预应力混凝土管桩的荷载传递规律研究

张万涛 郝爱玲 赵 林

(1.安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽合肥 230011;2.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230009)

预应力高强度混凝土管桩(PHC桩)是采用先张法预应力离心成型工艺，并经过10个大气压、1 800℃ 左右的蒸汽养护而制成一种空心圆筒形混凝土预制构件。PHC桩是重要的桩基材料，具有单桩承载力高、应用范围广、质量可靠、经济效益好等诸多优点，被广泛应用到高层及多层建筑、铁路高架桥、桥梁与高速公路等工程建设中。国内外不少学者对PHC管桩的理论及工程应用开展了大量的研究，取得了颇为丰硕的研究成果。针对PHC管桩的荷载传递规律研究方面，亦取得了较大的进展。本文在总结国内外相关文献资料的基础上，着重探讨PHC管桩的荷载传递规律与承载特性，分析影响PHC管桩荷载传递规律的主要因素，总结现有的PHC管桩荷载传递方面的理论计算方法，并予以科学评价，可为PHC管桩的研究和应用提供一定的参考和指导作用。

1 国内外发展与应用现状

欧美及日本等发达国家是研究、生产、使用PHC管桩较多的国家。20世纪60年代末～70年代，日本就开发了PHC管桩，至1991年前后，PHC管桩生产达到高峰，日本全国各种管桩产量达790 万 t[1，2]。20 世纪60年代末，由于建设南京长江大桥需要采用管桩基础形式，大桥工程局三处开始研制和生产管桩。为了满足港口建设发展的需要，1987年交通部第三航务工程局引进了日本的全套PHC管桩生产线。随后，我国相关单位和部门通过对引进的管桩生产线的消化吸收，自主开发了国产化的PHC管桩生产线，并于1993年被建设部列为全国重点推广项目。近30年来，我国土木建筑工程业迅速发展，大量高层建筑、民用住宅、公用工程、桥梁、港口与码头等工程均需要优质的桩基础。管桩基础由于其存在的诸多优点，得到了广泛应用和快速发展。据不完全统计，到2006年，我国管桩直接销售收入约250亿元。目前，广东、江苏、上海、天津等地都有许多管桩生产企业和施工单位。特别是在南方地区，管桩基础已经占到桩基础的70%～80%。

2 PHC管桩单桩荷载传递规律

2.1 PHC管桩荷载传递机理

当PHC管桩受到竖向荷载作用时，桩身上部发生压缩而产生相对于桩周土的向下位移;同时，这种向下的位移受到土的阻碍作用，在桩的侧表面产生相对向上的摩阻力。桩所受的荷载通过产生的桩侧摩阻力而逐步传递到周围土层中，桩身荷载和压缩变形量随入土深度的增加而逐渐减小。桩—土相对位移为零深度及其以下，桩侧摩阻力尚未得到发挥，其值为零。PHC管桩在加载初始阶段，桩侧摩阻力与向下位移近似的呈直线关系;随着荷载的增大，位移和桩身压缩量增大，下部的摩阻力被逐步调动起来，将部分荷载传递给桩端土层承担，导致桩端土层发生压缩变形，进而产生桩端阻力。另一方面，桩—土相对位移由于桩端土层的压缩而进一步增大，致使桩侧摩阻力进一步发挥出来。当桩侧摩阻力达到极限后，随着位移量的继续增大，桩侧摩阻力保持不变，桩端阻力则不断增大。

2.2 影响荷载传递的因素

1)桩端土层与桩周土层的刚度比。桩端土层与桩周土层的刚度比越小，桩身轴力沿深度衰减就越快。当其值为零时，PHC桩为纯摩擦桩，所有荷载均由桩侧摩阻力承担。当其值为1时，即桩端突出与桩周土层的刚度相等，其荷载传递规律曲线和桩侧摩阻力分布情况与纯摩擦桩相似。当其值为无穷大，且为中长桩时，桩身上段轴力随深度增加而减少，下段则基本保持不变。由于桩端土层的刚度相对极大，可分担60%以上的荷载，此时为端承桩。2)桩、土刚度比。桩、土刚度比越大，由桩端阻力所分担的荷载所占的比例也越大;反之，桩端阻力所分担的荷载所占的比例就越小，侧摩阻力所分担的荷载所在的比例越大。当桩、土刚度比为无穷大时，PHC管桩可被看作是一刚体，端阻力和侧摩阻力同时发挥作用，按桩侧、桩端土层的刚度系数大小来分担荷载。此时，端阻力将分担大部分荷载。3)PHC管桩的长、径比。管桩的长、径对其荷载传递规律具有较大的影响，特别是在均匀土层中，其影响是否显著。当长、径比超过100时，桩端土的工程性质对荷载传递规律将不再产生任何影响。因此，长、径比很大的管桩往往都属于摩擦桩或纯摩擦桩。4)土塞效应。PHC管桩在施工过程中，往往在桩端空腔内会产生一定长度土塞。土塞刚产生时，是不完全闭塞的，然后逐渐形成完全闭塞的土塞。土塞不完全闭塞时，沉桩引起的挤土效应相对较弱;土塞完全闭塞后，管桩沉桩变为完全的挤土桩，挤土效应相对强烈，过于强烈的挤土效应可能导致管桩沉桩困难。沉桩过程中，管桩空腔中土塞的形成与基底下楔体的形成过程是相辅相成的，楔体对土塞的闭塞效应存在一定的影响。土塞作用可在管桩内壁形成摩阻力，并产生一定的法向应力，进而对PHC管桩的荷载传递过程形成明显的影响。5)挤土效应。PHC管桩在沉桩施工过程中，对桩周土存在一定的挤土作用，使桩周土受到扰动，并导致侧向压应力的增加。当桩周土为饱和粘性土时，由于粘性土瞬时排水固结效应较弱，压缩变形量小，沉桩挤土作用使桩周土产生横向和竖向位移。随着时间的推移，所产生的超静孔隙水压力逐渐消散，土体发生再固结，其强度存在触变恢复过程。因此，侧摩阻力亦发生变化，存在显著的时间效应，对PHC管桩的荷载传递过程造成一定程度的影响。当桩周土体为非饱和土时，桩周土体受到挤压作用而变得密实，桩周土的密实度增大后，其侧摩阻力亦随之有所增大，从而对PHC管桩的荷载传递过程造成一定的影响。

3 管桩荷载传递的理论计算

在竖向荷载作用下，桩身所受荷载与沉降为非线性关系，PHC管桩的荷载传递过程十分复杂。国内外不少学者探讨了桩基础的荷载传递规律的计算方法，对于管桩基础而言，主要包括弹性理论法、荷载传递法、剪切变形传递法和有限元计算方法等。不同的方法其基本假定条件不一致，亦存在一定的局限性。弹性理论法考虑了土体的连续性，在计算过程中，认为桩和土的水平向变形很小，可以忽略不计，而只考虑竖向变形作用。弹性理论法是基于弹性力学而提出来的，但目前适用于桩基础的弹性力学基本解很少，考虑土的分层及非线性十分困难。因而，难以得到实际应用。有限元法在计算时，可以考虑土的不均匀性、非线性、各向异性等特征，并能考虑桩和土的应力历史、桩的滑移等，是分析管桩工作性能的有效方法。可用来揭示管桩基础的受力特性和荷载传递规律，并与现场实测成果相对比验证，以指导设计和施工。但有限元法的缺点是计算参数难以准确获取，不能保证计算的正确性和精度，难以真正实现定量分析。

4 结语

在全面总结国内外相关文献资料的基础上，深入探讨了竖向荷载作用下PHC管桩单桩的荷载传递规律。回顾了PHC管桩的发展历程，分析了竖向荷载作用下的PHC管桩荷载传递规律，探讨了影响荷载传递的主要因素，总结评价了常用的管桩荷载传递规律的理论计算方法。

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