高强预应力混凝土管桩承载特性研究及实际工程应用

李远方

（中交第四公路工程局有限公司，北京 100000）

1 引言

高强预应力混凝土管桩又称PHC 管桩，具有成桩质量可控性强、单位承载力造价低、运输和吊装以及沉桩方便等优点[1]。当前，混凝土预应力管桩广泛应用于各类工程建设中，尤其是现在大型的基础设施建设或其他工程建设的基础上，大都选用混凝土预应力管桩，具有极高的应用价值[2]。我国的成桩企业超过上千家，PHC 管桩的规格已形成规格，按照PHC管桩的外径分为7 个规格，分别是：300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、800 mm、1 000 mm 和1 200 mm。PHC 管桩为空心管桩，人们对空心管桩的承载能力缺乏充分的研究，在基坑支护过程中，PHC 管桩能否有效应用于实际工程的基坑支护，以及其抗弯承载力和抗剪承载力大小能否满足支护用桩的要求，成为众多研究者和项目工程人员首要解决的问题。

桩基础的设定承载力大多采用经验参数法，准确计算桩基础的承载力需要对桩基础进行竖向静载试验。再者，PHC 管桩在静载试验中，桩基的沉降计算不可忽视，根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》中提到桩基础的设计必须标注设计等级，从而验算其沉降量是否满足要求[3]。黄广龙等人[4]将预应力混凝土管桩用作水平承载桩，结合我国高强PHC 管桩的生产技术，给出了适用于水平承载的PHC 管桩桩型，提高了PHC 管桩的抗弯抗剪性能。众多研究学者均指出在静载试验中，PHC 管桩的荷载传递呈现出由上而下减小的趋势，桩体承载力包括桩侧摩阻力和桩端阻力2 部分，且桩的受荷与沉降并非呈现出线性关系，导致桩土之间的传递效应还有待深入研究。本文系统给出了PHC 管桩的荷载传递机理和承载受力特性，并结合泰兴人才公寓项目进行PHC 管桩工程实例分析。

2 PHC 管桩的受力特性

在竖向静载加载过程中，桩侧阻力首先被激发出来，当桩侧阻力增大到一定值后，桩端阻力才会发挥作用[5]。在加载初期，桩侧摩阻力主要是PHC 管桩上部承担，在此过程中桩体发生的位移较小，而随着施加荷载的增加，桩土之间的位移量增加，整个PHC 管桩都会承受侧摩阻力的作用。当桩侧摩阻力增加到最大极限时，桩端阻力开始发挥作用。

影响PHC 管桩的影响因素很多，最主要的几个影响因素包括桩身与土体的刚度比、桩侧土体与桩端土体的抗压变形能力比以及PHC 管桩的长径比等[6]。实际工程中，PHC 管桩是环状不闭口桩，在施工沉降过程中桩端土体受到挤压会有一部分土进入PHC 管桩内部形成土塞，而土塞与管桩内部会产生摩擦阻力，因此，实际工程应用的不闭口桩的承载力特性更复杂。图1 为PHC 管桩承载力分析图，整个PHC 管桩的受力包括桩土内、外摩擦阻力和桩端阻力构成，由于土塞的作用，增加了桩土的摩擦阻力，会使得单桩的承载力更大，即PHC管桩的承载力Q 值可表述为：

图1 PHC 管桩承载力分析图

式中，Qs为桩土外摩阻力；Qi为桩土内摩阻力；Qp为桩端阻力。

由于土塞的存在，桩土内摩阻力的承载力值可根据极限平衡法求解，假定土体是刚性材料，不考虑土体的压缩变形特性，取土塞高度d z 可表示为：

则dz可表示为：

假定土的水平压力系数值为k，则对式两边在h 高度上积分，可得到桩土内摩擦阻力单位面积的应力值：

式中，h 为PHC 管桩内部土体高度；A0为PHC 管桩内有效截面积；c 为土的内聚力值；U 为PHC 管桩内壁周长，pz和qz分别为z 深度处的竖向和水平应力值；γ 为土的重度；φ 为土的内摩擦角。

3 PHC 管桩单桩静载荷试验及分析

施工现场，PHC 管桩的单桩静载荷试验是必需的，以便随机测试单桩承载力是否满足要求。PHC 管桩静载试验常用的方法是堆载法和锚桩法，在地基承载力较好的地质条件下多采用堆载法进行试验。静载试验加载采用分级加载和卸载形式，直至PHC 桩体发生破坏，各级荷载作用下以沉降量作为观测标准，一般要求产生的最大沉降量不能超过0.1 mm/h。当施加某一级荷载后PHC 管桩土的沉降量超过前一级荷载的5倍或者是PHC 管桩的沉降量超过前一级荷载的2 倍，且桩体在经过24 h 后仍没有达到稳定时停止加载。

PHC 管桩必须考虑土塞形成的内摩阻力的影响，但是，管内土塞形成的侧阻力难以确定，因此，为了简化计算，可以在计算桩土外摩阻力和桩端阻力时考虑土塞效应对PHC 管桩受力的作用，根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》，在无当地经验的条件下，可以根据式（6）和式（7）分别计算PHC 桩的总极限侧阻力标准值Qsk和桩端阻力标准值Qpk：

式中，qsik和qpk分别表示桩的极限侧阻力标准值和极限桩端阻力标准值；u 表示桩身周长；λp表示桩端土塞效应系数；li表示PHC 桩穿越各土层的深度；Aj和Ap分别表示PHC 管桩的桩端净面积和敞口面积。

4 工程应用实例

4.1 工程概况

本工程为泰兴经济开发区产业创新中心及配套设施PPP项目中的人才公寓项目，本项目建筑物有高层、多层及地下车库组成。工程桩采用高强预应力混凝土管桩，共计6 057 根桩，总长度为139 223 m。工程用桩的桩型、单桩极限承载力和数量如表1 所示。根据勘探揭露，拟建场地属长江三角洲冲积平原地貌单元，场地内现状为农田、沟渠眀 塘和土堆，地势较平坦、稍有起伏，地形较为平缓。根据其成因类型和物理力学性质，可将场地地基土划分为8 大层，具体的工程地质状况如表2 所示。

表1 工程用桩参数

表2 工程地质状况

本项目参与竖向静载试验的PHC 桩较多，本文选取PHC-500(110)AB-C8（PHC 管桩的外径500 mm，壁厚110 mm）中的一根管桩的静载试验值进行分析。在整个竖向静载试验中，加载过程和卸载过程均保持荷载传递的连续、均匀和无冲击性，每级加载后按照第5 min、15 min、30 min、45 min 和60 min测读基桩的沉降量，且每级荷载持续时间不少于60 min。施加荷载梯度分别为0 kN、600 kN、1 200 kN、1 800 kN、2 200 kN、2 600 kN、2 900 kN 和3 200 kN，桩入土深度为46.6 m，桩端进入持力层深度为4.8 m。

4.2 PHC 管桩试验检测结果与分析

通过试验发现，本文试验的PHC 管桩能按照设计要求加载到预计设计值3 200 k N，满足加载条件时停止加载。图2 为PHC 管桩的竖向静载Q-S 曲线，PHC 管桩的沉降量随着荷载值的增加不断增大，当加载至3 200 kN 时，基桩的沉降量为19.01 mm。图3 为PHC 管桩的竖向静载S-lgt 曲线，可以明显看出随着各级荷载加载过程中，除了3 200 kN 加载荷载外，其他各级荷载作用下，随着持续时间的增长，基桩的沉降量变化不大，在3 200 kN 荷载作用下，当持续到30 min 时，沉降量增加较大，发生突变，也就是说试验加载的PHC 管桩最大加载值应低于3 200 kN。

图2 PHC 管桩的竖向静载Q-S 曲线

图3 PHC 管桩的竖向静载S-lgt 曲线

表3 为桩土相关系数，根据式（6）和式（7）可分别计算得到PHC 桩的总极限侧阻力标准值Qsk和桩端阻力标准值Qpk，经计算得到Qsk=2 177.83 kN；Qpk=1 043.32 kN，即PHC 管桩的单桩竖向承载力标准值Q=3 221.15 kN，满足试验单桩的极限承载力。

表3 桩土有关参数

5 结论

1）PHC 管桩侧阻力随着桩土相对位移的增加呈现出先增加后减小的趋势；桩侧摩阻力随着位移的增加而持续增加，增加的幅度越来越小。

2）由于土塞效应的存在，需要考虑土塞效应系数，PHC 管桩的单桩竖向承载力标准值等于PHC 桩的总极限侧阻力标准值和桩端阻力标准值之和。

3）通过对泰兴人才公寓项目用桩进行实际测试发现，PHC 管桩的沉降量随着荷载值的增加不断增大，当加载至3 200 kN 时，基桩的沉降量为19.01 mm。结合工程地质条件，计算得到的PHC 管桩的单桩竖向承载力标准值大于实际PHC 管桩的极限承载值，即承载力满足要求。