預應力高強度混凝土管樁抗拔設計

摘 要：預應力高強度混凝土管樁作為新時期的一種基樁，具有諸多的優點，目前在城市建筑工程施工中得到廣泛的應用。本文對預應力高強度混凝土管樁的強度和裂縫的公式進行了分析，并結合工程實例探討了預應力高強度混凝土管樁的抗拔設計，為工程應用提供參考。

關鍵詞：預應力高強度混凝土管樁；公式分析；力學性質；抗拔設計

1管樁應用

預應力高強度混凝土管樁內的鋼筋不像預制方樁由計算需要配置的，而是為了樁在運輸和吊裝就位時不易破裂及滿足相應規范構造要求而配置的。預應力高強度混凝土管樁按樁身混凝土有效預應力值或其抗彎性能分為A型、AB型、B型和C型四種，其力學性能和構造詳圖在圖集中明確規定。

2公式分析

在抗拔樁的設計過程中，抗拔樁的豎向抗拔承載力除了要滿足樁土相互作用的抗拔承載力要求外，還需滿足樁身結構承載力的要求。各個地區結合當地的工程實際情況，各自規定了預應力高強度混凝土管樁的抗拔計算公式。不少學者結合試驗和理論模型對PHC作為抗拔樁承載性能的機理進行了廣泛的探討。以下結合沿海地區進行其公式介紹。

（1）預應力高強度混凝土管樁的樁身受拉承載力設計值驗算：

N≤fpyAp

式中：Ap為預應力筋的面積；fpy為預應力筋的抗拉強度設計值。

預應力高強度混凝土管樁的剖面詳見圖1。

圖1 管樁結構配筋圖

（2）對預應力高強度混凝土管樁的各個參數進行初步推導：

預應力筋控制張拉應力：σcon=0.7σptk，其中σptk為預應力筋抗拉強度標準值。

預應力高強度混凝土管樁的預應力鋼筋（SBPDL1275/1420）的抗拉強度標準值低限為1420MPa。則鋼筋控制張拉應力至少為：σcon=0.7×1420=994MPa；PHC樁的預應力筋初始預應力為：σps=EcAcσcon/（EcAc+EpAp）；預應力高強度混凝土管樁混凝土初始預應力為：σcs=σpsAp/Ac。

混凝土徐變和收縮后的預應力損失值：

σlc=[σpsEpσ+EpεsEcσps]/[Ecσps+Epσcs（1+/2）]

其中： 為預應力高強度混凝土管樁混凝土徐變系數，取為φ=2；εs=1.5×10-4為PHC樁混凝土收縮系數。

預應力高強度混凝土管樁預應力筋松弛的預應力損失值：σlp=γ（σps-2σlc）其中：γ為預應力筋的松弛系數，取為γ=0.15。

預應力高強度混凝土管樁預應力筋有效預應力值：σpe=σps-（σlc+σlp）；混凝土有效預壓應力值：σpc=σpeAp/Ac。

按上述公式計算時，預應力高強度混凝土管樁受到的拉應力會超過原先混凝土的樁身有效預壓應力，因此需按照《混凝土結構設計規范》（GB50010—2002）規定進行裂縫驗算。由于預應力高強度混凝土管樁有效預壓應力能部分抵消拉應力，裂縫控制較為容易滿足。當設計場地的地質水文條件復雜、抗腐蝕要求高的情況下，可相應的調整裂縫控制的寬度，來選擇相應的樁型。

3工程實例

該項目為近10000m2的地下1層車庫。土層的物理力學性質指標詳見表1和圖2。

表1 土層的物理力學性質指標

注：fs為樁周土極限摩阻力標準值；fp為樁端土極限摩阻力標準值。

根據設計要求，±0.0相當于絕對標高4.7m，預應力高強度混凝土管樁長為30m，樁頂絕對標高為-0.75m，樁底持力層為層⑦-1灰色砂質粉土。土層和樁的關系（標高為絕對標高）見圖2。

圖2土層和樁的關系

設計的預應力高強度混凝土管樁的型號按照預應力混凝土管樁圖集初步選為（PHC-A400（95）-30b）400（At=95）。

由上述的公式推導可得，樁的混凝土有效預壓應力約為3.60MPa，預應力筋的設計值約為1000MPa。單樁抗拔計算按地基規范（DGJ08-11—2010）：

；

Rsk=（3.57×15+3×20+7.5×20+4.9×35+5.1×50+4.1×70+1.83×90）×0.6×0.4×3.14=860kN；

AP=0.305×0.095×3.14=0.0909m2；

樁重：Gp=13×0.0909×30=35kN（扣水浮力）；

設計值： =860/1.6+35=572kN；

標準值： =860/2.0+35=465kN；

樁身強度：Rd=（0.6×35.9-0.34×3.60）×0.0909×1000=1846kN。

裂縫計算參照《混凝土結構設計規范》（GB50010—2002）第8.1.2條：在標準組合下：σpc+ftk=3.60+3.11=6.71MPa。

原預應力高強度混凝土管樁的預應力筋受拉設計值為：

（7.12×3.14/4）×10×1000=395000N<572kN；

故改選用AB型，預應力高強度混凝土管樁的預應力筋受拉設計值：（9.02×3.14/4）×10×1000=635000N>572kN。

σck=465/（1000×0.0909）-3.60=1.51MPa；

σsk=1.51×0.0909×106/（10×9.02×3.14/4）=217MPa；

ρte=（10×9.02×3.14/4）/（0.0909×106）=0.69%；

ψ=1.1-0.65×3.11/（0.0069×217）<0，取為0.2，

ωmax=2.2×0.2×（217/200000）×（1.9×50+0.08×9/0.0069）=0.10mm<0.2mm，裂縫滿足。

按地基規范（DGJ08-11—2010），考慮黏性土沉樁壓力的折減，對最終預應力高強度混凝土管樁的壓樁力進行復核：Pp（l）=kpRd。其中：kp為壓樁力系數，對黏性土取1.04，對砂土取1.6；Rd為單樁承載力設計值。

Rsk=[3.57×15+3×20+7.5×20+4.9×35+5.1×50]×1.04+（4.1×70+1.83×90）×1.6]×0.4×3.14=[690×1.04+452×1.6]×0.4×3.14=1809kN；

Rpk=5000×0.4×0.4×3.14/4=628kN；

Pp（l）=1809/1.82+628/1.18=1526kN

圖3抗拔管樁截樁后與承臺連接構造示意圖

4結論和建議

通過探討預應力高強度混凝土管樁抗拔設計工作，初步可以得出以下結論和建議：①預應力高強度混凝土管樁作為抗拔樁在技術上是可行的；②設計人員在進行抗拔驗算后，應根據裂縫寬度對預應力高強度混凝土管樁進行選型，并考慮施工現場的實際情況、技術設備等因素進行合理的施工；③預應力高強度混凝土管樁施工應按照設計圖集進行，并采取一定的構造措施以管樁滿足抗拔的需要。

參考文獻

[1]馬述承.預應力混凝土管樁作為抗撥樁的設計研究[J].甘肅科技，2011年第21期

[2]李遠征；張利英.PHC預應力混凝土管樁施工控制[J].城市建設理論研究，2012年第19期