先张法预应力离心混凝土椭圆形啮合管桩的构建和试验

陈敏芬，毛江才，洪荣华，洪泽斌

（1.杭州市水利水电工程质量安全管理服务中心，浙江 杭州 310005；2.杭州市建设工程质量安全监督总站，浙江 杭州 310005；3.杭州迪莹科技有限公司，浙江 杭州 310021）

0 前言

先张法预应力混凝土管桩因桩身强度高、单位承载力造价低、质量可控性强、生产制造和施工效率高、经济性能好等特点，被广泛应用于公路、铁路、港口、机场、水利等领域，已成为除钻孔灌注桩以外的最主要桩型，但在深厚软土地基进行管桩施工时也带来管桩移位、倾斜、桩身开裂等问题[1-3]。

为提高先张法预应力混凝土管桩抗水平荷载能力，国内对管桩有一定的研究，张忠苗等[4]创新加强非预应力螺纹钢筋的配置或箍筋加密的新型管桩。干钢等[5]研究指出，用新型先张法预应力钢铰线代替螺旋槽钢棒，使管桩在抗弯、抗剪性能有较大提高。周清晖等[6]研究预应力钢铰线超高强混凝土管桩的抗剪性能，在管桩受剪状态下有效提高变形延性和极限承载力。柳炳康等[7]开展预应力填芯管桩抗弯性能与延性特征的试验，但管桩填芯实际应用效果并不理想。

构建一种桩身横截面外轮廓为椭圆形、纵轴线方向有凹凸槽啮合、离心工艺成型的新型先张法预应力椭圆形混凝土管桩。通过建立相应的数值模型、单桩试验，研究开裂弯矩、极限弯矩及破坏特征，为新型管桩的工程设计和应用提供依据。

1 先张法预应力离心混凝土椭圆形啮合管桩的构建

1.1 结构特点

先张法预应力混凝土椭圆形啮合管桩环形截面为椭圆形，由主筋（钢棒）、螺旋外钢筋（箍筋）和混凝土组成，见图1。内部为圆形空心结构，螺旋环形箍筋环绕在钢棒四周，有效保护混凝土与钢棒粘结和刚度，椭圆长轴的两侧，设置一侧凸形，另一侧凹形，凹凸二侧互为卯榫相连接，使2 根相邻的围护管桩紧密啮合在一起。管桩啮合处有填充槽R，可根据不同的要求填入止水材料或者透水材料，达到较好的防渗或排水效果。

1.2 一般要求

管桩原材料水泥强度等级不低于P·O42.5 水泥，集料质量符合相关规范规定，混凝土强度等级不低于C60，预应力钢筋采用钢棒，抗拉强度不小于1280 MPa，沿环向及长轴轴心线对称均匀配置，最小配筋率不低于0.5%，并不少于6 根。

啮合连接处间隙配合，间隙大小根据实际工程情况确定。

1.3 理论计算分析

1.3.1 截面抗弯性能计算

选取新型椭圆形管桩外尺寸400 mm×560 mm（2b×2a），长度10 m，中部为圆形，半径100 mm。常规圆形管桩外尺寸半径200 mm，长度10 m，壁厚100 mm。2 种桩预应力钢筋均为8Φ9.0，预应力钢棒对称分布均为2 根，预应力相同。

由材料力学，应力σ＝My/IX，假定两桩所受弯矩相同，同时最大应力σ、y 相同，y 均为200 mm，则只需比较对水平向X 轴的惯性矩IX。

新型椭圆形管桩惯性矩IX＝I椭圆-I内圆＝（π/4）（b/2）3（a/2）-（π/64）（2r）4＝（π／4）2003×300-（π/64）2004＝1.8×109mm4。

由以上计算可知，在配筋相同的情况下，新型椭圆形管桩惯性矩为常规圆形管桩的1.8/1.18≈1.52 倍，在弯矩相同的情况下，新型椭圆形管桩最大拉应力为常规圆形管桩的0.65倍。由此可得，在同等条件下，新型椭圆形管桩不仅可以减少配筋量，而且在抗弯承载力上较常规圆形管桩有优势。

1.3.2 受力变形计算

计算工况按桩排前侧（基坑内）无水，桩排后侧为土压力，荷载主要为土压力，采用控制变量法，通用岩土有限元计算软件Plaxis 2d 进行计算。

考虑预制桩制作工艺，桩长取10.0 m，护岸基坑深4.0 m，模型X 方向为土压力方向，Y 方向为竖直方向，模型周围为土体约束，土层自上而下分别为Ⅱ1 粉质黏土、Ⅲ1 淤泥质粉质黏土夹粉土、Ⅳ1 粉质黏土、Ⅴ1 含泥砾砂，计算参数见表1。

表1 土的力学性质指标

将圆形管桩外径与椭圆管桩短轴相同的管桩进行对比分析，桩基布置为密排，即圆形管桩桩基间距等于外径，椭圆管桩桩基间距等于长轴。管桩混凝土强度等级选用C60，弹性模量E=3.6×104MPa，2 种管桩计算断面见图2，计算选取尺寸对照见表2。

表2 2 种类型管桩尺寸对照

1.3.3 计算结果分析

以新型椭圆形管桩TNPC400×560A95-10 型和常规圆形管桩PC400A95-10 为例，此时常规圆形管桩与新型椭圆形管桩的位移、弯矩及剪力如图3、图4 所示，管桩整体水平位移云图如图5、图6 所示。单桩的弯矩与剪力应该将图中的每米的弯矩与剪力乘以纵向的桩间距。新型椭圆形管桩TPC 400×560A95-10 的位移最大值-5.072×10-3m、剪力最大值38.21 kN及弯矩最大值9.438 kN·m。常规圆形管桩PHC400A100-10的位移最大值-5.147×10-3m、剪力最大值39.23 kN 及弯矩最大值10.32 kN·m。

表3 管桩顶部、底部水平位移汇总

通过以上计算结果，可初步得到如下结论：

（1）同外径（短轴）新型椭圆形管桩位移、剪力及弯距最值均小于常规圆形管桩，最值出现的节点位置相同。而且随着管桩尺寸的增大，新型椭圆形管桩的绝对位移、剪力及弯矩最值逐渐减小，受力变形条件更好。

（2）同外径（短轴）2 种类型管桩的位移、剪力及弯距的最大值相差较小，位移相差5%以内。

2 抗剪抗弯性能试验验证

2.1 试验装置

抗弯及抗剪试验所用装置相似，如图7、图8 所示，参考GB 13476—2009《先张法预应力混凝土管桩》、GB 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》与浙江省相关规范2002 浙G22《先张法预应力混凝土管桩》制作而成[8-10]。试验桩型号为TNPC400×560A95-10，结构尺寸为400 mm×560 mm，桩长10 m，最小壁厚95 mm，自重2.7 t，混凝土设计强度C60，设计抗裂弯矩54 kN·m，对应荷载P=52.69 kN，极限弯矩81 kN·m，对应荷载P=81.90 kN。

2.2 试验的加载方式

根据GB 13479—2009[8]确定。试验过程着重研究3 种桩身临界状态：开裂状态，即桩身出现裂缝；破坏（极限）状态，即出现裂缝达1.5 mm、受拉钢筋拉断或受压区混凝土被压碎3种情况之一；断裂状态，即桩身发生完全断裂破坏，再无任何承载能力。

2.3 试验结果

试验桩在抗弯性能检验过程中，采用力加载模式，分荷载从0 至55.3 kN，桩身未出现裂缝，加载至65.9 kN 首次出现裂缝，实测最大裂缝宽度0.14 mm；加载至82 kN 时，实测裂缝宽度最大值为0.48 mm，裂缝宽度未达到1.5 mm，构件未破坏[11]。

试验结果表明，新型椭圆形管桩的抗弯性能明显优于常规圆形管桩，相比常规圆形管桩的抗裂极限弯矩提高了26%，明显减小了裂缝的平均宽度和最大宽度，但分布的范围和数量没有明显的增加。

3 结语

通过一系列理论计算和现场原型试验，对先张法预应力离心混凝土椭圆形啮合管桩的抗弯抗剪进行了对比研究，结果表明，先张法预应力离心混凝土椭圆形啮合管桩较同型号的常规圆形管桩，不仅在抗剪、抗弯、变形延性等方面有较大幅度改善，而且减少投资，造价经济。目前先张法预应力混凝土椭圆形啮合管桩已获得实用专利和水利部新技术产品推广，并在河湖护岸、基坑围护、市政管廊等领域进行生产性试验应用，具有良好的应用前景。