管桩斜截面抗剪承载力性能与新型扩张灌浆管桩开发研究

李锦程 郭爱喜

（1.天津和兴源建筑工程有限公司，天津 300270；2.天津天河伟业建设工程有限公司，天津 300000）

预应力混凝土管桩结构可以充分利用混凝土的抗压强度和高强钢筋的抗拉强度提升整体结构的承载力。在不同的建筑场合中都得到了相应的使用，例如预应力梁板、轨枕、水管及电杆等大型现场成型结构构件中都有较好的利用[1]。近年来，大部分工程都是以钢管桩的垂直抗压承载力为主，但在实际工程中管桩因其抗拔承载能力低、桩端处理烦琐等特点，使其在工程中的应用受到很大限制。因此，对管桩斜截面抗剪承载力性能进行研究，并以此为基础开发和研究扩张灌浆管桩就显得尤为重要。

1 管桩抗剪试验的参数设计

第一，试件的制作。为保证试验结果理论的真实性，本研究在设计对应的参数之前，对使用的材料进行了重新调整。本研究选择的管桩主要是以PACB400的管桩为主，在试验过程中将使用到的混凝土强度改为C40，钢筋直径改为12.6mm。试验中使用到的所有试件均等分成6 份，且每份有两个管桩，使用预应力和非预应力两种进行表示，预应力的管桩长度为8m，非预应力的管桩长度为6m。在试验的末尾添加了两根桩型，以对其进行验证。所选桩为PCA400806，两根正常桩的切跨比入均为1，试件编号分别为PCAP-1A、PCAPlB，管桩的配筋和几何尺寸参数符合图集规定。

第二，钢筋力学指标选择钢棒和箍筋两种为主，分别对钢棒和箍筋的拉伸和弹性模量进行试验，具体结果见表1。

表1 拉伸和弹性模量试验性能数据

第三，水泥指数的选取和试验。混凝土等级选择C40，其制作工艺以及混凝土的材质与相关施工要求一致，且对6个不同的管桩试件进行试验，综合公式（1）推算出具体结果。

2 管桩抗剪承载力试验结果分析

本研究以剪跨比为单位，由大到小、由内而外地进行试验，结果表明：在斜缝之前，5.5 号、3 号、2.5 号、1号、2 号和5 号试件均为弯曲破坏。其破坏特征为：先有斜裂缝，后发展迅速，后有一段时间发展缓慢，发生竖向裂缝之后在压力的作用之下发生破坏，样品为1.5号、1 号、3 号、2.5 号，PCAB0-2、PCAB0-1.5、PCABO-1均被剪切破坏。在本试验中所有试件的剪切破坏形式都是以剪切和压缩为主，没有发生斜拉破坏。在破裂的斜缝产生后，与破裂的斜缝交叉处的箍筋会产生很大的变形（PCABP-1.5） ，破裂的斜缝交叉处的箍筋数量为6 个；PCABP1-1 破坏面交叉箍筋个数为5 个；在PCABO2.5 中有8 个箍筋与破坏面交叉；2 号断裂面的箍筋数量为7个；PCABO-1.5破坏面交叉的箍筋数量为6 条，其中一条是7.5 号加劲肋；PCABO-1 破坏面交叉的箍筋数量为3条，当剪压区的混凝土受到剪切压力而断裂时，与剪切压力相对应的箍筋将会被拉伸，使整个试件在剪切压力下断裂[2]。断裂的斜裂面与水平方向的角度基本为45°左右。通过对PCAP-IA、PCAP-LB等常规钢筋的分析，发现C60 使其抗压强度和轴向剪切强度均有一定程度的提高。所以，在试件加荷的过程中纵筋也会首先达到屈服，但随着混凝土的轴心抗压强度的增加，试件最后会因为纵筋被拉断而破坏，破坏形式为弯坏。与PCABP-1比较，PCAP-IA、PCAP-IB两种材料的抗弯承载能力都有一定程度的降低，但两种材料的抗剪承载能力相差不大，因而表现为弯曲失效。

通过对试验全过程和结果的分析可以得到如下结论：①预应力混凝土试样绝大部分为弯曲破坏；②大部分非预应力的试样都是剪切破坏；③在相同的情况下预应力混凝土柱的抗剪承载力比非预应力混凝土柱的高；④剪力墙的剪跨率对非预应力墙的影响不大。

3 试验资料整理

综合本研究得出的开裂荷载试验结果为118.98kN，荷载及设备自重产生的弯矩见图1。

图1 弯矩图

开裂弯矩Mexpcr= 95.98 + 0.78 = 96.7kN·m；

开裂剪力V = 64.13kN。

不同试件之间的结果整理数据见表2。

表2 不同试件之间的结果整理数据

4 试验结果分析

4.1 对非预应力桩剪跨比对受剪承载力影响分析

对于受集中荷载的构件，剪跨比可以表达为“剪跨”与其有效高度之比，对于普通混凝土构件来说，剪跨比是其斜截面承载力的一个重要因素。而在此次使用的管桩试验中，5 根非预应力桩发生了剪切破坏。1个钢筋发生弯曲断裂，从这5 个钢筋发生剪切断裂时，D之比对剪跨比的关系如图2所示。从曲线上可以看出，随着剪跨比的减小，钢筋混凝土框架结构在地震作用下的相对抗剪承载力有一定提高，但效果不显著。基于此，本研究提出了剪切跨度比环形截面受剪承载力影响较小的假说，并通过试验验证“剪切跨度比环形截面受剪承载力影响较小”这一理论[3]。为此，本研究提出了一种不计剪跨比的计算方法。

4.2 预应力的影响

从试验结果可以看出，由于产生了有效的预压力，使试样的剪切强度得到了提高，所以大部分试样都出现了弯曲破坏现象。针对预应力对截面抗剪所产生的影响研究当中，有学者认为，当预应力为有效的作用力之后可以将其理解为轴向压预应力，其轴向压力强度在提升的同时，其幅度的增加值可以取0.05Npo[4]。以此为切入点，本研究分别进行试验验证，并给出相应的建议公式。

4.3 混凝土强度的影响分析

试验结果显示，管桩斜断面的抗剪性能均与混凝土的强度密切相关。由于混凝土强度越高，抗剪强度越大，所以在建立计算模型时应着重考虑混凝土密度的影响。如果用抗压强度来表示，那么高强度的混凝土则会高估其抗剪能力。在计算中以混凝土对管桩的抗剪承载力为主要影响因子，并以混凝土抗剪承载力为指标，以混凝土抗拉承载力为对比试算。

5 软土地区扩张灌浆管桩的开发

5.1 扩张灌浆管桩工艺模型

扩张灌浆管桩是一种比较方便的结构形式，利用注浆的方法来提高管桩的承载力，有利于提高效率，节省投资。在沉管桩施工时先用扩顶板在桩周与管桩之间形成一个空洞，再用注浆机的注浆管将注浆材料注入空洞，从而实现一次注浆；在沉降管桩的施工中采用扩顶板法，使桩周土体与管桩之间产生一个空间，并用与注浆装置相通的注浆管向空间内灌注注浆材料[5]。注浆管道与地面相连，管道材质可以是聚乙烯管、镀锌管、焊接管，管道可以循环使用。注浆的压力是无限制的，但要确保注浆材料的正常流淌。为保证其承载能力的提升，具体可以通过预留灌浆管的注浆管的形式与管桩进行同步下沉，等待凝固之后进行二次注浆[6]。

5.2 灌浆管桩的试验结果分析

本试验选择天津市开发区某养殖场为研究对象，该场地的土填标高为3.100m，为典型的软弱土层，满足灌浆管桩新型桩开发的要求。根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）、《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2014）的规定，以缓慢保持荷载的方法对9 个桩进行最大加载直至失效的静载试验，包括6 个桩径为400mm、3个桩径为300mm。根据有关规范的要求对单桩竖向抗压极限承载力进行测定和计算。一次、二次注浆之后的结果见表3。通过表3数据分析可以看出，经过注浆之后不同的灌浆管桩的承载能力有所提升，且承载力的提升可以达到100%以上[7]。

表3 注浆后灌浆管桩的承载能力比较

6 结语

本研究基于试验分析的方式对桩身斜截面抗剪承载力计算公式的差异进行对比分析，结果显示，在水平力荷载作用下，管桩在受水平力时其破坏模式为受压-弯比受剪后，其破坏模式为受压后受弯后受剪。因此，在采用新型管桩时应增加其承载能力，并对其横向变形加以限制。其次，新桩型开发能够较好地改善管桩桩身的抗拉性能，其水平承载力得到有效提升，经过注浆之后不同的新桩灌浆管桩的承载能力有所提升，且承载力的提升可达100%以上，具有较好的抗震性能，相较于传统的管桩具有较好的经济优势，可为相关工程的开展奠定一定的基础。