灌漿連接的預(yù)制承臺(tái)與管樁節(jié)點(diǎn)承載力分析及計(jì)算方法

摘要：本文針對(duì)以往預(yù)制樁和承臺(tái)連接部位復(fù)雜且施工精度要求高的問題，提出一種基于水泥基灌漿料連接的節(jié)點(diǎn)連接方式，通過節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)和有限元分析對(duì)其承載力進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。結(jié)果表明：在下壓加載至1 000 kN時(shí)，PHC管樁及節(jié)點(diǎn)連接未出現(xiàn)破壞，在上拔和水平加載時(shí)，樁身破壞先于節(jié)點(diǎn)破壞，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度大于樁身強(qiáng)度，驗(yàn)證了灌漿料連接的可靠性。

關(guān)鍵詞：輸電線路；PHC管樁；預(yù)制承臺(tái)；水泥基灌漿材料；粘合結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TQ172.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）04-0170-04

Bearing capacity analysis and calculation method"of prefabricated cushion cap and pipe pile joint"with grouting connection

ZHANG Yalong1，2，LI Wei3，HUO Chunyan4，ZHAO Zhenxin1，2，ZHANG Kai1，2，CHU Xiaochuan1，2，CHEN Zhongfan5

（1.POWERCHINA Hebei Electric Power Designamp;Research Institute Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050031，China；

2.Hebei Electric Power Designamp;Survey Technology Innovation Center，Shijiazhuang 050031，China；

3.Cangzhou Power Supply Branch，State Grid Hebei Electric Power Co.，Ltd.，Cangzhou 061018，Hebei China

4.State Grid Hebei Electric Power Co.，Ltd.Shijiazhuang 050021，China；

5.Southeast University，Nanjing 20018，China）

Abstract：In this paper，a joint connection method based on cement-based grouting material is proposed to solve the problems of complex connection parts and high construction accuracy requirements of prefabricated piles and pile caps in the past.The bearing capacity is studied by joint test and finite element analysis，and the corresponding design and calculation methods are proposed.The results showed that when the downward pressure was loaded to 1 000 kN，there was no damage to the PHC pipe pile and node"connection.When pulled up and horizontally loaded，the pile body failed before the node，and the node strength was greater than the pile body strength，verifying thereli?ability of the grouting material connection.

Key words：transmission line；PHC pipe pile；prefabricated cushion cap；cement-based grouting material；adhesive structure

傳統(tǒng)的預(yù)制混凝土構(gòu)件的連接方式主要包括螺栓連接、焊接連接。高修建等[1]研究了一種螺桿式預(yù)制管樁與預(yù)制承臺(tái)連接結(jié)構(gòu)，但螺栓連接需要高精度的孔位加工和安裝，且施工過程較為繁瑣。焊接連接在連接強(qiáng)度和穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢(shì)，但焊接工藝要求高，需要合適的焊接設(shè)備和技術(shù)，并且焊接操作在野外施工質(zhì)量難以保證。輸電線路所在環(huán)境多處于野外，采用焊接連接存在一定的風(fēng)險(xiǎn)和困難。

水泥基灌漿料是由水泥、骨料、外加劑和礦物摻合料等原材料在專業(yè)化工廠按比例計(jì)量混合而成，在使用地點(diǎn)按規(guī)定比例加水或配套組分拌合的灌漿材料[2]，常用于土木工程、建筑和地下施工等領(lǐng)域。袁廣林等[3]通過Z型試件剪切試驗(yàn)對(duì)CGM高性能灌漿料與老混凝土粘結(jié)剪切性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究；宋建勛[4]通過24個(gè)灌漿料加固混凝土構(gòu)件的組合試件，研究了灌漿料與混凝土界面抗剪性能；楊龍[5]對(duì)剪壓復(fù)合作用下灌漿料與混凝土粘結(jié)雙界面力學(xué)性能進(jìn)行了研究；任亮等[6]對(duì)超高性能混凝土與水泥基材料界面粘結(jié)性研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹；張明杰等[7]通過劈拉試驗(yàn)研究了井槽法、鑿毛法和表面拋毛法等不同界面處理方法對(duì)新舊混凝土試件劈裂強(qiáng)度的影響；Jang等[8]通過直剪試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了不同界面處理方式對(duì)UHPC-NC界面抗剪強(qiáng)度和荷載-位移影響規(guī)律，證明規(guī)則化鍵槽型界面的抗剪強(qiáng)度比鑿毛型提升1.78～2.45倍；Valikhnai等[9]通過激光掃描三維隨機(jī)圖像，以平均深度評(píng)價(jià)了隨機(jī)界面粗糙度，佐證了高粗糙度可以保證界面開裂前粘結(jié)力的傳遞。本文提出了一種采用灌漿料作為介質(zhì)，連接預(yù)制承臺(tái)與PHC管樁的方法[10]。這種連接方式具有施工方便、容錯(cuò)性強(qiáng)、連接質(zhì)量高以及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，在輸電線路裝配式基礎(chǔ)應(yīng)用方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

1連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)方案

1.1灌漿材料

試驗(yàn)采用CBGM-100高強(qiáng)無收縮灌漿料，該灌漿料是一種無收縮水泥基灌漿，與水混合后采用機(jī)械攪拌，產(chǎn)生具有高早期強(qiáng)度和終強(qiáng)度的均質(zhì)、可流動(dòng)和可泵送的灌漿。灌漿料不含氯離子，因此對(duì)鋼結(jié)構(gòu)沒有腐蝕。灌漿前對(duì)灌漿材料接觸的設(shè)備底板和混凝土基礎(chǔ)表面清理干凈，不得有松動(dòng)的碎石、浮漿、浮灰、油污、蠟質(zhì)、鐵銹等，灌漿前24 h基礎(chǔ)混凝土表面應(yīng)充分潤(rùn)濕，灌漿前1 h應(yīng)清除積水。CBGM-100高強(qiáng)無收縮灌漿料材料屬性見表1。

1.2試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

輸電線路某典型塔位基礎(chǔ)作用力如表2所示，擬試驗(yàn)PHC管樁采用PHC 300 AB 70-2，即外徑300 mm，壁厚70 mm，長(zhǎng)度2 m，型號(hào)AB，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C80，加工符合T/ZZB 1818—2023《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》要求。為增加PHC管樁與灌漿料之間的粘結(jié)性，PHC端部采取設(shè)置剪力鍵和不設(shè)剪力鍵2種情況，同時(shí)考慮到PHC管樁沉樁垂直度施工誤差，試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)置了PHC偏心20 mm和不偏心2種構(gòu)件節(jié)點(diǎn)，加載工況分上拔、下壓、水平，構(gòu)件設(shè)計(jì)方案編號(hào)見表3。

預(yù)制承臺(tái)高0.4 m，中部預(yù)留直徑為360 mm孔洞，為增加預(yù)制承臺(tái)與灌漿料之間的粘結(jié)性，在承臺(tái)開洞側(cè)壁設(shè)置凹槽，PHC管樁與承臺(tái)孔洞之間的空隙采用灌漿料填充，本項(xiàng)目由于預(yù)制承臺(tái)開大孔只需將灌漿料倒入孔隙中，依靠重力即可填充空隙任何處，灌漿飽滿度高，對(duì)灌漿料流動(dòng)性要求不高，因此對(duì)飽滿度檢測(cè)也無特殊要求。加工后的構(gòu)件如圖1所示。

1.3試驗(yàn)加載與測(cè)試方法

本試驗(yàn)采用100T液壓伺服實(shí)施，采集數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)接入儀器采集大廳，實(shí)時(shí)顯示各個(gè)采集數(shù)據(jù)值和整體變化曲線。為保證試驗(yàn)安全開展，采用全位移加載法，位移控制階段的加載速率根據(jù)荷載和位移變化情況在0.01～0.1 mm/min內(nèi)取值，每級(jí)加載后穩(wěn)定10 min，最大程度反應(yīng)連接部位實(shí)際受力情況。在加載過程中采用作動(dòng)器已有傳感裝置采集荷載和位移值，采集加載過程中試件的荷載-位移曲線。試驗(yàn)裝置如圖2所示。

1.4承載性能分析

1.4.1上拔承載性能分析

圖3為上拔加載下的荷載-位移曲線。

由圖3可知，在初始加載階段（荷載為450 kN時(shí)），無論是否含有剪力鍵，PHC管樁的上拔荷載-位移曲線近似線性的比例關(guān)系。隨著荷載的增加，曲線的斜率逐漸減小又增加。當(dāng)加載達(dá)到頂峰時(shí)（無剪力鍵為550 kN，有剪力鍵為585 kN），管樁斷裂完全破壞。上拔加載PHC斷裂情況見圖4，通過觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，PHC管樁斷裂后，灌漿節(jié)點(diǎn)處無明顯變化，這說明PHC管樁是否偏心及是否設(shè)置剪力鍵，其灌漿節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度總是高度樁身構(gòu)件強(qiáng)度。

1.4.2下壓承載性能分析

圖5為下壓加載下的荷載-位移曲線。

由圖5可知，當(dāng)下壓加載達(dá)到設(shè)備最大荷載1 080 kN時(shí)，PHC管樁的荷載-位移變化趨勢(shì)不受是否含有剪力鍵的影響。在初始加載階段（荷載小于175 kN），荷載-位移關(guān)系近似線性，這表明在低荷載下，PHC管樁具有較高的剛度和良好的彈性特性。當(dāng)荷載增至175～280 kN時(shí)，PHC管樁的荷載-位移曲線斜率開始降低，這與其單獨(dú)下壓的趨勢(shì)相符，驗(yàn)證了連接節(jié)點(diǎn)的可靠性。當(dāng)荷載超過280 kN并繼續(xù)加載至1 080 kN時(shí)（接近設(shè)備最大加載值），荷載-位移曲線的變化趨勢(shì)與初始階段相似，仍保持近似線性的特性。盡管在加載過程中，PHC管樁底部出現(xiàn)了起皮現(xiàn)象，但PHC管樁與灌漿的連接仍處于線性階段。這表明，底部的起皮現(xiàn)象并未影響PHC管樁整體結(jié)構(gòu)的性能，且樁與預(yù)制承臺(tái)的連接良好。下壓加載及起皮如圖6所示。

1.4.3水平承載性能分析

圖7為上拔加載下的荷載-位移曲線。

由圖7可知，在水平加載初期（荷載小于60 kN）的階段，荷載-位移關(guān)系近似線性，PHC管樁在低荷載下表現(xiàn)出高剛度和良好的彈性特性。然而，當(dāng)荷載超過60 kN，PHC管樁開始出現(xiàn)裂縫，尤其是在60 kN至88 kN的加載范圍內(nèi)。盡管PHC管樁根部裂縫形成。當(dāng)荷載超過88 kN時(shí)，PHC管樁發(fā)生了完全破壞，根部裂縫增多，形成塊狀破壞模式。盡管PHC管樁已經(jīng)破壞，CBGM-100灌漿連接處仍保持完好，無顯著破壞。水平加載下的破壞情況如圖8所示。

由圖8可知，在上拔和水平加載過程中，樁身破壞先于節(jié)點(diǎn)破壞，這表明節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度大于管樁的強(qiáng)度，下壓加載達(dá)到設(shè)備最大值1 000 kN時(shí)，樁身和節(jié)點(diǎn)連接均未破壞現(xiàn)象，這就驗(yàn)證了PHC管樁與預(yù)制承臺(tái)灌漿連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的可靠性。

2 PHC管樁與預(yù)制承臺(tái)灌漿連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算方法

2.1數(shù)值模擬分析

由于節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)灌漿料節(jié)點(diǎn)處均未破壞，因此采用有限元軟件，分析灌漿料節(jié)點(diǎn)極限連接強(qiáng)度。PHC管樁樁身、灌漿料、承臺(tái)均采用減縮積分單元C3D8R，鋼筋采用T3D2單元。灌漿材料與管樁之間，灌漿材料與承臺(tái)之間的接觸分別設(shè)置為法線方向與切線方向的接觸。法線方向接觸設(shè)為硬接觸，切線方向設(shè)置為帶有罰函數(shù)的庫(kù)倫摩擦。計(jì)算時(shí)保持界面剪應(yīng)力不變，采用允許彈性滑移的公式，使接觸面之間剪應(yīng)力與接觸壓力成比例，且不小于界面平均黏結(jié)力，庫(kù)倫摩擦模型中摩擦系數(shù)根據(jù)以往研究以及試驗(yàn)研究的吻合，摩擦系數(shù)取為0.2。同時(shí)為了考慮灌漿料與管樁、灌漿料與承臺(tái)之間的粘結(jié)應(yīng)力，設(shè)置粘性接觸，設(shè)定切向損傷應(yīng)力為0.15 MPa。在承臺(tái)底部和四周施加固端約束的邊界條件，以最大程度地接近實(shí)際試驗(yàn)狀態(tài)。圖9為荷載位移曲線數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況。

由圖9可知，通過試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)達(dá)到試驗(yàn)設(shè)備最大加載1 200 kN時(shí)，荷載-位移曲線吻合較好。由于設(shè)備未能在1 200 kN之后繼續(xù)加載，因此通過數(shù)值模擬對(duì)試件繼續(xù)加載，得出無剪力鍵極限承載力約是1 450 kN。

2.2連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算

PHC管樁與灌漿料連接破壞模式類似巖石錨桿錨樁被拔出情況，可參考DL/T 5544—2018《架空輸電線路錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)程》相關(guān)計(jì)算公式。

上拔承載力計(jì)算

Tiklt;Rb/K（1）

下壓承載力計(jì)算

Niklt;Rb/K（2）

式中：Tik為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，第i根樁上拔力，kN；Nik為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，第i根樁下壓力，kN；Rb為PHC管樁與灌漿料間的極限粘結(jié)承載力標(biāo)準(zhǔn)值kN；K為安全系數(shù)，參考DL/T 5544—2018《架空輸電線路錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)程》取值。

PHC管樁與灌漿料間的極限粘結(jié)承載力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

Rb= τbπDlb（3）

式中：τb為PHC管樁與灌漿料間的極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，根據(jù)2.1節(jié)數(shù)值模擬結(jié)果反算為3.8 MPa；D為PHC管樁外徑；lb為灌漿長(zhǎng)度。

3結(jié)語

（1）在下壓加載至1 000 kN時(shí)，PHC管樁及節(jié)點(diǎn)連接未出現(xiàn)破壞。在上拔和水平加載時(shí)，樁身破壞先于節(jié)點(diǎn)破壞，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度大于樁身強(qiáng)度，驗(yàn)證了灌漿料連接的可靠性；

（2）PHC管樁與灌漿料間的極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值τb為計(jì)算節(jié)點(diǎn)承載力的關(guān)鍵參數(shù)，且本文提供的計(jì)算方法未考慮PHC偏心對(duì)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的影響，后續(xù)仍需較多試驗(yàn)樣本對(duì)此進(jìn)行修正。

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（責(zé)任編輯：李睿）