老黏土地区混合配筋预应力管桩抗弯试验研究

杨泽东 （安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽 合肥 230001）

0 引言

自20世纪90年代，预应力管桩以其工厂化生产、承载力高、施工工期短和施工环保等特点，逐步在我国基础工程中广泛应用，应用领域随之扩展到工业与民用建筑、公路桥梁、港口码头等工程的桩基基础[1]。

随着预应力管桩的不断应用，尤其在合肥、阜阳及亳州等老黏土地区，预应力管桩在水平荷载作用下易出现抗弯承载力不足等问题，主要表现为断桩、斜桩及接头水平承载力不足等质量缺陷问题。为更好扩大预应力管桩的应用领域，提高预应力管桩的抗弯承载力，目前工程中常采用填芯混凝土[2-3]、配置螺纹钢筋[4-5]等措施，但效果并不理想。

本文通过室内抗弯试验，对混合配筋预应力管桩（以下简称PRC桩）的抗弯性能和破坏形态进行研究，为混合配筋预应力管桩在工程中的推广应用提供数据支撑。

1 试验概况

试验采用试验桩的桩长12m，桩径和壁厚均为600mm和110mm，16根直径12.6mm的预应力钢棒和16根直径12mm非预应力钢筋；非预应力钢筋与预应力钢棒按圆截面均匀布置。桩身配筋横剖面如图1所示。

2 试验装置及加载方式

图1 PRC桩断面尺寸及配筋

根据国家标准（GB13479）与安徽省地方标准（DB 34/5005）[6-7]：试验采用1000kN液压千斤顶进行加载；采用5cm型数字位移计测量挠度；采用100mm×3mm型电阻应变片测量混凝土应变，使用分布式静态应变测试系统采集混凝土应变量。试验装置示意图如图2所示。

图2 抗弯试验装置示意图

根据《先张法预应力混凝土管桩》（GB13479-2009）：试验加载分级具体为按抗裂弯矩的20%的级差由零加载至抗裂弯矩的80%，每级荷载的持续时间为3min；然后按抗裂弯矩的10%的级差继续加载至抗裂弯矩的100%。每级荷载的持续时间为3min，观察是否有裂缝出现，测定并记录裂缝宽度。按极限弯矩的5%的级差继续加载至试验桩破坏，测定和记录每级荷载下的裂缝宽度。具体表现为出现裂缝达1.5mm、受拉钢筋拉断或受压区混凝土被压碎，标志试验桩已破坏，停止试验。

3 试验结果及分析

3.1 试验现象分析

图4为老黏土地区PRC桩荷载-挠度曲线图，在弯矩作用下的受力性能可分为以下3个受力阶段：

①在加载开始阶段，PRC桩处于弹性变形阶段，挠度随着跨中弯矩的增加而线性增大，桩身没有裂缝出现。当跨中弯矩达到350kN·m时（约破坏弯矩的49.4%左右），在桩跨中底部受拉区位置第一条竖向裂缝产生，PRC桩进入带裂缝工作阶段。

②随着跨中弯矩的不断增加，新裂缝不断产生，已有裂缝不断扩展，PRC桩进入裂缝扩展阶段。同时跨中挠度迅速增加，当跨中弯矩达到468.9kN·m时（约破坏弯矩的66.2%时），PRC桩的弯剪段产生斜裂缝。

③随着荷载继续增加，PRC桩进入破坏阶段：裂缝急剧扩展，宽度明显增大；最终受拉区钢筋被拉断，构件破坏。

图4 荷载-跨中挠度曲线对比图

3.2 试验数据分析

PRC桩抗弯试验数据汇总

表列出了PRC桩抗弯试验数据。从表中可看出，PRC桩在荷载加载至215.6kN时（对应弯矩350kNm），跨中出现第1条裂缝，跨中挠度为8.03mm；加载至446.8kN时（对应弯矩708.3kNm），受拉区钢筋被拉断，PRC桩破坏，此时跨中最大挠度44.14mm。

结合国家标准预制桩抗弯性能数据对比，可见相同配筋和直径情况下：PRC桩的开裂弯矩是国家标准的1.56倍，其极限弯矩是国家标准的1.42倍。可见非预应力钢筋的加入，使得普通管桩的抗弯性能得到显著的提高。

3.3 跨中截面应变发展

图5 PRC桩跨中截面应变图

PRC桩的最大应力处基本位于跨中纯弯段内，部分应变片由于混凝土表面出现裂缝，使得应变片超过量程而退出工作；裂缝出现后，管桩上表面混凝土应力增长速度加快；随着加载量的不断增加，管桩内部钢筋拉力达到极限抗拉强度后断裂破坏。

从图5亦可以发现，裂缝出现之前桩身各处的应力非常小且基本呈线性变化，裂缝出现后跨中界面处应力发生突变。

3.4 破坏情况

为了更好的阐述PRC桩的抗弯性能及破坏情况，图6给出了PRC桩身裂缝分布图。从图6可以看出，裂缝均匀分布于跨中约3.0m的范围内，首条裂缝均出现在纯弯段并位于纯弯段最左边，破坏时主要竖向裂缝为19条（还有4条相对较小裂缝，在此未给出），平均长度48cm，且呈现跨中位置长而两端短的分布规律，两端裂缝呈现向跨中发现发展的趋势，破坏时管桩内部钢筋被拉断。

图6 PRC桩桩身裂缝分布图

4 小结

通过室内原型抗弯试验，对老黏土地区PRC桩抗弯性能进行了研究，得出以下几点结论：

①非预应力钢筋的加入较大幅度改善了普通管桩的抗弯承载力。PRC桩的开裂弯矩是国家标准的1.56倍，其极限弯矩是国家标准的1.42倍。

②PRC桩破坏过程是：首先纯弯段最左边出现第一条裂缝；随着荷载增大，在跨中往两边不断有新的裂缝出现，大体呈现对称趋势；随后破坏时管桩内部钢筋被拉断。

③文章的研究成果可为PRC桩在工程中的推广应用提供理论依据。