预应力高强混凝土管桩承载性能研究现状及前景

翟 莲 洪 胤 刘东辉 钱永梅 金玉杰

吉林建筑大学土木工程学院（130118）

0 引言

混凝土管桩是用混凝土制成的管状产品，有非常强的承载力，主要在特定的地质环境下作为建筑物的基础，它有良好的抗裂和耐锤击性能，且补救方式简单，使用成本低，在实际施工阶段不会产生过大的噪声等优势，所以被广泛应用。随着我国改革开放和现代化的飞速发展，市政，公路，铁路等预应力混凝土管桩的应用领域不断扩大。在过去的30年中，管桩及其配套产品逐渐形成了新兴的快速发展的产业。到目前为止，我国已成为世界上最大的预应力混凝土管桩生产国和应用国。

1 国内外PHC桩研究现状

1.1 预应力高强混凝土管桩的概况

随着近30多年的发展和进步，混凝土管桩的原材料和生产设备已经实现完全国产化，能够自给自足，规格和型号也越来越多样，形成了从国家标准、地方规程到设计图集，再到施工等一系列完整的设计生产技术标准。我国大多数预应力高强混凝土管桩的生产都是运用先张法预应力技术，制管采用的是混凝土高速离心成型技术，使用高温高压蒸汽养护技术进行其快速的养护。到目前为止，我国己经成为预应力混凝土管桩应用范围最广、产量最大的国家。当下PC管桩和PHC管桩的应用范围比较广，前者的混凝土等级为C60,后者的混凝土等级为C80。并且预应力混凝土管桩的产品规格十分齐全、应有尽有，根据管桩桩身混凝土有效预压应力的标准可大概区分为A型、B型、AB型和C型管桩。

1.2 预应力高强混凝土管桩在水平荷载作用下的研究

桩基础设计时主要考虑竖向承载力的影响，而目前水平荷载作用下桩基础的研究越来越受重视，我国学者对此有一些研究。洪涛[1]在分析研究国内外桩土相互作用分析方法及研究状况的基础上，运用ANSYS软件，主要对水平荷载作用下的预应力混凝土管桩桩桩与土相互作用下管桩的受力和变形特性进行了研究和探讨，经过研究计算，得出主要结论如下:在对管桩进行水平承载力设计时，桩头处的设计尤其重要，加强桩顶与承台的连接，可以有效的减少管桩的水平变位。在设计桩基时必须予以考虑，不能忽略，但是一些竖向荷载的影响可以忽视。 席文勇[2]等研究者对PHC管桩的水平承载能力进行了现场试验，结合FLAC3D分别建立上一桩身混凝上一钢筋实体的各向异性管桩模型，在分析PHC管桩单桩水平承载工作性状后得出结论:通过数值分析，可以实现顶管穿越过程的良好力学模拟。陈祥[3]等利用室内试验，研究了水平受荷桩的承载内力和变形特征。

1.3 预应力高强混凝土管桩的抗弯性能研究

预应力高强混凝土管桩普遍应用于基础工程，需要足够的抗弯承载能力来抵抗其他效应引起的地震或水平力。弯曲破坏是预应力混凝土管桩在地震中的主要破坏形式，国内外研究人员对其承载性能和设计方案进行了很多的研究。胡锐[4]对预应力混凝土管桩的抗弯承载性能进行了试验研究和理论推导，提出了PRC管桩抗弯承载力简化计算公式，该公式非常实用，可运用在实际结构的分析与设计中。 王全[5]提出了一种全新的预制混凝土桩的设计方案，主要通过在管桩中心增加预应力钢筋，混凝土填充或者在表面增加碳纤维布等措施来提高管桩抗弯强度。刘俊伟[6]等人对预应力混凝土管桩的抗弯性能进行了一系列原型试验，所使用的预应力混凝土管桩的抗弯性能比规范值好得多，在弯矩的作用下，在跨度中间约3m的范围内桩身裂缝均匀分布，桩在断裂后仍具有较高的抗弯承载力。郭杨[7]等人通对复合钢筋混凝土管桩（PRC）进行了现场弯曲试验和数值分析计算，发现GFRP钢筋和混凝土（C80）可以协同工作，并且GFRP钢筋的成分也是如此。预应力混凝土管桩的弯曲性能已大幅提高。其发现可以为复合增强（GFRP腱）预应力混凝土管桩在工程中的应用提供理论依据。沈琳[8]等由试验和数值模拟测试两种类型的管桩抗弯性能，得出以下结论:实际生产的PHC管桩的抗弯性能比标准值好很多，在弯矩作用下，管桩已达到极限状态的迹象均为1.5mm宽的裂缝，表明管桩达到极限状态后具有一定的承载力。在管桩抗弯承载力的有限元模拟中，人们对混凝土进行了塑性损伤模拟，预应力钢筋的屈服与事实更加一致，这表明管桩已达到极限状态。

1.4 预应力高强混凝土管桩的抗震研究

预应力高强度混凝土管桩（PHC管桩）具有许多其他桩基所没有的优点。其已广泛应用于工程建设中，具有广阔的市场前景。上层建筑的安全程度主要依赖于管桩的抗震性能情况，但是，在我国关于管桩的抗震性能的研究很少，因此，有必要对地震作用下的应力状态，管桩及变形能力进行分析研究。我国一些学者对PHC管桩的抗震性能进行了试验研究。李义凡[9]提出了补救措施。与其他补救措施相比，可以不添加预应力筋，并且可以在PHC管桩中加入钢纤维。可以有效地提高管桩的承载力和变形能力，并且滞后性能也得到较大改善，延展性能和力消耗也得到提高，向PHC管桩中添加非预应力筋且掺入钢纤维是提高管桩抗震性能的措施之一。张季超[10]等提出PHC管桩处于地震作用状态下，其最大桩身弯矩包络值呈现先增加后减小的发展态势，另外，其最大弯矩值出现在大约5倍桩径的位置而且集中出现在3~8倍桩径位置处的都为PHC管桩较大的弯矩值。对PHC管桩采用合适数量的填芯混凝土进行加强处理，使其抗震性能可以得到一定的提高。王诗朦[11]整理了高性能混凝土的研究现状和预应力高强混凝土管桩在竖向荷载作用下的水平承载力研究现状，在此基础上，将ABAQUS用于有限元分析，并确定了现有的理论。利用混凝土和钢筋的材料模型建立了预应力高强度混凝土管桩的三维有限元模型。结论:PHC管桩的水平承载力随着竖向压力的增加而减小，减小的幅度继续增大。PHC失效时PHC桩的变形能力和延展性持续下降。当PHC桩承受往复的水平载荷时，其刚度会降低，其性能会降低，并且其延展性也会降低，这会在桩头附近发生。预应力高强混凝土管桩的水平变形能力随竖向压力的增加而减小。

1.5 预应力高强混凝土管桩的抗剪性能研究

长期以来，国内外对管桩的研究主要集中在管桩的抗震性能和桩土的影响上，对管桩的抗剪承载力研究很少。但是，在实际工程中，除了允许桩基础承受垂直载荷的上部结构，液化土层的侧向流动，软土层和硬土层的联合刚度差异以及其他不利因素外，桩基还必须能够承受地震。如果变形较大且剪切力超过管桩的抗剪强度，则可能会发生工程事故，因此对PHC管桩的抗剪性能的研究具有重大意义。为此我国研究人员对预应力高强混凝土管桩的抗剪性能展开研究。杨志坚[12]等人使用ABAQUS软件建立了预应力高强度混凝土管桩的有限元模型并分析了抗剪强度，得出结论:在PHC管桩中增配普通钢筋对于提高管桩的抗剪承载力具有明显影响；提高混凝土强度和预应力筋配筋率都可以提高管桩的抗剪承载力，但前者对其影响相对较小；构件的极限抗剪承载力与轴压比成正比例函数。杜新喜[13]等人开展多组预应力混凝土管桩的抗剪性能试验，研究数据表明，在PHC管桩中加入非预应力钢筋可以提高管桩的抗剪承载力和抗剪刚度，轴向压力也对管桩的抗剪承载力有显著的提高[14-16]。

2 评述与展望

预应力混凝土管桩以其经济效益好、施工工期短、工程造价低、施工现场文明环保等优点在基础工程中得到推广应用。目前，预应力混凝土管桩的主要设计目的是满足立式轴承的要求，将其用于水平承载桩需要对预应力混凝土管桩的受力特性、配筋方式、接头性能、截面特性等方面开展理论及试验研究，提高预应力管桩的抗弯抗剪性能，这对全面推广预应力混凝土管桩在基坑工程等领域的应用具有十分重要的现实意义[17-18]。随着我国预应力混凝土管桩的应用越来越普遍，新的桩型就应运而生，这些新桩型具有明显的优点和广泛的适用范围。新桩型离不开新材料，因为超细矿物掺合料颗粒细小，比表面积大，与减水剂双掺使用，能够有效减少单位体积混凝土用水量，减少水泥用量，增加混凝土浆体和易性，提高混凝土的工作性能。免蒸压法混凝土管桩生产工艺用蒸汽养护一自然养护来代替传统的蒸汽养护一蒸压养护，能够有效节约资源，降低生产成本[19]。引孔静压法、静钻根植法、中掘法等新的施工方法与传统的施工相比，具有污染小、施工快、适用范围广、对管桩承载力影响小、施工效率高等优点，具有很高的推广价值。