翟 蓮 洪 胤 劉東輝 錢永梅 金玉杰

吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院（130118）

0 引言

混凝土管樁是用混凝土制成的管狀產(chǎn)品，有非常強的承載力，主要在特定的地質(zhì)環(huán)境下作為建筑物的基礎(chǔ)，它有良好的抗裂和耐錘擊性能，且補救方式簡單，使用成本低，在實際施工階段不會產(chǎn)生過大的噪聲等優(yōu)勢，所以被廣泛應(yīng)用。隨著我國改革開放和現(xiàn)代化的飛速發(fā)展，市政，公路，鐵路等預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。在過去的30年中，管樁及其配套產(chǎn)品逐漸形成了新興的快速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。到目前為止，我國已成為世界上最大的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁生產(chǎn)國和應(yīng)用國。

1 國內(nèi)外PHC樁研究現(xiàn)狀

1.1 預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁的概況

隨著近30多年的發(fā)展和進步，混凝土管樁的原材料和生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)完全國產(chǎn)化，能夠自給自足，規(guī)格和型號也越來越多樣，形成了從國家標(biāo)準(zhǔn)、地方規(guī)程到設(shè)計圖集，再到施工等一系列完整的設(shè)計生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我國大多數(shù)預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁的生產(chǎn)都是運用先張法預(yù)應(yīng)力技術(shù)，制管采用的是混凝土高速離心成型技術(shù)，使用高溫高壓蒸汽養(yǎng)護技術(shù)進行其快速的養(yǎng)護。到目前為止，我國己經(jīng)成為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁應(yīng)用范圍最廣、產(chǎn)量最大的國家。當(dāng)下PC管樁和PHC管樁的應(yīng)用范圍比較廣，前者的混凝土等級為C60,后者的混凝土等級為C80。并且預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的產(chǎn)品規(guī)格十分齊全、應(yīng)有盡有，根據(jù)管樁樁身混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)可大概區(qū)分為A型、B型、AB型和C型管樁。

1.2 預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁在水平荷載作用下的研究

樁基礎(chǔ)設(shè)計時主要考慮豎向承載力的影響，而目前水平荷載作用下樁基礎(chǔ)的研究越來越受重視，我國學(xué)者對此有一些研究。洪濤[1]在分析研究國內(nèi)外樁土相互作用分析方法及研究狀況的基礎(chǔ)上，運用ANSYS軟件，主要對水平荷載作用下的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁樁與土相互作用下管樁的受力和變形特性進行了研究和探討，經(jīng)過研究計算，得出主要結(jié)論如下:在對管樁進行水平承載力設(shè)計時，樁頭處的設(shè)計尤其重要，加強樁頂與承臺的連接，可以有效的減少管樁的水平變位。在設(shè)計樁基時必須予以考慮，不能忽略，但是一些豎向荷載的影響可以忽視。 席文勇[2]等研究者對PHC管樁的水平承載能力進行了現(xiàn)場試驗，結(jié)合FLAC3D分別建立上一樁身混凝上一鋼筋實體的各向異性管樁模型，在分析PHC管樁單樁水平承載工作性狀后得出結(jié)論:通過數(shù)值分析，可以實現(xiàn)頂管穿越過程的良好力學(xué)模擬。陳祥[3]等利用室內(nèi)試驗，研究了水平受荷樁的承載內(nèi)力和變形特征。

1.3 預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁的抗彎性能研究

預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁普遍應(yīng)用于基礎(chǔ)工程，需要足夠的抗彎承載能力來抵抗其他效應(yīng)引起的地震或水平力。彎曲破壞是預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在地震中的主要破壞形式，國內(nèi)外研究人員對其承載性能和設(shè)計方案進行了很多的研究。胡銳[4]對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗彎承載性能進行了試驗研究和理論推導(dǎo)，提出了PRC管樁抗彎承載力簡化計算公式，該公式非常實用，可運用在實際結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計中。 王全[5]提出了一種全新的預(yù)制混凝土樁的設(shè)計方案，主要通過在管樁中心增加預(yù)應(yīng)力鋼筋，混凝土填充或者在表面增加碳纖維布等措施來提高管樁抗彎強度。劉俊偉[6]等人對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗彎性能進行了一系列原型試驗，所使用的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗彎性能比規(guī)范值好得多，在彎矩的作用下，在跨度中間約3m的范圍內(nèi)樁身裂縫均勻分布，樁在斷裂后仍具有較高的抗彎承載力。郭楊[7]等人通對復(fù)合鋼筋混凝土管樁（PRC）進行了現(xiàn)場彎曲試驗和數(shù)值分析計算，發(fā)現(xiàn)GFRP鋼筋和混凝土（C80）可以協(xié)同工作，并且GFRP鋼筋的成分也是如此。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的彎曲性能已大幅提高。其發(fā)現(xiàn)可以為復(fù)合增強（GFRP腱）預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。沈琳[8]等由試驗和數(shù)值模擬測試兩種類型的管樁抗彎性能，得出以下結(jié)論:實際生產(chǎn)的PHC管樁的抗彎性能比標(biāo)準(zhǔn)值好很多，在彎矩作用下，管樁已達到極限狀態(tài)的跡象均為1.5mm寬的裂縫，表明管樁達到極限狀態(tài)后具有一定的承載力。在管樁抗彎承載力的有限元模擬中，人們對混凝土進行了塑性損傷模擬，預(yù)應(yīng)力鋼筋的屈服與事實更加一致，這表明管樁已達到極限狀態(tài)。

1.4 預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁的抗震研究

預(yù)應(yīng)力高強度混凝土管樁（PHC管樁）具有許多其他樁基所沒有的優(yōu)點。其已廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中，具有廣闊的市場前景。上層建筑的安全程度主要依賴于管樁的抗震性能情況，但是，在我國關(guān)于管樁的抗震性能的研究很少，因此，有必要對地震作用下的應(yīng)力狀態(tài)，管樁及變形能力進行分析研究。我國一些學(xué)者對PHC管樁的抗震性能進行了試驗研究。李義凡[9]提出了補救措施。與其他補救措施相比，可以不添加預(yù)應(yīng)力筋，并且可以在PHC管樁中加入鋼纖維?？梢杂行У靥岣吖軜兜某休d力和變形能力，并且滯后性能也得到較大改善，延展性能和力消耗也得到提高，向PHC管樁中添加非預(yù)應(yīng)力筋且摻入鋼纖維是提高管樁抗震性能的措施之一。張季超[10]等提出PHC管樁處于地震作用狀態(tài)下，其最大樁身彎矩包絡(luò)值呈現(xiàn)先增加后減小的發(fā)展態(tài)勢，另外，其最大彎矩值出現(xiàn)在大約5倍樁徑的位置而且集中出現(xiàn)在3~8倍樁徑位置處的都為PHC管樁較大的彎矩值。對PHC管樁采用合適數(shù)量的填芯混凝土進行加強處理，使其抗震性能可以得到一定的提高。王詩朦[11]整理了高性能混凝土的研究現(xiàn)狀和預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁在豎向荷載作用下的水平承載力研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，將ABAQUS用于有限元分析，并確定了現(xiàn)有的理論。利用混凝土和鋼筋的材料模型建立了預(yù)應(yīng)力高強度混凝土管樁的三維有限元模型。結(jié)論:PHC管樁的水平承載力隨著豎向壓力的增加而減小，減小的幅度繼續(xù)增大。PHC失效時PHC樁的變形能力和延展性持續(xù)下降。當(dāng)PHC樁承受往復(fù)的水平載荷時，其剛度會降低，其性能會降低，并且其延展性也會降低，這會在樁頭附近發(fā)生。預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁的水平變形能力隨豎向壓力的增加而減小。

1.5 預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁的抗剪性能研究

長期以來，國內(nèi)外對管樁的研究主要集中在管樁的抗震性能和樁土的影響上，對管樁的抗剪承載力研究很少。但是，在實際工程中，除了允許樁基礎(chǔ)承受垂直載荷的上部結(jié)構(gòu)，液化土層的側(cè)向流動，軟土層和硬土層的聯(lián)合剛度差異以及其他不利因素外，樁基還必須能夠承受地震。如果變形較大且剪切力超過管樁的抗剪強度，則可能會發(fā)生工程事故，因此對PHC管樁的抗剪性能的研究具有重大意義。為此我國研究人員對預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁的抗剪性能展開研究。楊志堅[12]等人使用ABAQUS軟件建立了預(yù)應(yīng)力高強度混凝土管樁的有限元模型并分析了抗剪強度，得出結(jié)論:在PHC管樁中增配普通鋼筋對于提高管樁的抗剪承載力具有明顯影響；提高混凝土強度和預(yù)應(yīng)力筋配筋率都可以提高管樁的抗剪承載力，但前者對其影響相對較?。粯?gòu)件的極限抗剪承載力與軸壓比成正比例函數(shù)。杜新喜[13]等人開展多組預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗剪性能試驗，研究數(shù)據(jù)表明，在PHC管樁中加入非預(yù)應(yīng)力鋼筋可以提高管樁的抗剪承載力和抗剪剛度，軸向壓力也對管樁的抗剪承載力有顯著的提高[14-16]。

2 評述與展望

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁以其經(jīng)濟效益好、施工工期短、工程造價低、施工現(xiàn)場文明環(huán)保等優(yōu)點在基礎(chǔ)工程中得到推廣應(yīng)用。目前，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的主要設(shè)計目的是滿足立式軸承的要求，將其用于水平承載樁需要對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的受力特性、配筋方式、接頭性能、截面特性等方面開展理論及試驗研究，提高預(yù)應(yīng)力管樁的抗彎抗剪性能，這對全面推廣預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在基坑工程等領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實意義[17-18]。隨著我國預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的應(yīng)用越來越普遍，新的樁型就應(yīng)運而生，這些新樁型具有明顯的優(yōu)點和廣泛的適用范圍。新樁型離不開新材料，因為超細礦物摻合料顆粒細小，比表面積大，與減水劑雙摻使用，能夠有效減少單位體積混凝土用水量，減少水泥用量，增加混凝土漿體和易性，提高混凝土的工作性能。免蒸壓法混凝土管樁生產(chǎn)工藝用蒸汽養(yǎng)護一自然養(yǎng)護來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蒸汽養(yǎng)護一蒸壓養(yǎng)護，能夠有效節(jié)約資源，降低生產(chǎn)成本[19]。引孔靜壓法、靜鉆根植法、中掘法等新的施工方法與傳統(tǒng)的施工相比，具有污染小、施工快、適用范圍廣、對管樁承載力影響小、施工效率高等優(yōu)點，具有很高的推廣價值。