桑登峰，胡若鄰

（中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230）

混凝土材料抗壓強(qiáng)度高、抗彎拉能力弱的特點(diǎn)導(dǎo)致混凝土管樁抗彎能力弱；而預(yù)應(yīng)力混凝土管樁有效克服了混凝土管樁在抗彎方面的不足；另外由于其單樁承載力高、耐久性好、施工快、質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)，使得預(yù)應(yīng)力管樁在水運(yùn)碼頭、工業(yè)民用建筑、鐵路橋梁等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。

隨著工程技術(shù)的發(fā)展以及施工技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土大直徑管樁的要求也越來(lái)越高，管樁直徑越來(lái)越大，樁長(zhǎng)也越來(lái)越長(zhǎng)[4-5]。改進(jìn)型后張法大管樁進(jìn)行了如下改進(jìn)：1）采用復(fù)合成型工藝、改進(jìn)混凝土配比和蒸養(yǎng)工藝使混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C80；2）改進(jìn)預(yù)應(yīng)力張拉工藝，消除后批張拉對(duì)前批張拉預(yù)應(yīng)力的影響；3）增長(zhǎng)單節(jié)管節(jié)長(zhǎng)度，單節(jié)長(zhǎng)度達(dá)到8 m；4）提高管樁混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力，有效預(yù)壓應(yīng)力達(dá)到15.6 MPa。

直徑1.2 m的改進(jìn)型后張法預(yù)應(yīng)力大管樁（壁厚14.5 cm，單節(jié)長(zhǎng)度為8 m，混凝土有效預(yù)應(yīng)力為15.6 MPa），該型管樁抗裂彎矩和極限彎矩的設(shè)計(jì)計(jì)算值分別為2681 kN·m、3617 kN·m，且管樁接頭抗裂彎矩和極限彎矩不小于管樁本身抗裂彎矩和極限彎矩，本文通過(guò)一系列的試驗(yàn)，研究該型樁的受力特性和破壞特征，證明了此改進(jìn)型后張法管樁在抗彎性能方面優(yōu)勢(shì)明顯。

1 試驗(yàn)概況

針對(duì)后張法大管樁的抗彎能力改善情況，本次試驗(yàn)重點(diǎn)研究了此型混凝土管樁的抗彎性能，包括管節(jié)抗彎性能以及管樁接頭的抗彎性能，本次試驗(yàn)為驗(yàn)證性試驗(yàn)，以試驗(yàn)樁達(dá)到設(shè)計(jì)要求為首要目的。試驗(yàn)內(nèi)容包括加載過(guò)程中樁身關(guān)鍵截面應(yīng)力分布、撓度變化、裂縫發(fā)展及斷裂性狀4大部分。試驗(yàn)采用6根試驗(yàn)樁，其中3根管樁進(jìn)行管節(jié)抗彎試驗(yàn)研究，另外3根管樁進(jìn)行管樁接頭抗彎試驗(yàn)研究，試驗(yàn)樁的基本情況如表1所示。

表1 試驗(yàn)樁概況匯總表

2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)裝置參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)范制作[7-8]，采用反力架加載裝置，加載采用自鎖式穩(wěn)壓千斤頂，撓度測(cè)定采用百分表進(jìn)行，應(yīng)變的觀測(cè)采用電阻應(yīng)變片（120 Ω，標(biāo)距 5 cm），采集裝置采用UCAM-60B靜態(tài)應(yīng)變儀，裂縫寬度測(cè)定采用RSCK裂縫寬度測(cè)試儀。裂縫分布采用攝像以及裂縫展開(kāi)圖的方式記錄。管節(jié)本身抗彎試驗(yàn)裝置如圖1所示，管樁接頭抗彎試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖1 管節(jié)抗彎裝置示意圖

圖2 管節(jié)接頭抗彎裝置示意圖

試驗(yàn)的加載方式根據(jù)GB 13479—2009《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》確定，大直徑管樁抗彎試驗(yàn)采用分級(jí)加載。當(dāng)試驗(yàn)荷載小于正常使用的設(shè)計(jì)荷載時(shí)，每級(jí)荷載為該荷載值的20%；當(dāng)試驗(yàn)荷載大于設(shè)計(jì)荷載時(shí)，每級(jí)荷載為設(shè)計(jì)荷載的10%；當(dāng)試驗(yàn)荷載接近抗裂荷載時(shí)，每級(jí)荷載為設(shè)計(jì)荷載的5%。每級(jí)荷載持荷5 min，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定為準(zhǔn)。試驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)記錄下各級(jí)荷載作用下的構(gòu)件變形，包括荷載值、跨中下?lián)?、支座沉降和混凝土?yīng)變，記錄的時(shí)間為第0、3 min和5 min。當(dāng)構(gòu)件出現(xiàn)裂縫時(shí)，應(yīng)同步記錄裂縫出現(xiàn)的時(shí)間，并測(cè)量裂縫的寬度，描述裂縫的分布。

抗裂荷載的檢驗(yàn)標(biāo)志有：出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)裂紋；混凝土應(yīng)變突變；百分表指針跳動(dòng)。極限荷載的檢驗(yàn)標(biāo)志有：構(gòu)件受壓區(qū)混凝土破壞；受拉鋼筋被拉斷；受拉主筋處的最大裂縫寬度達(dá)到1.5 mm。當(dāng)出現(xiàn)以上任何一種標(biāo)志時(shí)，即可判定已出現(xiàn)該荷載狀態(tài)。

樁身抗裂承載力（彎矩）和極限承載力（彎矩）判斷參考GB 13476—2009《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》可確定：1）當(dāng)在試驗(yàn)加載過(guò)程中出現(xiàn)上述檢驗(yàn)標(biāo)志時(shí)，應(yīng)取前一級(jí)荷載值作為檢驗(yàn)荷載的實(shí)測(cè)值；2）在規(guī)定的荷載持續(xù)時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)上述檢驗(yàn)標(biāo)志時(shí)，取本級(jí)荷載值與前一級(jí)荷載值的平均值作為其檢驗(yàn)荷載的實(shí)測(cè)值；3）當(dāng)在規(guī)定的荷載持續(xù)時(shí)間結(jié)束后出現(xiàn)上述檢驗(yàn)標(biāo)志時(shí)，取本級(jí)荷載值作為其檢驗(yàn)荷載實(shí)測(cè)值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 管節(jié)本身抗彎性能

根據(jù)圖1所示，對(duì)于24 m（8×3）的后張法大管樁，其抗裂彎矩和極限彎矩計(jì)算公式為：

其中：p0=5.5 kN（分配梁、千斤頂和U型箍總重）；L=24 m；a=0.5 m。

根據(jù)該型樁的設(shè)計(jì)資料，可以分別得到設(shè)計(jì)抗裂荷載472.5 kN，設(shè)計(jì)極限荷載680.5 kN。

管樁本身抗彎試驗(yàn)的荷載-跨中撓度曲線，如圖3所示。試驗(yàn)樁加載過(guò)程大致可分為兩個(gè)階段：荷載約550 kN前，結(jié)構(gòu)抗彎剛度約為20 kN/mm；約550 kN后，結(jié)構(gòu)抗彎剛度明顯減小，說(shuō)明結(jié)構(gòu)已開(kāi)裂，受拉區(qū)混凝土部分退出工作。

圖3 管節(jié)抗彎試驗(yàn)跨中撓度發(fā)展

試驗(yàn)樁跨中荷載-應(yīng)力發(fā)展情況如圖4所示。（C80混凝土彈性模量取3.8×104MPa，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)），由圖中可以發(fā)現(xiàn)，裂縫出現(xiàn)之前樁身跨中應(yīng)力比較小且基本呈線性分布。

圖4 管節(jié)抗彎試驗(yàn)應(yīng)力發(fā)展

管樁本身抗彎試驗(yàn)的裂縫分布，如圖5～7所示。

圖5 1號(hào)管樁裂縫分布圖

圖6 2號(hào)管樁裂縫分布圖

圖7 3號(hào)管樁裂縫分布圖

1號(hào)管樁抗彎試驗(yàn)結(jié)果如下，加載到545.1 kN時(shí)，樁身跨中上下部的拉壓應(yīng)變幾乎相等；加載到594.6 kN時(shí)，加載過(guò)程中，樁身跨中下部出現(xiàn)了長(zhǎng)0.3 m、寬0.01 mm的裂縫，且拉應(yīng)變減?。患虞d到644.2 kN時(shí)，在持荷時(shí)間內(nèi)，樁身跨中加載點(diǎn)下方的樁身下部新增了2條長(zhǎng)0.6 m、寬0.1 mm的橫向裂縫；加載到693.7 kN時(shí)，在持荷時(shí)間內(nèi)，裂縫延伸了0.4 m；加載到743.3 kN時(shí)，在持荷時(shí)間內(nèi)，新增了2條裂縫；加載到768.0 kN時(shí)，在持荷時(shí)間內(nèi)，又新增了2條裂縫，跨中1條裂縫，另一條裂縫出現(xiàn)在右側(cè)加載點(diǎn)向右偏移1.2 m處樁身下部；加載到790.2 kN時(shí)，在持荷時(shí)間內(nèi)，樁身跨中下部裂縫最大寬度增至0.6 mm；加載到842.4 kN時(shí)，在持荷時(shí)間后，樁身跨中下部裂縫最大寬度增至0.8 mm，裂縫數(shù)量發(fā)展到10條。

2號(hào)管樁抗彎試驗(yàn)結(jié)果如下，加載到545.1 kN時(shí)，樁身跨中下部拉應(yīng)變?cè)黾泳徛?；加載到594.6 kN時(shí)，加載過(guò)程中，加載點(diǎn)處樁身下部開(kāi)裂，長(zhǎng)0.5 m，寬0.1 mm；加載到644.2 kN時(shí)，在持荷時(shí)間后，跨中下部拉應(yīng)變突然變小，跨中下部出現(xiàn)寬0.3 mm裂縫；荷載由693.7 kN到842 kN過(guò)程中，樁身跨中裂縫最大寬度由0.5 mm變?yōu)? mm，且裂縫出現(xiàn)范圍逐漸擴(kuò)大，分布在加載點(diǎn)下方左右1.5 m范圍內(nèi)，裂縫數(shù)量為11條。

3號(hào)管樁抗彎試驗(yàn)結(jié)果如下，加載到545.1 kN時(shí)，在持荷時(shí)間內(nèi)，樁身跨中下部出現(xiàn)長(zhǎng)0.3 m寬0.05 mm裂縫；加載到644.2 kN時(shí)，在持荷時(shí)間后，共出現(xiàn)7條裂縫，最寬的0.3 mm，長(zhǎng)1 m；加載到693.7 kN時(shí)，在持荷時(shí)間后，新增了2條裂縫，共9條裂縫，最寬的0.5 mm，長(zhǎng)1.2 m；荷載由718.5 kN到941.5 kN過(guò)程中，共有11條裂縫，裂縫最大寬度由0.6 mm變?yōu)?.6 mm。

對(duì)于1號(hào)樁，加載到594.6 kN時(shí)，在持荷時(shí)間內(nèi)，樁身跨中下部出現(xiàn)了裂縫，則實(shí)測(cè)抗裂荷載取本級(jí)荷載與前一級(jí)荷載的平均值，為569.85 kN；加載到842.4 kN時(shí)，在持荷時(shí)間后，樁身出現(xiàn)裂縫的最大寬度為0.8 mm，還沒(méi)達(dá)到極限狀態(tài)，由于地錨開(kāi)裂，加載終止，實(shí)測(cè)極限荷載大于842.4 kN。即實(shí)測(cè)抗裂彎矩為3119.1 kN·m，大于設(shè)計(jì)抗裂彎矩2681 kN·m；實(shí)測(cè)極限彎矩大于4345.6kN·m，也大于設(shè)計(jì)極限彎矩3617kN·m。

對(duì)于2號(hào)樁，加載到594.6 kN時(shí)，在加載過(guò)程中樁身開(kāi)裂，則實(shí)測(cè)抗裂荷載取前一級(jí)荷載，為545.1 kN；加載到842.4 kN時(shí)，在持荷時(shí)間后，樁身出現(xiàn)裂縫的最大寬度為1 mm，還沒(méi)達(dá)到極限狀態(tài)，由于地錨開(kāi)裂，加載終止，可見(jiàn)實(shí)測(cè)極限荷載大于842.4 kN。實(shí)測(cè)抗裂彎矩為3007.7 kN·m，大于設(shè)計(jì)抗裂彎矩2681 kN·m；實(shí)測(cè)極限彎矩大于4345.6 kN·m，也大于設(shè)計(jì)極限彎矩3617 kN·m。

對(duì)于3號(hào)樁，加載到545.1 kN時(shí)，在持荷時(shí)間內(nèi)，樁身開(kāi)裂，實(shí)測(cè)抗裂荷載取本級(jí)荷載與前一級(jí)荷載的平均值，為520.3 kN；加載到941.5 kN時(shí)，在持荷時(shí)間后，樁身跨中下部出現(xiàn)了寬1.6 mm橫向裂縫，該樁已達(dá)到極限狀態(tài)，實(shí)測(cè)極限荷載取本級(jí)荷載，為941.5 kN。實(shí)測(cè)抗裂彎矩為2896.1 kN·m，大于設(shè)計(jì)抗裂彎矩2681 kN·m；實(shí)測(cè)極限彎矩為4791.5 kN·m，大于設(shè)計(jì)極限彎矩 3617 kN·m。

3.2 管樁接頭抗彎性能

根據(jù)圖2所示，對(duì)于16 m（8×2）的后張法大管樁，其抗彎彎矩計(jì)算公式為：

其中：p0=5.5 kN，L=16 m，a=0.5 m，q=12.62 kN/m。

根據(jù)該管樁設(shè)計(jì)資料，可以分別得到設(shè)計(jì)抗裂荷載698.4 kN，設(shè)計(jì)極限荷載977.8 kN。

管樁接頭抗彎試驗(yàn)的荷載-跨中撓度曲線，如圖8所示。試驗(yàn)樁加載過(guò)程大致可分為兩個(gè)階段：荷載約700 kN前，結(jié)構(gòu)抗彎剛度約為45 kN/mm；約700 kN后，結(jié)構(gòu)抗彎剛度明顯減小，說(shuō)明結(jié)構(gòu)已開(kāi)裂，受拉區(qū)混凝土部分退出工作。

圖8 管節(jié)接頭抗彎試驗(yàn)跨中撓度發(fā)展

試驗(yàn)樁跨中荷載-應(yīng)力發(fā)展情況如圖9所示。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，裂縫出現(xiàn)之前樁身跨中應(yīng)力比較小且基本呈線性分布。

圖9 管節(jié)接頭抗彎試驗(yàn)應(yīng)力發(fā)展

4號(hào)、6號(hào)管樁抗彎試驗(yàn)的裂縫分布如圖10、圖11所示。

圖10 4號(hào)管樁裂縫分布圖

圖11 6號(hào)管樁裂縫分布圖

4號(hào)后張法大管樁接頭抗彎試驗(yàn)結(jié)果如下，加載到738 kN時(shí)，在持荷時(shí)間內(nèi)，管樁兩端外壁的上下部出現(xiàn)兩條順樁向裂縫，長(zhǎng)0.8 m，寬0.2 mm；加載到785 kN時(shí)，在持荷時(shí)間后，樁身接頭下部黏結(jié)縫出現(xiàn)長(zhǎng)0.77 m、寬0.1 mm的橫向裂縫，下部跨縫應(yīng)變片破壞；加載到831 kN時(shí)，管樁兩端外壁的上下部出現(xiàn)兩條順樁向裂縫增長(zhǎng)到1.2 m，寬度0.4 mm，在持荷時(shí)間后，樁身跨中下部的裂縫增長(zhǎng)了0.3 m，同時(shí)由于地錨出現(xiàn)寬0.5 mm的裂縫，加載終止。

5號(hào)后張法大管樁接頭抗彎試驗(yàn)結(jié)果如下，加載到738 kN時(shí)，樁身混凝土和粘結(jié)處均未出現(xiàn)裂縫，由于地錨開(kāi)裂，終止加載。

6號(hào)后張法大管樁接頭抗彎試驗(yàn)結(jié)果如下，加載到715 kN時(shí)，在持荷時(shí)間后，管樁跨中的下部黏結(jié)縫出現(xiàn)了微裂縫，且下部拉應(yīng)變突然變大；加載到738 kN時(shí)，管樁跨中下部拉應(yīng)變減小；加載到877 kN時(shí)，在持荷時(shí)間后，地錨處出現(xiàn)寬0.2 mm的裂縫，管樁跨中上部壓應(yīng)變突然變大；管樁兩端外壁的上下部出現(xiàn)兩條順樁向裂縫，長(zhǎng)1.3 m，寬0.3 mm；加載到923 kN時(shí)，在持荷時(shí)間內(nèi)，管樁跨中下部出現(xiàn)寬0.5 mm的裂縫；加載到980 kN時(shí)，在持荷時(shí)間結(jié)束后，管樁跨中上部混凝土壓碎破壞。

對(duì)于4號(hào)樁，加載到738 kN時(shí)，在持荷時(shí)間內(nèi)，樁兩端內(nèi)壁上下部出現(xiàn)裂縫，實(shí)測(cè)抗裂荷載取本級(jí)荷載與前一級(jí)的平均值，為726.5 kN。實(shí)測(cè)抗裂彎矩為2775.3 kN·m，大于設(shè)計(jì)抗裂彎矩2681 kN·m。

對(duì)于5號(hào)樁，加載到738 kN時(shí)，在持荷時(shí)間后，樁身未出現(xiàn)裂縫，因地錨開(kāi)裂，加載終止，實(shí)測(cè)抗裂荷載大于本級(jí)荷載738 kN。實(shí)測(cè)抗裂彎矩大于2814 kN·m，大于設(shè)計(jì)抗裂彎矩2681 kN·m。

對(duì)于6號(hào)樁，加載到715 kN時(shí)，在持荷時(shí)間后，樁的右端內(nèi)壁出現(xiàn)了裂縫，實(shí)測(cè)抗裂荷載取本級(jí)荷載，為715 kN；加載到980 kN時(shí)，在持荷時(shí)間結(jié)束后，樁身跨中上部混凝土壓碎，樁已達(dá)到極限狀態(tài)，實(shí)測(cè)極限荷載取本級(jí)荷載，為980 kN。實(shí)測(cè)抗裂彎矩為2736.7 kN·m，大于設(shè)計(jì)抗裂彎矩2681 kN·m；實(shí)測(cè)極限彎矩為3621 kN·m，大于設(shè)計(jì)極限彎矩3617 kN·m。

綜上所述，后張法大管樁的實(shí)測(cè)平均抗裂彎矩為3007 kN·m，超過(guò)設(shè)計(jì)抗裂彎矩12%；實(shí)測(cè)平均極限彎矩為4494 kN·m，超過(guò)設(shè)計(jì)極限彎矩24%。后張法大管樁接頭的實(shí)測(cè)平均抗裂彎矩為2775 kN·m，超過(guò)設(shè)計(jì)抗裂彎矩3.5%，該樁的實(shí)測(cè)抗裂彎矩滿足設(shè)計(jì)要求。

4號(hào)和6號(hào)后張法大管樁管樁兩端外壁的上下部出現(xiàn)兩條順樁向裂縫，尤其是4號(hào)后張法大管樁兩端外壁先于跨中出現(xiàn)裂縫，管樁兩端外壁開(kāi)裂主要是由于支點(diǎn)反力在管樁端部支點(diǎn)附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，懸臂端過(guò)短導(dǎo)致管樁端部外壁受拉應(yīng)力過(guò)大所致。規(guī)范[7]中建議的懸臂端長(zhǎng)度為0.2 L，但是有時(shí)由于加載能力的限制，試驗(yàn)中會(huì)有意增加跨中長(zhǎng)度，縮小懸臂端長(zhǎng)度，但是懸臂端過(guò)短會(huì)導(dǎo)致端部先開(kāi)裂，影響抗彎試驗(yàn)測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，跨中極限彎矩時(shí)，管樁兩端外壁的開(kāi)裂長(zhǎng)度最大為1.3 m（約為1倍樁直徑），而懸臂端在2.5 m（約為2倍樁直徑）時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中管樁兩端外壁未出現(xiàn)開(kāi)裂，因此建議混凝土管樁抗彎試驗(yàn)中，懸臂端長(zhǎng)度在1～2倍管樁直徑之間。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)一系列的抗彎試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

1）后張法大管樁的實(shí)測(cè)平均抗裂彎矩為3007 kN·m，超過(guò)設(shè)計(jì)抗裂彎矩12%；實(shí)測(cè)平均極限彎矩為4494 kN·m，超過(guò)設(shè)計(jì)極限彎矩24%。后張法大管樁接頭的實(shí)測(cè)平均抗裂彎矩為2775 kN·m，超過(guò)設(shè)計(jì)抗裂彎矩3.5%，該樁的實(shí)測(cè)抗裂彎矩滿足設(shè)計(jì)要求。

2）抗彎試驗(yàn)顯示，樁身裂縫集中分布在純彎段3 m范圍內(nèi)。

3）混凝土管樁抗彎試驗(yàn)，兩端懸臂端的長(zhǎng)度在1～2倍管樁直徑之間。

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