桩身侧肢数量对侧嵌式管桩竖向及水平承载力的影响

刘东辉 洪 胤 王 伟 翟 莲 谢新颖 田 伟

吉林建筑大学土木工程学院（130118）

0 引言

管桩作为一种桩基础及一种地基处理形式从20世纪初产生至今已经得到了进一步发展，被广泛地应用在大量建筑基础之中，发挥着极大的技术与经济效益[1]。其中应用较多的一种桩型被称为高强预应力混凝土管桩（PHC桩），其是预应力技术与离心制管技术相结合的产物[2]。但在设计过程中，传统管桩为了达到承载力要求，通常桩身较长、桩径较大，以至于混凝土用量大、经济成本较高。通过研究得到，当桩长或桩径增大到一定程度后对单桩极限承载力的提高效果不再显著。文章研究的侧嵌式管桩是在PHC桩的基础上，采用特殊的预制加工和预制短肢张压技术而成的异型管桩形式，旨在通过侧嵌预制短肢的副端承作用提高单桩承载力，达到一定的技术与经济效果。

1 预应力混凝土管桩简介

预应力混凝土管桩是一种运用先张法预应力钢筋张拉技术，经过离心成型、蒸压养护等预制工艺而制成的一种管状预应力钢筋混土预制桩，主要由管状钢筋混凝土桩身、端板和钢套箍等组成。在桩基施工中，采用静压或锤击方法将其沉入设计地基土层而成为建筑物桩基础。

1.1 预应力混凝土管桩按桩身混凝土强度等级分类

由于桩身混凝土强度等级的不同，可以将管桩分为三类:桩身混凝土强度等级不低于C60级被称为PC桩(预应力混凝土管桩)；PTC桩，即预应力混凝土薄壁管桩，桩身混凝土强度等级不低于C60级；桩身混凝土强度等级不低于C80级被称作PHC桩（预应力高强混凝土管桩）。

1.2 预应力混凝土管桩的优点

1）单桩承载力高。PC桩、PHC桩的桩身混凝土强度分别达到60MPa、80MPa以上，能够沉入密实的砂层及强风化层，将其强烈挤压后可提高桩端承载力80%～100%，所以相同直径的管桩承载力标准值比沉管灌注桩或钻孔灌注桩的标准值都高。

2）抗弯、抗剪、抗裂性能良好。由于桩身混凝土存在预压应力，故桩体具有极好的抗剪、抗弯、抗裂性能。

3）单位承载力造价便宜。虽然管桩每米造价高于沉管灌注桩，但单桩承载力高，且使用的混凝土比实心桩节省30%～60%，所以综合比较其单位承载力造价低于沉管灌注桩。一般情况下，在各种桩型中预应力混凝土管桩的单位承载力造价相对较低。

4）规格齐全，可供选用范围大。由于管桩直径、桩长、混凝土有效预压应力、单桩承载力具备不同规格，可设计选用空间大[3-4]。

1.3 我国管桩的发展趋势及行业需求

目前，我国管桩产品拥有较完整的国家标准体系，拥有国家规范《先张法预应力混凝土管桩》（GB 13476—2009）[5]、国家图集《预应力混凝土管桩》(10G409）[6]、《混凝土制品用低碳冷拔钢丝》（JC/T 540-2006）[7]、《预 应 力 混 凝 土 用 钢 棒》（GB/T 5223.3—2005）[8]、《先张法预应力混凝土管桩钢模》（JC/T605—2005）[9]、《先张法预应力混凝土管桩用端板》（JC/T947—2005）10]、《预应力高强混凝土管桩用硅砂粉》（JC/T950—2005）[11]等。如广东、福建、湖北、浙江、江苏、天津等各省市地区也编制了适合区域地质条件的地方规程和相关图集[12-17]，按不同的设计要求对管桩类型及其相关技术特性指标加以选择，随着我国经济建设和基础设施建设的蓬勃发展，PHC桩被大量应用在工业与民用建筑、公路铁路等工程建设领域。

2 模型试验方案设计

2.1 试验内容

1）对普通管桩模型桩与侧嵌式管桩模型桩的承载力和沉降变形进行对比试验。

2）对不同预制短肢数量的侧嵌式管桩模型桩的承载力和沉降变形进行对比试验。

3）模型桩桩顶沉降变形、桩身轴力、桩身侧摩阻力随施加荷载的变化规律。

2.2 数据处理

本模型试验的数据处理工作主要是利用测得桩身应变数据，计算出模型桩桩身轴力，进而求出模型桩侧摩阻力，并据此绘制轴力及侧摩阻力沿桩身分布的相应曲线。

2.3 小结

本章在充分利用已有试验条件并对试验方案及过程进行精心设计基础上，开展了普通管桩与不同侧肢布设方式的侧嵌式管桩的室内模型试验研究，对侧嵌式管桩的承载与变形性能进行了定性分析，对比分析了侧嵌式管桩与普通管桩在承载机理上的异同，以及不同侧肢数量对侧嵌式管桩承载与变形性能的影响，得出一些有益结论，对比分析侧嵌式管桩模型桩与普通管桩模型桩的桩顶沉降量与承载力数据得出，侧嵌式管桩模型桩承载力均有明显提高，但因侧肢数量的影响在提高程度上有所差异。值得注意的是，桩周基土填装状态与环刀取土试验所得土性数据存在一定差异，对模型桩承载性能产生了一定影响。

3 侧肢数量对侧嵌式管桩竖向承载性状的影响

通过试验结果表明，侧嵌短肢数量越多，桩顶沉降量越小；比较侧肢均设置在桩身下部的3层侧嵌式管桩和5层侧嵌短肢管桩，5层侧嵌短肢管桩即在3层侧嵌式管桩的每两层侧肢之间旋转45°错层增设一层侧肢，形成间距为1000mm的5层侧嵌短肢管桩，后者较前者的桩顶沉降量减小了35.81%；同理得到10层侧嵌短肢管桩，而10侧嵌短肢管桩与5层侧嵌短肢管桩相比，桩顶沉降量约减小了27.14%。显然，在侧肢层间距允许的情况下，在桩身下部密布侧肢更有助于提高侧嵌式管桩竖向承载力，实现更好经济效益。

4 结论与展望

4.1 结论

随着建筑结构对结构基础要求的不断提高和现代科学技术的不断进步，预应力混凝土管桩以其承载力高、适应性强、成桩可靠、节省用料、施工方便等众多优点成为许多建（构）筑物桩基础首选桩型。但在工程实践中，为满足高层、超高层建筑物及其它重要工程对桩基的要求通常需要增大桩长和桩径，以至于混凝土用量大、经济成本较高。而且研究表明，当桩长和桩径增大到一度程度后，桩的侧摩阻力与桩端阻力很难进一步得到充分发挥，单桩极限承载力的提高与桩径和桩长的增加不成正比例关系，因而单纯通过增大桩长和桩径的方式以追求提高单桩极限承载力是不经济的。

为此，科研工作者和工程技术人员对新型管桩型式开展了大量卓有成效的研究，力求通过改进桩型及施工工艺增加桩身比表面积或改善桩土工作性状，以达到提升管桩承载力的目的。文章所研究的侧嵌式管桩便是在PHC桩的基础上，采用特殊的预制加工和预制短肢张压技术而成的异型管桩形式—侧嵌式管桩，旨在通过侧嵌预制短肢的副端承作用提高单桩承载力，达到一定的技术与经济效果。

4.2 展望

文章对侧嵌式管桩单桩竖向及水平承载性状的影响因素开展了系统的研究工作，得出了许多实用的结论。由于时间、研究条件限制及在此过程中对所研究问题认识的逐渐加深，对侧嵌式管桩这种新的桩基形式，尚需在以下几个方面进行深入研究，以便更好实现其技术与经济价值。①对侧嵌式管桩群桩承载性状的研究，分析群桩之间相互影响的问题；②侧嵌式管桩极限承载力及侧肢的极限承载力深入研究；③进行室外足尺静载试验研究；④研究中进一步考虑实际土层情况、挤土效应及施工因素影响；⑤对侧嵌式管桩作用机理的深入研究；⑥侧肢张压设备的完善研发。

5 结语[18-19]

文章的创新点在于试验的可视性，进而更直观的观测试验过程中土体的破坏状态[18-19]。实现和完善了小模型半面桩模型试验方法，对钱永梅教授的多功能试验台进行改良，来实现水平力的施加，通过研究可以得出，侧枝数量是侧嵌式管桩设计时考虑的一个重要参数，要综合考虑承载能力，沉降控制，造价最低，节约材料等方面的考虑，在选择利用较好土层，恰当的侧枝数量的情况下，合理设置侧枝数量来有效的提高水平承载力为其在实际工程中应用提供了可靠的理论依据。