建筑桩基预应力管桩承载力分析

摘要：依托中国江苏省南京市某地块项目工程，通过预应力管桩静载试验和高应变试验，研究了桩体的刚度特性和承载性能。研究结果表明，在低荷载阶段管桩沉降速率较低，但随着荷载的增加，沉降速率显著上升。管桩在试验初期的冲击力和贯入速度呈现出高度一致性，随后随着时间的推移，两者均表现出非线性变化，并在达到峰值后出现不同的趋势。最终冲击力和贯入速度在试验结束前趋于稳定，接近零值。

关键词：预应力管桩：承载力；静载试验

0 " 引言

随着建筑技术的不断进步，预应力管桩在软土地层中的应用越来越广泛，尤其是在高层建筑和大型基础设施项目中。然而预应力管桩的设计和施工过程中仍存在许多挑战。桩的承载力受多种因素影响，如地质条件、施工质量、材料特性等[1]。在某些情况下，预应力管桩的实际承载力可能无法满足设计要求，由此导致工程风险和经济损失。因此对预应力管桩承载力的准确分析至关重要[2]。

目前已有许多学者对建筑桩基预应力管桩承载力进行了分析。宋士杰等[3]对天津地区30根预应力管桩的水平静载荷试桩结果进行分析，得到了天津地区预应力管桩水平承载力特征值和对应的水平位移值。李文洲[4]根据现场足尺试验对静压预应力管桩桩底注浆后桩身承载力特性进行了研究。李连营和路清[5]对天津某地区的几例预应力管桩的静载荷试桩结果进行了分析，并对比了天津地区预应力管桩单桩竖向极限承载力标准值的估算，同时分析了两者的区别。卢波等人[6]分别以自平衡法和传统静载法，对东南大学研究生校区的3根预应力混凝土管桩进行了试验，对比发现自平衡法在管桩测试中具有更好的试验效果，可为设计提供可靠依据。

尽管已有研究已取得许多成果，但对预应力管桩承载力的深入分析方面研究仍有待完善。针对上述问题，本文以江苏省南京市某地块项目工程为研究背景，通过预应力管桩的静载试验和高应变试验对其承载力进行分析，为建筑桩基工程提供坚实的支撑。

1 " 工程概况

本研究以中国江苏省南京市某地块项目工程为研究背景。该施工项目地形存在一定程度的起伏变化，项目地貌为第四纪黄河冲积平原。项目地层由粉土、黏性土及粉砂等组成，如图1所示。

2 " 试验方法和试验设备

对建筑桩基进行竖向静载试验，可探究桩的刚度特性、荷载与变形之间的非线性关系，评估桩在不同地质条件下的承载性能。本次试验选取3根预应力管桩进行承载力试验和高应变试验，试验测试的3根桩基的桩基直径均为500mm，3根预应力管桩基的长度分别为25m、28m和26m。

2.1 " 预应力管桩静载试验

2.1.1 " 试验系统构建构建

单桩竖向抗压静载试验能够揭示桩基的单桩极限承载力（Q）与桩顶沉降量（S）之间的关系变化曲线，从而直观地展示预应力管桩在荷载作用下的位移响应特性。

本次试验通过混凝土试块、钢支座、工字钢构建了一个稳定的桩基竖向静载试验系统，其中混凝土试块作为配重材料，钢支座为支墩，工字钢作为承重板。整个系统通过立式油压千斤顶对试验桩进行加载试验，以百分比对加载过程中预应力管桩的竖向沉降变形进行观测，并使用压力传感器对压力值进行观测，试验装置简图如图2所示。

2.1.2 " 试验方法

为了更加直观可靠的观测出预应力桩基竖向抗压承载力，本次预应力管桩的承载力试验通过慢速维持荷载法，对3根预应力预应力管桩进行竖向加载。即试验采用分级加载的形式，将预估极限荷载的0.1被分级加到预应力管桩上，每级荷载维持不变，直到桩顶下沉降量达到每小时的沉降量不超过0.1mm，并连续出现两次，即可进行下一级加载。此外，每级荷载施加后，每5min测读一次桩顶的沉降量，然后每15min测一次桩顶沉降量，以确保荷载的稳定。当荷载达到终止加载条件时，进行卸载操作，卸载时每级荷载应维持一段时间，然后测量桩顶残余沉降量。

2.2 " 预应力管桩的高应变试验

预应力管桩的高应变试验可通过桩身质点应力和加速度的响应，利用波动理论分析，判定单桩竖向抗压承载力及桩身完整性。为了进一步确定预应力管桩的极限承载力和变形特性。本次研究通过4t的重锤对预应力管桩施加冲击荷载，以观察管桩的变形特征和承载性能，预应力管桩的高应变试验装置如图3所示。

3 " 试验结果及分析

3.1 " 预应力管桩静载试验结果及分析

3个预应力管桩的承载力与沉降量关系曲线如图4所示。根据图4可知，在预应力管桩的静载试验过程中，当荷载低于4300kN时，3个预应力管桩的桩身开始承受加载并逐渐沉降，沉降速率相对缓慢。这一现象可以归因于土体在初始荷载作用下，尚未达到改变其初始应力状态的程度，同时土体发生固结，土颗粒重新排列以适应新的荷载状态。固结过程需要时间，导致桩身沉降速率较慢。此外，土体在这一阶段处于弹性阶段，具有一定的回弹能力，这也减缓了沉降速率。

进一步分析图4发现，随着荷载的增加，1#预应力管桩在荷载达到4830kN时沉降速率显著增加。当荷载增至5200kN时，1#预应力管桩的沉降速率进一步加快，最终沉降量达到68.3mm，对应的荷载为5750kN。将其视为1#预应力管桩的极限承载强度）。相较之下，2#和3#预应力管桩分别在荷载达到4450kN和4900kN时沉降速率突增，沉降量均超过40mm。据此将二者极限承载强度分别确定为4450kN和4900kN。

综合图4中3个试桩的数据可以发现，与1#预应力管桩相比，2#和3#预应力管桩的最终沉降量相对较小，其中3#预应力管桩的沉降量最小，为46.2mm。分析认为，因为桩身与周围土体之间的摩擦力在加载初期阻碍了桩身沉降，导致沉降速率缓慢。随着荷载的增加，摩擦力逐渐被克服，桩身沉降开始显著。3个预应力管桩在静载试验过程中的沉降受到荷载大小、土体应力状态、摩擦力等多种因素的影响，因此在不同荷载阶段表现出不同的沉降速率和沉降量特征。

3.2 " 预应力管桩的高应变试验结果及分析

通过高应变法得到3个预应力管桩冲击力和沉降速度随加载时间的变化关系曲线如图5所示。从图5可以看出，3个预应力管桩在试验过程中的冲击力和贯入速度随时间的变化曲线，在达到最大值之前基本保持一致。这种现象可以归因于试验初期荷载作用下的惯性效应，导致预应力管桩的动态响应主要受土体和试验设备的刚度控制，而非桩本身的属性差异。

根据图5可知，3个预应力管桩的冲击力和贯入速度随时间的变化曲线，在出现最大冲击力和最大速度之前基本重合。分析认为，在试验初期由于荷载作用的惯性效应，预应力管桩的动态响应主要受到土体的刚度和试验设备的刚度控制，而不会显示出明显的差异，因此3个预应力管桩的冲击力和贯入速度曲线在这个阶段基本重合。3个预应力管桩冲击力和贯入速度最大值均出现在载时间为10～20s之间，是因为预应力管桩和土体的力学行为通常是非线性的，特别是在动态加载条件下。在试验的早期阶段，预应力管桩和土体的非线性响应不明显，但随着载荷作用时间的增加，非线性效应逐渐显现，导致预应力管桩的冲击力和贯入速度达到最大值。

从图5还可发现，当预应力管桩所受的冲击力和其最大贯入速度超过最大值以后，3个预应力管桩所受冲击力和贯入速度，随加载时间的变化曲线均出现了不同的变化趋势。分析认为，在高应变试验过程中，预应力管桩和土体的响应会受到非线性效应的影响，如摩擦、土体的非线性变形等。当冲击力和贯入速度超过最大值后，预应力管桩和土体之间的非线性效应发生变化，导致预应力管桩所受冲击力和贯入速度的变化趋势也发生变化。此外，3个预应力管桩所受冲击力和贯入速度最终都趋于稳定，并且在高位应变试验结束前逐渐趋近并稳定在0kN或者0m/s附近，是因为在试验接近结束时，试验设备和土体已经达到一定位移或变形，导致试桩所受的冲击力和贯入速度趋于稳定。

试验设备和土体的刚度都会影响试桩所受的载荷和变形，当试验接近结束时，试验设备和土体的刚度会导致试桩所受的冲击力和贯入速度趋于稳定。3个预应力管桩所受冲击力和贯入速度随加载时间的变化曲线，在2倍桩长和桩身内应力波传播速度的比值处有显出正反射，说明3个预应力管桩在桩端处的弹性变形值较大。

4 " 结束语

本文通过对江苏省南京市某地块项目工程中的预应力管桩进行静载试验和高应变试验，深入分析预应力管桩的刚度特性和承载性能。试验结果表明：

在预应力管桩的静载试验中，预应力管桩的沉降速率随荷载增加而加快，其中1#管桩在较低荷载下表现出最快的沉降速率，并达到极限承载强度。不同荷载阶段下，管桩的沉降行为受多种因素影响，如土体应力状态和摩擦力。

在预应力管桩的高应变试验中，管桩的冲击力和贯入速度在试验初期基本重合，随着时间的增加呈现出非线性响应，达到最大值后呈现不同的变化趋势。试验结束前，冲击力和贯入速度逐渐趋近并稳定在零附近。

综上所述，本次研究通过预应力管桩的静载试验和高应变试验对预应力管桩的刚度特性和承载性能进行了深入的分析和研究，能为工程中的设计和分析提供重要的参考和依据。

参考文献

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[2] 王飞，李秀霞，黄海波.浅析水平荷载作用下单桩承载力影

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[3] 宋士杰，李连营，王鑫文.预应力管桩水平承载力试桩结果

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[4] 李文洲.粉土地区静压预应力管桩桩底后注浆桩身承载力

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[5] 李连营，路清.预应力管桩单桩竖向极限承载力分析[J].岩

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