PHC管桩单桩抗压和抗拔对比试验研究

张发佳

（福建省三明农业学校，福建 三明365500）

1 引言

预应力高强度混凝土管桩（简称PHC 管桩）常被用来承受下压或上拔荷载，已在国内外各类岩土工程中得到了广泛应用[1～3]。与常规灌注桩相比：PHC 管桩采用工厂化预制生产，能够较好地保证桩身质量；管桩机械化施工速度快，不需要进行混凝土养护，可有效缩短施工工期；PHC 管桩施工过程一般没有大范围的土方开挖和泥浆排放，有利于施工场地范围的环境保护。此外，PHC 管桩的桩身混凝土强度等级高、抗腐蚀能力强。

地基与基础之间的相互作用具有时空效应，基础承载性能受地质条件、基础型式、荷载工况等多种因素的影响。相同地基条件下不同类型基础型式、同一个基础型式在不同的地基条件下、同一个基础型式在不同荷载工况下的承载性能往往都会存在一定的差异。大量研究表明，对不同地质条件、不同桩基型式而言，其抗压与抗拔承载条件下的荷载-位移特征、受力特性和桩周土体侧阻力发挥均有所不同。总体上看，相对于各类桩基抗压承载性能研究而言，桩基础抗拔承载性能研究相对滞后。国内外实际工程设计中，一般都是采用土体抗压极限侧摩阻力乘以抗拔折减系数估算抗拔桩的极限承载力[5～9]。然而，对复杂地质条件下的PHC 管桩抗压和抗拔承载性能对比研究工作显得更少。本文开展了河漫滩复杂地质条件下的3 根PHC 管桩单桩抗压和3 根PHC 管桩单桩抗拔静载荷现场对比试验，并且在基础施工过程中进行了高应变法跟踪检测初打和复打监测，据此分析了PHC 管桩抗压和抗拔的荷载-位移特性及河漫滩地基承载性能，可为河漫滩复杂地质条件下的PHC 管桩设计和施工提供参考。

2 场地条件

现场试验场地为河漫滩，较为平整。地质勘察结果表明，该场地浅层以淤泥为主，深层以粉质黏土和粉砂为主，地下水以孔隙性潜水为主。施工和试验期间的地下水位约为1m。试验场地的地层分布及其主要物理力学性质如表1 所示。

表1 试验场地的地层分布特征及其性质

3 基础设计

试验用PHC 管桩型号相同，桩型均为600AB（130）型，桩长19m。试验PHC 管桩共6 根，其中3 根用于单桩抗压承载力试验，分别记为C1、C2和C3，3 根单桩用于抗拔承载力试验，分别记为T1、T2和T3。

桩长19m 的PHC 管桩试验单桩均有2 节组成，第1 节桩长12m，第2 节桩长7m，2 节桩之间采用机械啮合接头。图1 给出了抗拔试验基础结构及其尺寸示意图。

如图1 所示，为方便试验过程中上拔荷载施加以及位移传感器布置，将PHC 管桩单桩试验基础顶部设计为承台及基础立柱结构，承台和立柱均采用正方形，其中基础承台平面尺寸为1.0m×1.0m，厚度为0.6m，基础立柱为0.6m×0.6m，高度为1.2m，露出地面0.2m。同时，在基础立柱中布置了4 根地脚螺栓，作为抗拔试验连接件与试验反力系统连接。PHC管桩单桩抗压试验基础结构及其尺寸与图1 所示的抗拔基础类似，二者不同之处在于，抗压试验基础立柱中没有布置地脚螺栓。

图1 试验基础结构及尺寸

试验中所有PHC 管桩混凝土强度等级为C80。为加强PHC 管桩单桩与承台立柱部分的连接，所有PHC 单桩试验基础设计时均将预应力钢筋锚入承台且桩头埋入承台0.2m。同时，所有PHC 单桩均采用了钢筋混凝土填芯措施，填芯部分纵向钢筋按基桩拉力计算，并采用螺旋箍筋加强，填芯长度5d（d为PHC 管桩外径），可提高桩接头点延性与抗变形能力。

4 基础施工与测试

所有PHC 管桩单桩均采用D45 柴油锤进行锤击法施工，按标高和贯入度双重控制，并以标高为主，锤击压应力不大于混凝土抗压强度设计值。

施工过程中同时开展了振动噪声测试，以分析PHC 管桩打桩施工对周围环境影响程度。测点按距打桩点由近及远顺序布置，分别为5m、10m、15m、20m、30m、40m、50m、60m 和70m，以后按10m 递增。噪声测试按照规范[10]要求进行。振动噪声测试结果表明，距离施工场界200m 以外，噪声降至70dB（A）。

此外，基础施工过程还采用了高应变法对试桩首先进行跟踪检测（初打）。由于场地含水量较大，初打过程中PHC 管桩周围土体未能充分固结，侧摩阻力和端阻力发挥很小。因此，在桩基休止过一段时间后，再次对试桩进行高应变检测（复打），通过对管桩复打检测结果和初打检测结果的比较，得到承载力恢复系数（桩周土阻力恢复系数）。高应变初打和复打检测结果对比如表2 所示，土阻力恢复系数平均值为1.55。

表2 高应变法试验和静载荷试验对比分析结果

5 试验系统及加载方案

所有PHC 管桩抗压和抗拔承载力试验均采用锚桩提供反力。抗压和抗拔试验系统包括反力基础、反力钢梁、千斤顶及相关连接螺栓与垫板等。

所有试验均采用慢速维持荷载法[11～13]。以试验基础水平承载力设计值的1/10 为增量，进行荷载分级，确定每一级荷载增量。第1 级水平力加载量为分级荷载增量的2 倍，此后各级荷载按分级荷载增量，进行等量逐级加载，加载过程中可自动加载、补载与恒载。试验前，在试验基础立柱下压力和上拔力荷载方向对称布置4 个量程为50mm、精度为0.01mm 的电子位移传感器，以测试各级荷载作用下基础的下压和上拔位移值。试验过程中通过桩基静载荷测试分析仪，控制荷载施加并进行位移的自动记录。取4 个电子位移传感器实测结果平均值作为相应荷载等级对应位移，分别绘制抗压试验荷载-位移曲线和抗拔试验荷载-位移曲线，以研究相应基础的承载性能。

6 试验结果与分析

试验获得的基础荷载-位移曲线充分体现了地基基础体系承载和变形性状。

从图2 所示的抗压荷载-位移曲线可看出，3 根单桩抗压荷载-位移曲线均呈图“缓变型”变化规律，由于试验中抗压试验加载到试验系统最大承载能力1 650kN 后，便停止了加载。因此，抗压荷载-位移曲线仅存在处于初始弹性直线段和弹塑性曲线过渡段，尚未达到直线破坏段，也均未达到40mm 的极限位移。取最大的加载量作为单桩极限承载力，可将1 650kN作为本次PHC 管桩单桩试验基础的抗压极限承载力，对应下压位移为7.14mm。单桩抗压荷静载荷试验和高应变法试验对比分析结果如表2 所示，结果表明：试验场地条下PHC 管桩单桩竖向抗压动静对比系数均值为1.23。

图3 为3 根PHC 管桩单桩试验基础抗拔荷载-位移曲线。

从图3 中试验基础抗拔荷载-位移曲线均呈“陡变型”变化规律，可取陡变起点荷载作为相应试验基础的抗拔极限承载力，则T1、T2和T3的抗拔极限承载力分别为880kN、800kN和800kN，对应上拔位移分别为9.43mm、8.96mm 和7.96mm。取其平均值826.7kN 作为本次PHC 管桩单桩试验基础抗拔极限承载力，对应平均位移为8.78mm。

图2 PHC 管桩单桩实测抗压荷载- 位移曲线

图3 PHC 管桩单桩实测抗拔荷载- 位移曲线

假设PHC 管桩单桩抗压和抗拔承载力桩侧摩阻力提供，根据桩土体系荷载传递机理，桩侧阻力一般是自上而下逐步发挥的，桩侧阻力发挥值与桩土相对位移量密切相关。根据试验基础施加荷载大小，计算每一级下压和上拔荷载作用下的桩侧摩阻平均值，可绘制出如图4 所示的桩土界面侧摩阻力平均值随基顶位移变化曲线。

图4 表明PHC 管桩单桩下压状态下桩土界面平均极限侧阻力值为46.1kPa，而对应的上拔状态下平均极限侧阻力值为23.1kPa，即试验条件下，PHC 管桩桩土界面上拔平均极限侧阻力值是下压状态下极限侧阻力的50.1%。根据桩土体系荷载传递机理，单桩抗压和抗拔承载力主要由桩侧摩擦阻力提供。根据试验基础施加荷载大小，可计算每一级下压和上拔荷载作用下的桩侧摩阻平均值。计算表明：PHC 管桩单桩下压状态下桩土界面平均极限侧阻力值为46.1kPa，而对应的上拔状态下平均极限侧阻力值为23.1kPa，即试验条件下，PHC 管桩桩土界面上拔平均极限侧阻力值是下压状态下极限侧阻力的50.1%。由此可得到试验场地土体抗拔侧摩阻力折减系数平均值为λ＝0.501。抗压桩与抗拔桩荷载传递机理有所不同，这主要是二者之间的桩侧摩阻力发挥的差异所造成。研究表明，造成这种差异的内在原因很多，其中桩周土的泊松效应、剪胀性及主应力方向旋转是重要影响因素[14,15]。

图4 PHC管桩单桩抗压抗拔试验实测荷载- 位移曲线

7 结论

1）PHC 管桩单桩抗压和抗拔荷载-位移曲线呈现不一样的变化规律。抗压荷载-位移为“缓变型”变化规律，存在初始弹性直线段和弹塑性曲线过渡段。而抗拔荷载-位移曲线则呈“陡变型”变化规律。

2）根据PHC 管桩单桩抗压和抗拔荷载-位移曲线变化规律，采用不同的极限承载力确定方法得到本试验中河漫滩场地桩长为19m 的600AB(130)型PHC 管桩单桩下压极限承载力和位移为1650kN、7.14mm，对应桩土界面平均极限侧阻力值为46.1kPa。抗拔极限承载力和位移为826.7kN、8.78mm，对应平均极限侧阻力值23.1kPa。试验场地抗拔侧摩阻力折减系数为0.501。

3）综合分析试验基础高应变法跟踪检测初打和复打以及抗压承载力试验结果表明，试验河漫滩场地土阻力恢复系数平均值为1.55，单桩竖向抗压动静对比系数均值为1.23。