管樁用作錨樁在靜載荷試驗中的應用研究

席亞軍，黃 沛，任宇濤

(1.河北建研科技有限公司，河北 石家莊 050022；2.同濟大學，上海200092；3.中國恩菲工程技術有限公司，北京100038)

先張法預應力混凝土管樁(簡稱管樁)具有高強、質量保障率高、工期短等優點[1]，已被廣泛應用到建筑工程領域，逐漸成為國內外應用量最大的樁型[2]。在管樁基礎質量檢測及驗收階段，按照現行標準[3]要求，應進行單樁承載力靜載荷試驗。選用何種加載反力裝置對靜載荷試驗快速、準確、經濟、簡便的實現，有著至關重要的作用。在錨樁橫梁反力裝置，壓重平臺反力裝置、錨樁壓重聯合反力裝置、地錨反力裝置等幾種抗壓靜載荷試驗反力裝置中，相比較而言，通過將工程管樁加工成錨樁，采用錨樁橫梁反力裝置體現了地基基礎工程中必須堅持因地制宜、就地取材、保護環境和節約資源的原則。管樁用作錨樁，首先碰到的問題是如何加載，因為管樁樁表面光滑，很難用夾具扣牢，即使扣牢受力亦很不均勻，因此，試驗時采用在樁芯內埋設鋼筋澆灌混凝土的方法，使其被加工成錨樁?；诖?，本文研究探討了一種將管樁用作靜載荷試驗中錨樁的試驗方法，有著廣泛的推廣價值和顯著的經濟效益。

1 工程概況及錨樁設計參數

1.1 工程概況

本工程管樁選用PHC B 500 125型號管樁，設計單樁抗壓承載力特征值為1 550 kN，樁長26 m。由于現場交叉施工，場地狹小、施工道路不暢，考慮到堆載靜載荷試驗法需大量配重進出場，吊裝設備占位等不便因素，決定采用錨樁橫梁反力裝置靜載荷試驗方法。對所選試樁周邊工程樁進行混凝土填芯插筋處理，使其成為抗拔錨樁。

該場地工程地質情況見圖1，錨樁設計參數值見表1，試樁錨樁布置圖見圖2。

圖1 場地工程地質圖

圖2 試樁錨樁布置示意圖

表1 錨樁設計參數值

1.2 錨樁設計參數

1.2.1 錨樁抗拔承載力特征值的估算

依據《預應力混凝土管樁基礎技術規程》[3]DB13(J)/T105-2010，錨樁抗拔承載力特征值為:

式中:Rta為單樁抗拔承載力特征值(kN)；up為管樁樁身外周邊長(m)；λi為抗拔摩阻力折減系數，砂土取0.50，粘性土、粉土取0.70；qsia為管樁第i層土(巖)的側阻力特征值(kPa)；li為管樁穿越第i層土(巖)的厚度(m)；Gp為管樁自重(kN)。樁徑500 mm，壁厚125 mm。

經計算: Rta=859 kN

1.2.2 確定錨樁根數

依據《建筑樁基檢測技術規程》[4]JGJ 106—2003規定，加載反力裝置所提供的最小反力計算方法如下:

1550×2×1.2=3720 kN

錨樁根數計算:

3720÷859=4.3，取 6根。(考慮錨樁受力對稱均勻，取雙數，偏于安全)

采用6根樁徑500 mm的工程樁作為錨樁

則每根錨樁需承受的拉力為3360÷6=560 kN＜859 kN，滿足要求。

1.2.3 錨樁內需插入鋼筋的數量

單根錨樁抗拔力計算:

3720÷6=620 kN＜859 kN，滿足要求。

插入鋼筋截面積計算，根據試驗最大上拔力不得超過受拉鋼筋強度標準值的0.9倍[4]，采用Ⅱ級鋼筋:

620÷(0.3×0.9)=2296 mm2，選用 4Φ 28。

1.2.4 管樁內預應力主筋受拉承載力驗算

依據《國家建筑標準設計圖集預應力混凝土管樁》[5]10G409，主筋受拉承載力為:

式中:N為拉力設計值；取620 kN；C為考慮預應力鋼筋墩頭與端板連接處受力不均勻等因素的影響而取得折減系數，C=0.85；fpy為預應力鋼筋抗拉強度設計值，取1 860 MPa；Ap為全部縱向預應力鋼筋的截面面積，Ap=1500 mm2。

經計算

CfpyAp=2 371 kN ＞620 kN。滿足要求，管樁內預應力主筋不會拉斷。

1.2.5 填芯深度計算

填芯深度大小必須要滿足抗拔承載力的要求，否則會出現填芯與管樁之間聯接脫落，導致試驗失敗的后果。本工程采用摻微膨脹劑的C30混凝土進行填芯，為保證填芯混凝土便于振搗、澆筑密實，先用干燥的粗砂填灌至設計填芯深度處，充當填芯混凝土時的阻塞擋板，防止填芯混凝土振搗時阻塞擋板掉落。填芯深度的計算關鍵取決于填芯混凝土與管樁內壁新老混凝土的粘結強度。

(1)根據《預應力混凝土管樁基礎技術規程》[3]DB13(J)/T105-2010，填芯深度為:

式中:La為填芯混凝土深度(mm)，不應少于2.5 m；Qt為相應荷載效應基本組合時的單樁豎向抗拔力設計值(N)；fn為填芯混凝土與管樁內壁的粘結強度設計值，宜由現場試驗確定。當缺乏試驗資料時，C30的摻微膨脹劑的填芯混凝土fn可取0.20 N/mm2～0.30 N/mm2；Upn為管樁內孔圓周長(mm)。

[6]中的大量研究成果，取fn=0.20 N/mm2，經計算

(2)根據文獻[7]建議的方法計算填芯深度為:

式中:N為填芯黏結力設計值(kN)；D為填芯直徑(管樁內徑)；L為填芯深度；ft為填芯混凝土抗拉強度設計值(MPa)；k為平均黏結剪應力系數。對于比較光滑的黏結面，文獻[8]建議:k=0.45～0.56；文獻[9]3組試件的下限值為k=0.53。取k=0.45，是偏于安全的。

經計算:

綜合比較分析，填芯深度取計算(1)結果，偏于安全。同時證明，簡單的以混凝土的抗拉強度設計值用作填芯混凝土與管樁內壁的粘結強度值是偏于不利的。

1.2.6 反力裝置

管樁靜載荷試驗反力裝置示意圖如圖3，錨樁與次梁焊接。錨樁填芯示意圖如圖4。

2 管樁用作錨樁后工程性能分析評價

工程管樁在靜載荷試驗中臨時用作抗拔錨樁后，對其后期作為工程抗壓樁的性能是否有影響?這個問題解答主要取決于工程管樁在用作錨樁時，在抗拔力的作用下是否出現裂縫。如果在抗拔拉力的作用下，管樁樁身出現裂縫，那么勢必會出現預應力鋼絞線外露銹蝕等影響管樁耐久性的現象。根據《混凝土結構設計規范》[10]GB 50010-2002正常使用極限狀態驗算，管樁有效預應力計算:

圖3 反力裝置示意圖

圖4 錨樁填芯示意圖

表明管樁在抗拔拉力作用下，樁身混凝土未出現拉應力。滿足上述規范Ⅰ級不出現裂縫的裂縫寬度驗算要求。進而證明，本工程中工程管樁用作抗拔錨樁后，對后期使用性能不會有較大影響。

3 結 論

通過本工程中工程管樁用作靜載荷試驗中抗拔錨樁的成功應用，本文對管樁用作抗拔錨樁的制作方法、設計參數以及管樁后期使用性能作了系統研究。得出了填芯混凝土與管樁內壁新老混凝土的粘結值的取值依據；靜載荷反力裝置的設計參數(錨樁承載力、錨樁根數、錨樁配筋)的計算方法以及錨樁工程使用性能的評價方法。

參考文獻:

[1]阮起楠.預應力混凝土管樁[M].北京:中國建材工業出版社，2000:5-6.

[2]中國預應力混凝土管樁的發展狀況及同日本管樁的差距[C]//中國硅酸鹽學會鋼筋混凝土制品專業委員會2007—2008年年會論文集.北京:中國建材工業出版社，2010:152-153.

[3]河北省建筑科學研究院主編.DB13(J)/T105-2010.預應力混凝土管樁基礎技術規程[S].北京:中國建材工業出版社，2010:3.

[4]上海市建筑科學研究院主編.DGJ 08-218-2003.建筑基樁檢測技術規程[S].上海:上海市建設和管理委員會，2003:15.

[5]中國建筑標準設計研究院.10G409.預應力混凝土管樁[S].北京:中國計劃出版社，2010.

[6]許國平.PHC樁的豎向抗拔靜載試驗研究[J].工程勘察，2005，20(5):9-11.

[7]李先平，張雷順，趙國藩.預應力混凝土管樁與樁帽連接節點抗拔性能原型試驗研究[J].土木工程學報，2005，38(7):81-86.

[8]徐 楓，顧國榮，陳岱杰.上海地區PHC管樁抗拔設計應用實錄[J].土木工程學報，2007，40(S1):213-218.

[9]張 忠.預應力混凝土管樁填芯混凝土抗拔試驗研究及理論分析[D].合肥:合肥工業大學，2006:15-17.

[10]中華人民共和國建設部.國家質量監督檢驗檢疫總局.GB50010-2002.混凝土結構設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2002.