——樁周土的摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值；li——不同土層劃分的不同段樁長；α——樁端阻力修正系數(shù)；psk——樁體極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Ap——封口投影面積。

首先，對于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁來說，樁體垂直于土體進(jìn)入土體，在這個過程中，樁體上部建筑結(jié)構(gòu)荷載通過樁體本身隨著土層逐層向下傳遞發(fā)散，因為樁體要不斷克服由于土層摩擦產(chǎn)生的樁身側(cè)向摩阻力，所以樁身內(nèi)部軸力會沿著樁身進(jìn)入土體的豎直方向不斷減小。其次，地基土的抗剪強度與樁身側(cè)摩阻力有著很大的關(guān)系，樁身側(cè)摩阻力隨土體土質(zhì)條件的不同會有所不同；樁身端阻力的破壞模式主要有沖剪破壞、局部剪切破壞和整體剪切破壞三種形式。最后，樁端土層物理力學(xué)性質(zhì)、樁體埋置入土深度、荷載施加速率、和成樁效應(yīng)等因素都決定著樁端土體的破壞形式。

2 擠土效應(yīng)分析

地基土的物理力學(xué)性質(zhì)很大程度上決定著預(yù)應(yīng)力混凝土管樁擠土效應(yīng)的發(fā)揮，對于軟弱土層比較厚的地基土尤其顯著，在樁體沉入土體的過程中產(chǎn)生的擠土效應(yīng)會導(dǎo)致樁身附近土體在水平方向上產(chǎn)生一定的位移，同時一部分不可忽略的超孔隙水壓力在樁身附近土層中產(chǎn)生，從而導(dǎo)致原狀地基土的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生改變[4]。比較特殊的是，對于非飽和地基土體來說，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁沉入地基土的過程中，樁身土體受到樁體的擠壓，地基土體土顆粒間的空隙受力壓縮，導(dǎo)致土體體積減小，所以預(yù)應(yīng)力混凝土管樁沉樁擠土效應(yīng)對于非飽和土層發(fā)揮就不是那么顯著。但是對于飽和地基土體以及硬黏土土質(zhì)，預(yù)應(yīng)力樁體沉樁過程中，土體受擠壓縮的變形就很小，這就使得預(yù)應(yīng)力管樁沉樁過程中的擠土效應(yīng)表現(xiàn)得非常明顯，從而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力管樁樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮產(chǎn)生顯著增大。

圓孔擴張理論是目前比較成熟的分析研究預(yù)應(yīng)力管樁沉樁擠土效應(yīng)的一種計算模型，此理論認(rèn)為土體受到的荷載和土體的幾何形狀是關(guān)于管樁樁體對稱的。在這個基本假設(shè)情況下，研究人員就可以把管樁沉樁擠土效應(yīng)問題簡化為平面軸對稱的問題來加以計算分析。由于受到了均勻分布的內(nèi)壓力的作用，圓孔外側(cè)的圓筒形區(qū)域?qū)⒂蓮椥誀顟B(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)，內(nèi)壓力的大小和塑性區(qū)的大小是相互關(guān)聯(lián)的。假設(shè)管樁的外半徑和內(nèi)半徑分別為Ru和R0，也就可以看作圓柱孔的擴張后的終孔半徑和初始半徑，地基土體塑性區(qū)最大半徑為Rp，對應(yīng)的內(nèi)壓力最終值為Pu。仍然保持著彈性平衡狀態(tài)就是在半徑Rp以外的土體。圖1所示的就是土體計算單元模型。

圖1 擠土效應(yīng)土體單元計算模型

通過整理計算得到：半徑r處的徑向應(yīng)力為：

彈性區(qū)半徑r處的位移表達(dá)式：

式中：體積應(yīng)變Δ根據(jù)土的剪脹性試驗可得，各土層μ的取值可參考《工程地質(zhì)手冊》，現(xiàn)摘錄如表1所示。

土的泊松比μ經(jīng)驗值選用一覽表 表1

根據(jù)表1中土體泊松比經(jīng)驗值，土體在擠土效應(yīng)中的彈性區(qū)內(nèi)任一點的土體位移值以及塑性區(qū)邊界就可以運用上面的圓孔擴張理論公式來計算，為具體的工程實踐提供理論指導(dǎo)。

對于飽和地基土體以及硬黏土土質(zhì)的地基土，預(yù)應(yīng)力管樁沉樁過程中的擠土效應(yīng)非常明顯，可以采取改變管樁接頭連接：變焊接為抱箍式連接、竹節(jié)樁采用機械連接；可以改變布樁形式：加大樁間距；改變打樁方式：控制打樁速度和沉樁深度、采用間隔跳打的方式、采用低錘重?fù)舻姆绞酱驑?；可以對地基土進(jìn)行處理：埋置塑料排水板、設(shè)置非封閉式地下隔離擋墻等等。以上方式措施均能有效減少管樁沉樁時的擠土效應(yīng)。

3 土塞效應(yīng)分析

開口空心預(yù)應(yīng)力管樁在承載力作用原理方面區(qū)別于傳統(tǒng)方樁的最顯著的特點就是土塞問題。開口空心管樁從部分?jǐn)D土發(fā)展到完全擠土的過程就是土塞從不完全閉塞發(fā)展到完全閉塞的過程。開口管樁或方樁的側(cè)摩阻力特征受制于超孔隙水壓力對土體抗剪強度的影響，土體性質(zhì)直接制約著超孔隙水壓力與側(cè)阻力之間的相關(guān)程度。管樁基底下的楔形體在地基連續(xù)破壞下最終形成，管樁內(nèi)的土塞在沉樁過程中也隨之形成。所以，由于地基土的初始破壞模式對分析楔形體的產(chǎn)生和土塞的形成不構(gòu)成顯著影響，因此研究管樁的土塞作用與研究地基的極限承載力不同。如果不考慮管樁中的楔形體對土塞閉塞效應(yīng)產(chǎn)生的影響，那么揭示形成管內(nèi)內(nèi)摩阻力的法向應(yīng)力就會產(chǎn)生問題，主要是因為楔形體的形成是開口管樁產(chǎn)生土塞的一個至關(guān)重要的原因。

管樁中土塞的形成以及土塞的物理力學(xué)性質(zhì)分析過程中，管樁與土塞之間的相互作用受力機理的研究分析是非常復(fù)雜和困難的，因此對土塞的受力機理不做更深入具體的研究分析，只考慮土塞效應(yīng)對圓柱孔理論的應(yīng)用這一方面的影響。因此可以做如下簡化假設(shè)：把土塞假定為一個彈性體，是一個整體，受到土塞的摩擦阻力f、受到管壁作用于土塞的自重G和樁端下部地基極限強度Q等因素的影響。建立如圖2所示的土塞長度計算模型。

圖2 土塞長度計算模型

根據(jù)圖2，利用物理平衡條件，建立如下靜力物理力學(xué)平衡方程：

式中：Q為土塞下部地基土的極限強度；G為土塞自重；F為管壁作用于土塞上的總摩擦阻力。地基土的極限強度近似看成為樁端阻力，計算時取樁端極限承載力。

將（4）展開整理，得到：

式中：γ為土塞重度；h為土塞長度；q為土層的樁端極限承載力；f為管壁作用于土塞上的摩擦阻力；R0為管樁內(nèi)徑。

根據(jù)上式整理計算得到土塞長度h的表達(dá)式：

由于土塞是在管樁的沉樁過程中逐漸增長而形成的，在沉樁過程中每一層土都要受到擠壓作用，整個沉樁過程中均滿足上述假定條件。需要指出的是，上述計算方法由于受到各種實際因素的影響，在計算的準(zhǔn)確性方面可以做更深入的研究分析。

4 群樁效應(yīng)分析

在上部結(jié)構(gòu)豎向荷載作用下的管樁群樁基礎(chǔ)，地基、承臺和群樁之間的相互作用的綜合影響使得其樁端阻力、樁側(cè)阻力和樁的極限承載力明顯區(qū)別于單樁的現(xiàn)象稱之為群樁效應(yīng)[5]。具體表現(xiàn)為群樁的承載力不等于各單樁承載力之和，群樁的樁頂沉降不等于平均荷載下的各單樁樁頂沉降。一般情況下，我們用效應(yīng)系數(shù)來量化表征群樁效應(yīng)，效應(yīng)系數(shù)可以通過群樁中基樁的平均極限承載力與單樁的極限承載力的比值計算得到。

在實際工程中，設(shè)計人員通常采用單樁極限承載力乘以效應(yīng)系數(shù)的方法來得到群樁承載力。因此效應(yīng)系數(shù)的確定就變得相對關(guān)鍵了，目前常用的確定效應(yīng)系數(shù)的方法主要有四種，即：考慮樁實體基礎(chǔ)周邊長度的方法；Conrerse-Labrre群樁效應(yīng)公式；考慮應(yīng)力疊加的群樁效應(yīng)公式；參考承臺-樁-土體之間相互作用的分項群樁效應(yīng)系數(shù)的計算方法。但是以上各種確定效應(yīng)系數(shù)的方法都有一定的缺陷，對于管樁群樁基礎(chǔ)的計算根據(jù)具體工況選擇合適的理論方法，更為精確的確定方法還需要更深入的研究分析。

5 結(jié)語

本文通過對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在工程應(yīng)用中存在的問題展開研究，分析了預(yù)應(yīng)力管樁承載力計算方法，提出了管樁樁身任一位置的應(yīng)力及位移的計算公式以及減小擠土效應(yīng)的技術(shù)措施，同時給出了管樁樁身內(nèi)部土塞高度計算方法，并且對管樁群樁基礎(chǔ)的效應(yīng)系數(shù)的選取給出了合理建議，為今后預(yù)應(yīng)力混凝土管樁更大規(guī)模的工程應(yīng)用提供了科學(xué)的理論依據(jù)和指導(dǎo)。