先张法预应力混凝土管桩的应用发展现状研究

孙晓凯

（1.安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑科学研究设计院绿色建筑与装配式建造安虎生重点实验室，安徽 合肥 230031）

0 引言

采用旋转离心和预应力先张法成型方法制成的一种形状如细长空心体混凝土预制构件称为先张法预应力高强混凝土管桩[1]，我们也称之为PHC桩（Pretensioned prestressed high strength concrete pipe pile）。先张法预应力混凝管桩在生产厂房以流水线生产方式制造，包含钢筋笼的绑扎、预应力张拉、混凝土的浇筑以及高温高压养护。生产完成之后，通过陆路或者水运的方式运输至施工场地，采用静压或者锤击的打桩机将预应力管桩沉入地基土，由此作为上部建筑物的基础来承受各种荷载。此种桩型在实际工程中被越来越多的应用，是由于这类桩型具有单桩承载力比较高、生产规模高度工业化、质量比较易于保障、施工现场不会造成污染、适用于比较复杂的工程地质条件、具备较快的施工速度等许多优点，并且逐渐形成工程管桩应用体系，主要以预应力混凝土管桩（PC）、预应力高强混凝土管桩（PHC）为主、预应力混凝土薄壁管桩（PTC）、钢管桩等为辅[2]。因为具备如此多的优点，混凝土管桩在很多建筑工程和路桥工程中都有大规模的应用，产生了非常好的经济效益。然而在预应力管桩的应用过程中，其关键技术原理大多照搬实心桩的相关技术成果，本文从预应力混凝土管桩自身特点出发，研究了管桩应用过程中的承载力特性、挤土效应、土塞效应和群桩效应，为今后预应力混凝土管桩更大规模的工程应用提供了科学的理论指导。

1 承载力分析

预应力混凝土管桩桩顶的竖向荷载由桩端阻力和桩侧阻力共同承担，单桩竖向承载力的发挥由桩体和土体共同工作来体现，所以对桩体工作性能的研究是单桩基竖向承载力分析的理论基础[3]，即对桩端阻力和桩侧阻力的研究。岩土体本身的物理力学性质指标、挤土效应、桩的几何尺寸、桩进入持力层的深度效应、下卧土层的影响以及桩周土层组合特征影响等因素共同决定着单桩竖向承载力标准值的估算。通常情况下，由承载力参数和土的物理指标之间的相互关系计算单桩竖向极限承载力标准值的时候，可以按照下面的公式初步估算：

上式中Quk——管桩竖向承载力标准值；μ——管桩桩身外周长；qsik——桩周土的摩擦力标准值；li——不同土层划分的不同段桩长；α——桩端阻力修正系数；psk——桩体极限端阻力标准值；Ap——封口投影面积。

首先，对于预应力混凝土管桩来说，桩体垂直于土体进入土体，在这个过程中，桩体上部建筑结构荷载通过桩体本身随着土层逐层向下传递发散，因为桩体要不断克服由于土层摩擦产生的桩身侧向摩阻力，所以桩身内部轴力会沿着桩身进入土体的竖直方向不断减小。其次，地基土的抗剪强度与桩身侧摩阻力有着很大的关系，桩身侧摩阻力随土体土质条件的不同会有所不同；桩身端阻力的破坏模式主要有冲剪破坏、局部剪切破坏和整体剪切破坏三种形式。最后，桩端土层物理力学性质、桩体埋置入土深度、荷载施加速率、和成桩效应等因素都决定着桩端土体的破坏形式。

2 挤土效应分析

地基土的物理力学性质很大程度上决定着预应力混凝土管桩挤土效应的发挥，对于软弱土层比较厚的地基土尤其显著，在桩体沉入土体的过程中产生的挤土效应会导致桩身附近土体在水平方向上产生一定的位移，同时一部分不可忽略的超孔隙水压力在桩身附近土层中产生，从而导致原状地基土的物理力学性质产生改变[4]。比较特殊的是，对于非饱和地基土体来说，预应力混凝土管桩沉入地基土的过程中，桩身土体受到桩体的挤压，地基土体土颗粒间的空隙受力压缩，导致土体体积减小，所以预应力混凝土管桩沉桩挤土效应对于非饱和土层发挥就不是那么显著。但是对于饱和地基土体以及硬黏土土质，预应力桩体沉桩过程中，土体受挤压缩的变形就很小，这就使得预应力管桩沉桩过程中的挤土效应表现得非常明显，从而导致预应力管桩桩侧摩阻力的发挥产生显著增大。

圆孔扩张理论是目前比较成熟的分析研究预应力管桩沉桩挤土效应的一种计算模型，此理论认为土体受到的荷载和土体的几何形状是关于管桩桩体对称的。在这个基本假设情况下，研究人员就可以把管桩沉桩挤土效应问题简化为平面轴对称的问题来加以计算分析。由于受到了均匀分布的内压力的作用，圆孔外侧的圆筒形区域将由弹性状态进入塑性状态，内压力的大小和塑性区的大小是相互关联的。假设管桩的外半径和内半径分别为Ru和R0，也就可以看作圆柱孔的扩张后的终孔半径和初始半径，地基土体塑性区最大半径为Rp，对应的内压力最终值为Pu。仍然保持着弹性平衡状态就是在半径Rp以外的土体。图1所示的就是土体计算单元模型。

图1 挤土效应土体单元计算模型

通过整理计算得到：半径r处的径向应力为：

弹性区半径r处的位移表达式：

式中：体积应变Δ根据土的剪胀性试验可得，各土层μ的取值可参考《工程地质手册》，现摘录如表1所示。

土的泊松比μ经验值选用一览表 表1

根据表1中土体泊松比经验值，土体在挤土效应中的弹性区内任一点的土体位移值以及塑性区边界就可以运用上面的圆孔扩张理论公式来计算，为具体的工程实践提供理论指导。

对于饱和地基土体以及硬黏土土质的地基土，预应力管桩沉桩过程中的挤土效应非常明显，可以采取改变管桩接头连接：变焊接为抱箍式连接、竹节桩采用机械连接；可以改变布桩形式：加大桩间距；改变打桩方式：控制打桩速度和沉桩深度、采用间隔跳打的方式、采用低锤重击的方式打桩；可以对地基土进行处理：埋置塑料排水板、设置非封闭式地下隔离挡墙等等。以上方式措施均能有效减少管桩沉桩时的挤土效应。

3 土塞效应分析

开口空心预应力管桩在承载力作用原理方面区别于传统方桩的最显著的特点就是土塞问题。开口空心管桩从部分挤土发展到完全挤土的过程就是土塞从不完全闭塞发展到完全闭塞的过程。开口管桩或方桩的侧摩阻力特征受制于超孔隙水压力对土体抗剪强度的影响，土体性质直接制约着超孔隙水压力与侧阻力之间的相关程度。管桩基底下的楔形体在地基连续破坏下最终形成，管桩内的土塞在沉桩过程中也随之形成。所以，由于地基土的初始破坏模式对分析楔形体的产生和土塞的形成不构成显著影响，因此研究管桩的土塞作用与研究地基的极限承载力不同。如果不考虑管桩中的楔形体对土塞闭塞效应产生的影响，那么揭示形成管内内摩阻力的法向应力就会产生问题，主要是因为楔形体的形成是开口管桩产生土塞的一个至关重要的原因。

管桩中土塞的形成以及土塞的物理力学性质分析过程中，管桩与土塞之间的相互作用受力机理的研究分析是非常复杂和困难的，因此对土塞的受力机理不做更深入具体的研究分析，只考虑土塞效应对圆柱孔理论的应用这一方面的影响。因此可以做如下简化假设：把土塞假定为一个弹性体，是一个整体，受到土塞的摩擦阻力f、受到管壁作用于土塞的自重G和桩端下部地基极限强度Q等因素的影响。建立如图2所示的土塞长度计算模型。

图2 土塞长度计算模型

根据图2，利用物理平衡条件，建立如下静力物理力学平衡方程：

式中：Q为土塞下部地基土的极限强度；G为土塞自重；F为管壁作用于土塞上的总摩擦阻力。地基土的极限强度近似看成为桩端阻力，计算时取桩端极限承载力。

将（4）展开整理，得到：

式中：γ为土塞重度；h为土塞长度；q为土层的桩端极限承载力；f为管壁作用于土塞上的摩擦阻力；R0为管桩内径。

根据上式整理计算得到土塞长度h的表达式：

由于土塞是在管桩的沉桩过程中逐渐增长而形成的，在沉桩过程中每一层土都要受到挤压作用，整个沉桩过程中均满足上述假定条件。需要指出的是，上述计算方法由于受到各种实际因素的影响，在计算的准确性方面可以做更深入的研究分析。

4 群桩效应分析

在上部结构竖向荷载作用下的管桩群桩基础，地基、承台和群桩之间的相互作用的综合影响使得其桩端阻力、桩侧阻力和桩的极限承载力明显区别于单桩的现象称之为群桩效应[5]。具体表现为群桩的承载力不等于各单桩承载力之和，群桩的桩顶沉降不等于平均荷载下的各单桩桩顶沉降。一般情况下，我们用效应系数来量化表征群桩效应，效应系数可以通过群桩中基桩的平均极限承载力与单桩的极限承载力的比值计算得到。

在实际工程中，设计人员通常采用单桩极限承载力乘以效应系数的方法来得到群桩承载力。因此效应系数的确定就变得相对关键了，目前常用的确定效应系数的方法主要有四种，即：考虑桩实体基础周边长度的方法；Conrerse-Labrre群桩效应公式；考虑应力叠加的群桩效应公式；参考承台-桩-土体之间相互作用的分项群桩效应系数的计算方法。但是以上各种确定效应系数的方法都有一定的缺陷，对于管桩群桩基础的计算根据具体工况选择合适的理论方法，更为精确的确定方法还需要更深入的研究分析。

5 结语

本文通过对预应力混凝土管桩在工程应用中存在的问题展开研究，分析了预应力管桩承载力计算方法，提出了管桩桩身任一位置的应力及位移的计算公式以及减小挤土效应的技术措施，同时给出了管桩桩身内部土塞高度计算方法，并且对管桩群桩基础的效应系数的选取给出了合理建议，为今后预应力混凝土管桩更大规模的工程应用提供了科学的理论依据和指导。