郭楊 ， 樂騰勝

（1.安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥230032；2.安徽省建筑工程質量第二監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 230032）

1 前言

綠色建筑是指在建筑的全壽命周期內，節(jié)約資源、保護環(huán)境、減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，最大限度的實現人與自然和諧共生的建筑。樁基礎作為建筑物結構的重要組成部分，其綠色設計與施工勢在必行。

隨著我國城市化建設快速發(fā)展，硬黏土地區(qū)樁基礎應用領域不斷擴大，樁基承載力越來越高，傳統(tǒng)的灌注樁基礎造價高、施工周期長、施工易造成環(huán)境污染，不符合綠色樁基的發(fā)展要求。預應力混凝土管樁具有工廠化生產、機械化施工、承載力高、造價低、工期短、施工環(huán)保等優(yōu)勢，符合綠色樁基的發(fā)展方向。但在硬黏土地區(qū)的應用管樁仍存在以下兩個突出問題：一方面，管樁施工過程中擠土效應顯著，容易出現樁身上浮、接頭松脫、沉樁深度達不到設計要求、豎向承載力和水平承載力不足等問題；另一方面，現有管樁質量檢測技術存在局限，不能準確查明管樁的施工質量[1]。

針對上述問題，筆者所在課題組歷時10余年通過模型實驗、現場試驗、數值模擬等研究方法，在預應力混凝土管樁的設計、施工和樁身質量檢測驗收等方面開展深入研究，取得了關鍵性的技術研究成果，實現了硬黏土地區(qū)綠色預應力混凝土管樁的推廣應用。

2 設計技術

硬黏土分布廣泛，除沿江沿海和山地丘陵外，我國大部分城市都建于硬黏土地區(qū)。硬黏土具有顯著的剪脹性、低壓縮性和高強度等特性。較軟土地區(qū)而言，硬黏土地區(qū)推廣使用預應力混凝土管樁，綜合性價比更高。

2.1 豎向極限承載力計算

通過對近3000組試樁靜載試驗結果進行統(tǒng)計分析，并經工程實踐驗證，提出硬黏土地區(qū)預應力混凝土管樁的豎向極限承載力公式（1）[2]。

式中：ξsi為管樁第i層土（巖）的側摩阻力增強系數；ξp為管樁第i層土（巖）的端阻力增強系數。在大量工程案例驗證的基礎上，給出了硬黏土地區(qū)管樁側摩阻力修正系數和端阻力增強系數，其中ξsi在1.00～1.20 之間，ξp在 1.00～1.50 之間。

2.2 壓樁力與極限承載力的關系

通過對硬黏土地區(qū)預應力混凝土管樁工程大量實測數據統(tǒng)計回歸分析，得到硬黏土地區(qū)壓樁力與極限承載力的區(qū)域性經驗公式（2）[3]。

式中：β為不同持力土層修正系數，一般對于15～22m之間的中長樁取1.4～1.7，對于6～15m之間的短樁取 1.7～2.1。

3 施工技術

3.1 管樁擠土效應的理論研究

采用圓孔擴張理論模擬預應力混凝土管樁的施工過程，把土體的幾何形狀、約束、荷載都看成是對稱于管樁的中軸線，假定按平面軸對稱問題考慮[4]，土體計算單元如圖1所示。

推導出半徑r處的徑向應力：

圖1 土單元計算模型

推導出彈性區(qū)半徑r處的位移表達式：

老黏土地區(qū)管樁沉樁時樁周土的塑性位移計算結果表明：老黏土地區(qū)管樁壓入土體影響范圍為管樁外徑的4～7倍，擠土效應顯著，沉樁時土體的變形會引起相鄰管樁的傾斜、上浮和樁身損壞。

3.2 消除管樁擠土效應的技術措施

為減少打樁引起的擠土效應影響，課題組提出了十項技術措施[5]，如表1。建議管樁施工時采用下列一種或者多種技術措施，以減少硬黏土地區(qū)的擠土效應。

消除擠土效應技術措施一覽表 表1

4 質量檢測技術

4.1 管樁樁身混凝土強度檢測

目前預應力混凝土管樁樁身混凝土檢測一般采用鉆芯法檢測，主要依據是《鉆芯檢測離心高強混凝土抗壓強度試驗方法》（GB/T 19496-2004）[6]標準。但該方法存在眾多局限性，如芯樣一般沿管樁徑向鉆取，與管樁實際受力方向不符；試驗結果存在一定誤差，評定方法容易引起爭議；檢測周期較長[7]。

隨著我國壓力試驗設備能力的提升，課題組提出了樁身混凝土全截面抗壓強度試驗方法，在預應力混凝土管樁上直接截取全截面管樁環(huán)形試件，截取試件時應避開管樁螺旋筋加密區(qū)。試件的高徑比應為1.0～2.0，試件高度的尺寸偏差不宜大于5%。試驗前，應對試件的垂直度和平整度進行測量，并符合：試件端面的平整度在100mm長度內，不超過0.1mm以及試件端面與與軸線的垂直度不超過2°這兩點要求。

抗壓試驗在壓力試驗機上進行，預應力混凝土管樁全截面試件的抗壓強度應按下列公式（5）計算。

式中：fcu——試件抗壓強度值（MPa），精確至0.1MPa；

P——試件抗壓試驗測得的破壞荷載（N）；

A——預應力混凝土管樁樁身橫截面計算面積，預應力鋼棒應按模量等效換算為混凝土面積（mm2）；

ξ——試件抗壓強度換算系數，當試件高徑比為1.0時，宜取1.0。

預應力混凝土管樁樁身全截面抗壓強度試驗圖如圖2所示，全截面抗壓強度結果更加接近于試驗混凝土立方體試塊抗壓強度試驗結果。當對鉆芯法的檢測結果評價有爭議時，可采用管樁全截面抗壓試驗進行評價。該方法已被寫入國家行業(yè)標準《預應力混凝土管樁技術標準》（JGJ/T 406-2017）[8]。

圖2 樁身全截面抗壓強度試驗圖

4.2 管樁樁身完整性檢測技術

現行國家行業(yè)標準《建筑基樁檢測技術規(guī)范》（JGJ 106-2014）[9]利用反射波法反算缺陷位置時，計算示意圖如圖3，計算采用公式（6）。

式中：x為樁身缺陷至傳感器安裝點的距離；Δtx為速度波第一峰與缺陷反射波峰間的時間差；ΔT為速度波第一峰與樁底反射波峰間的時間差；L為樁長。

圖3 現行規(guī)范管樁缺陷反演分析示意圖

式（6）是建立在一維理論基礎上的，沒有考慮三維效應的影響。由圖4可以明顯地看出應力波在管樁中傳播存在三維效應，課題組考慮三維效應，對計算公式（6）進行三維修正，得出了管樁缺陷位置反演的計算公式（7），根據橫波從樁頂敲擊點傳播到接收點所用時間近似等于 td，得出公式（8）[10]。

圖4 管樁淺部深度環(huán)向線的三維波場圖

通過對管樁缺陷位置的三維反演研究，不難得出：到在樁頂時域曲線上，測點處速度波第一峰的對應時間比激振點處有一定滯后，考慮到管樁的三維效應的修正方法，可使反演誤差大大減小，尤其是淺部缺陷，試驗樁的反演結果與實際值接近，能更好地指導實際工程應用[11]。

4.3 管樁承載力檢測方法

目前最常用的管樁承載力檢測方法為靜載試驗，包括單樁豎向抗壓（拔）靜載試驗和單樁水平靜載試驗。當在樁身埋設有應變測量傳感器時，也可以測量相應荷載作用下的樁身應力，并由此計算樁身彎矩。靜載試驗是目前公認的檢測基樁承載力最直觀、最可靠的試驗方法。

除了靜載試驗外，高應變也是判別單樁豎向抗壓承載力是否滿足要求的一種評價方法。高應變法檢測成本低（相對靜載而言），抽樣數量比靜載多，可用于預制樁的打樁監(jiān)控和部分工程的承載力驗收檢測。因高應變檢測結果與靜載試驗的結果存在較大差別，國內某些?。ㄊ校┮褔栏裣拗圃摲椒ǖ氖褂梅秶鶾12]。

4.4 預應力管樁新技術

針對預應力混凝土管樁水平和抗拔承載力不足的技術問題，課題組發(fā)明了一種玻璃纖維筋與鋼筋混合配筋的預制管樁新技術和抱箍式連接抗拔管樁。

4.4.1 玻璃纖維筋與鋼筋混合配筋的預制管樁

玻璃纖維筋與鋼筋混合配筋的預制管樁（簡稱PRC-G樁）新技術如圖5和圖6。即在預應力混凝土管樁中加入一定數量的GFRP筋，通過有效發(fā)揮GFRP筋抗拉性能，顯著提高預應力混凝土管樁的抗彎承載力[13]。PRC-G樁抗彎性能試驗表明：玻璃纖維筋的配置顯著提高了預應力混凝土管樁的抗彎性能；與同型號PHC管樁相比，PRC-G樁的開裂荷載提高了112%，極限荷載提高了150%[14]。

圖5 PRC-G樁

圖6 PRC-G樁圓截面布筋示意圖

圖7 抱箍式連接抗拔管樁接頭

4.4.2 抱箍式連接抗拔管樁接頭

管樁接頭的抱箍式連接如圖7，抱箍式連接抗拔管樁接頭主要由特制端板和抱箍式連接件組成，抗拔管樁端板比常規(guī)管樁端板強度更高，且端板外周設置有與U形抱箍卡配套的卡口，端板外周設置配套的螺栓孔；抱箍式連接頭抗拉試驗表明：抱箍式連接接頭抗拉強度比焊接連接頭抗拉強度提高100%以上[15]。

5 標準制訂情況

預制混凝土樁行業(yè)的標準制訂也取得了新進展，以國家標準《先張法預應力混凝土管樁》（GB 13476-2009）和國家建筑標準設計圖集《預應力混凝土管樁》（10G 409）為基礎，相繼編制了國家行業(yè)標準《預應力混凝土管樁技術標準》（JGJ/T 406-2017）、《預應力混凝土異型預制樁技術規(guī)程》（JGJ/T 405-2017）、《靜壓樁施工技術規(guī)程》（JGJ/T 394-2017）等。

2006年以來，安徽省先后制定了《先張法預應力混凝土抗拔管樁（抱箍式連接）》（DBJT11-166）、《機械連接預應力混凝土竹節(jié)樁》（DBJT11-179）、《先張法預應力混凝土管樁基礎技術規(guī)程》（DB34 5005-2014）、《預應力混凝土竹節(jié)樁基礎技術規(guī)程》（DB34/T 5014-2015）、《先張法預應力混凝土空心方樁基礎技術規(guī)程》（DB34/T 5015-2015）、《玻璃纖維增強復合材料筋地下工程應用技術規(guī)程》（DB34/T 5065-2016），內容涵蓋了安徽地區(qū)地基勘察、管樁制作、規(guī)格和質量要求、管樁基礎設計、管樁基礎施工、管樁基礎的檢驗與驗收等內容，加入了眾多安徽老黏土地區(qū)特有的關鍵技術指標，為管樁在我省推廣應用提供了科學的技術保障。

6 經濟社會效益

預應力混凝土管樁關鍵技術研究成果已在我省1500多個重點建設項目中得到推廣應用，典型工程如蕪湖長江二橋、濟祁高速、合肥繞城高速及合肥融科城等，總用樁量約8000多萬m，研究成果有效解決了預應力混凝土管樁在設計、施工及驗收檢測中遇到的技術難題。

在同等承載條件下，硬黏土地區(qū)預應力混凝土管樁與常規(guī)混凝土灌注樁相比，節(jié)約基礎工程造價30%以上，縮短工期40%以上，且施工環(huán)保無污染，符合綠色施工要求和建筑工業(yè)化發(fā)展方向。

7 應用展望

預應力混凝土管樁在我國推廣應用已近30年，據不完全統(tǒng)計，2016年全國管樁銷售量約為5億m。隨著新材料、新工藝和新樁型的進一步研發(fā)，預應力混凝土管樁必將得到更為廣泛的應用。

①新材料方面。采用蒸養(yǎng)生產的管樁，應用磨細礦物摻合料后，其配制的混凝土性能和技術效果優(yōu)于自然養(yǎng)護下的混凝土性能。采用免壓蒸生產的管樁，應用納米微珠超細粉，能使混凝土更加密實，強度更高，同時其抗?jié)B性、抗蝕性能也得到極大的改善。

②新工藝方面。為了配合機械化、自動化生產線的需要，已研發(fā)出了泵送喂料設備、自動吊具、自動清模機、自動噴涂脫模劑等設備，并正在逐步完善。這些設備的應用，減輕了操作工人的勞動強度、減少了用工數量、改善了安全生產環(huán)境、提高了工效。

③新樁型方面。未來，預應力混凝土管樁新樁型的研發(fā)包括大直徑鋼絞線預應力混凝土管樁、預應力高強混凝土耐腐蝕管樁、免蒸壓預應力高強混凝土管樁、H型鋼混凝土樁、異型樁、玻璃纖維復合材料筋與鋼筋混合配筋的預應力混凝土管樁等內容。