预应力混凝土管桩的荷载传递规律研究

第３９卷第２１期　２　０　１　３年７月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖ０１．３９　Ｎｏ．２１　Ｊｕ１．　２０１３　・４９・　・岩土工程・地基基础　文章编号：１００９—６８２５（２０１３）２１—００４９—０２　预应力混凝土管桩的荷载传递规律研究　张万涛　郝爱玲　赵（１．安徽省交通勘察设计院有限公司，安微合肥林　２３００１１；　２．合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥２３０００９）　摘要：回顾了ＰＨＣ管桩应用和研究的发展历程，详细阐明了ＰＨＣ管桩的荷载传递规律，分析了影响ＰＨＣ管桩荷载传递的主要　因素，总结归纳了国内外现有ＰＨＣ管桩单桩在竖向荷载作用下的荷载传递方面的理论计算方法，并进行了科学评价。　关键词：ＰＨＣ管桩，荷载传递，承载特性，计算方法　中图分类号：ＴＵ４７３　文献标识码：Ａ　预应力高强度混凝土管桩（ＰＨＣ桩）是采用先张法预应力离　１９９１年前后，ＰＨＣ管桩生产达到高峰，日本全国各种管桩产量达　心成型工艺，并经过ｌＯ个大气压、１　８００℃左右的蒸汽养护而制　７９０万ｔ　。２０世纪６Ｏ年代末，由于建设南京长江大桥需要采　成一种空心圆筒形混凝土预制构件。ＰＨＣ桩是重要的桩基材料，　用管桩基础形式，大桥工程局三处开始研制和生产管桩。为了满　９８７年交通部第三航务工程局引进了日　具有单桩承载力高、应用范围广、质量可靠、经济效益好等诸多优　足港口建设发展的需要，１点，被广泛应用到高层及多层建筑、铁路高架桥、桥梁与高速公路　本的全套ＰＨＣ管桩生产线。随后，我国相关单位和部门通过对引　等工程建设中。国内外不少学者对ＰＨＣ管桩的理论及工程应用　进的管桩生产线的消化吸收，自主开发了国产化的ＰＨＣ管桩生产　开展了大量的研究，取得了颇为丰硕的研究成果。针对ＰＨＣ管桩　线，并于１９９３年被建设部列为全国重点推广项目。近３Ｏ年来，我　的荷载传递规律研究方面，亦取得了较大的进展。本文在总结国　国土木建筑工程业迅速发展，大量高层建筑、民用住宅、公用工　内外相关文献资料的基础上，着重探讨ＰＨＣ管桩的荷载传递规律　程、桥梁、港口与码头等工程均需要优质的桩基础。管桩基础由　得到了广泛应用和快速发展。据不完全统　与承载特性，分析影响ＰＨＣ管桩荷载传递规律的主要因素，总结　于其存在的诸多优点，现有的ＰＨＣ管桩荷载传递方面的理论计算方法，并予以科学评　计，到２００６年，我国管桩直接销售收入约２５０亿元。目前，广东、　江苏、上海、天津等地都有许多管桩生产企业和施工单位。特别是　价，可为ＰＨＣ管桩的研究和应用提供一定的参考和指导作用。　１　国内外发展与应用现状　在南方地区，管桩基础已经占到桩基础的７０％～８０％。　欧美及日本等发达国家是研究、生产、使用ＰＨＣ管桩较多的　２　ＰＨＣ管桩单桩荷载传递规律　　ＰＨＣ管桩荷载传递机理　国家。２０世纪６０年代末～７Ｏ年代，日本就开发了ＰＨＣ管桩，至　２．１及现场情况，并没有一成不变的模式。　三种方式布置，这也是大多数冶金矿山设计院采用的夹层设置方　式。对于面积非常大的矿山厂房，夹层为一层且因为工艺的要求　而布置得极不规则时，夹层建议选用第二种方式布置，这样不但　可以极大的满足工艺的使用要求，而且在矿山设备更新时夹层的　变动更方便简洁。对于夹层有多层且底部夹层满跨布置的矿山　厂房，夹层建议选用第一种方式布置，这样可以充分发挥夹层在　平面内对厂房结构位移的贡献，减小相应的厂房柱的截面，同时　柱基础也比较好处理。　参考文献：　［１］　中国建筑科学研究院ＰＫＰＭ　ＣＡＤ工程部．ＳＴＳ钢结构ＣＡＤ　软件应用讲解［ｚ］．２０１１．　图３夹层梁与厂房柱铰接　［２］　ＣＥＣＳ　１０：２００２，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程［ｓ］．　通过比较可以得出：对于一般的矿山厂房，其夹层建议选用第　［３］ＧＢ　５００１７－２００３，钢结构设计规范［Ｓ］．　Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｒｔａｌ　ｓｔｅｅｌ　ｆｒａｍｅ、　ｔｈ　ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ　ｉｎ　ｍｉｎｉｎｇ　ｐｌａｎｔｓ　ＺＨｏＵ　Ｊｉａｎ　（Ｘｉａｍｅｎ　Ｚｉｊｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｏ￣ｉｇｎ　Ｌｉｍｉｔｅｄ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｘｉａｍｅｎ　３６１００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｃｏｍｍｏｎ　ｔｈｒｅｅ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｗａｙｓ　ｏｆ　ｐｏｒｔａｌ　ｓｔｅｅｌ　ｆｒａｍｅ　ｗｉｔｈ　ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ　ｉｎ　ｍｉｎｉｎｇ　ｐｌａｎｔｓ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ　ｓｅＲｉｎｇ　ｗａｙ，ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｉｎ　ｍｉｎｉｎｇ　ｐｌａｎｔｓ，ｇａｉｎｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｓｈｏｕｌｄ　ｒａｔｉｏｎａｌｌｙ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ　ｓｅｕｉｎｇ　ｗａｙ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｓｉｔｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：－ｐｏｒｔａｌ　ｓｔｅｅｌ　ｆｒａｍｅ，ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ　ｓｅｔｔｉｎｇ，ｄｅｓｉｇｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　收稿日期：２０１３－０５－１３　作者简介：张万涛（１９６１一），男，高级工程师　郝爱玲（１９８７一），女，在读硕士；赵林（１９８７一），男，在读硕士　・５０・　第３９卷第２１期　２　０　１　３年７月　山　西　建　筑　其强度存在触变恢复过程。因此，侧摩阻力亦发生变化，存在　当ＰＨＣ管桩受到竖向荷载作用时，桩身上部发生压缩而产生　结，相对于桩周土的向下位移；同时，这种向下的位移受到土的阻碍作　显著的时问效应，对ＰＨＣ管桩的荷载传递过程造成一定程度的影　用，在桩的侧表面产生相对向上的摩阻力。桩所受的荷载通过产　响。当桩周土体为非饱和土时，桩周土体受到挤压作用而变得密　桩周土的密实度增大后，其侧摩阻力亦随之有所增大，从而对　生的桩侧摩阻力而逐步传递到周围土层中，桩身荷载和压缩变形　实，量随人土深度的增加而逐渐减小。桩一土相对位移为零深度及其　ＰＨＣ管桩的荷载传递过程造成一定的影响。　以下，桩侧摩阻力尚未得到发挥，其值为零。ＰＨＣ管桩在加载初始　３管桩荷载传递的理论计算　阶段，桩侧摩阻力与向下位移近似的呈直线关系；随着荷载的增　在竖向荷载作用下，桩身所受荷载与沉降为非线性关系，ＰＨＣ　大，位移和桩身压缩量增大，下部的摩阻力被逐步调动起来，将部　管桩的荷载传递过程十分复杂。国内外不少学者探讨了桩基础　分荷载传递给桩端土层承担，导致桩端土层发生压缩变形，进而产　的荷载传递规律的计算方法，对于管桩基础而言，主要包括弹性　生桩端阻力。另一方面，桩一土相对位移由于桩端土层的压缩而　理论法、荷载传递法、剪切变形传递法和有限元计算方法等。不　进一步增大，致使桩侧摩阻力进一步发挥出来。当桩侧摩阻力达　同的方法其基本假定条件不一致，亦存在一定的局限性。弹性理　到极限后，随着位移量的继续增大，桩侧摩阻力保持不变，桩端阻　论法考虑了土体的连续性，在计算过程中，认为桩和土的水平向　力则不断增大。　变形很小，可以忽略不计，而只考虑竖向变形作用。弹性理论法　２．２影响荷载传递的因素　是基于弹性力学而提出来的，但目前适用于桩基础的弹性力学基　１）桩端土层与桩周土层的刚度比。桩端土层与桩周土层的　本解很少，考虑土的分层及非线性十分困难。因而，难以得到实　刚度比越小，桩身轴力沿深度衰减就越快。当其值为零时，ＰＨＣ　际应用。有限元法在计算时，可以考虑土的不均匀性、非线性、各　桩为纯摩擦桩，所有荷载均由桩侧摩阻力承担。当其值为１时，　向异性等特征，并能考虑桩和土的应力历史、桩的滑移等，是分析　即桩端突出与桩周土层的刚度相等，其荷载传递规律曲线和桩侧　管桩工作性能的有效方法。可用来揭示管桩基础的受力特性和　摩阻力分布情况与纯摩擦桩相似。当其值为无穷大，且为中长桩　荷载传递规律，并与现场实测成果相对比验证，以指导设计和施　时，桩身上段轴力随深度增加而减少，下段则基本保持不变。由　工。但有限元法的缺点是计算参数难以准确获取，不能保证计算　于桩端土层的刚度相对极大，可分担６０％以上的荷载，此时为端　的正确性和精度，难以真正实现定量分析。　承桩。２）桩、土刚度比。桩、土刚度比越大，由桩端阻力所分担的　４结语　荷载所占的比例也越大；反之，桩端阻力所分担的荷载所占的比　在全面总结国内外相关文献资料的基础上，深入探讨了竖向　例就越小，侧摩阻力所分担的荷载所在的比例越大。当桩、土刚　荷载作用下ＰＨＣ管桩单桩的荷载传递规律。回顾了ＰＨＣ管桩的　度比为无穷大时，ＰＨＣ管桩可被看作是一刚体，端阻力和侧摩阻　发展历程，分析了竖向荷载作用下的ＰＨＣ管桩荷载传递规律，探　力同时发挥作用，按桩侧、桩端土层的刚度系数大小来分担荷载。　讨了影响荷载传递的主要因素，总结评价了常用的管桩荷载传递　此时，端阻力将分担大部分荷载。３）ＰＨＣ管桩的长、径比。管桩　规律的理论计算方法。　的长、径对其荷载传递规律具有较大的影响，特别是在均匀土层　参考文献：　中，其影响是否显著。当长、径比超过１００时，桩端土的工程性质　［１］　徐至钧，李智字．预应力混凝土管桩基础设计与施工［Ｍ］．　对荷载传递规律将不再产生任何影响。因此，长、径比很大的管　北京：机械工业出版社，２００５．　桩往往都属于摩擦桩或纯摩擦桩。４）土塞效应。ＰＨＣ管桩在施　［２］徐至钧，李智宇，张亦农．预应力混凝土管桩设计施工及应　工过程中，往往在桩端空腔内会产生一定长度土塞。土塞刚产生　用实例［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００９．　时，是不完全闭塞的，然后逐渐形成完全闭塞的土塞。土塞不完　［３］　Ｊｕｎｉｏｒｓ．Ｄ．Ａ．Ｐ－ｙｃｕｒｖｅｓ　ｉｎ　ｌａｙｅｒｅｄ　ｓｏｉｌｓ［Ｄ］．Ｄｅｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　全闭塞时，沉桩引起的挤土效应相对较弱；土塞完全闭塞后，管桩　ｔｈｅ　Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　Ｄｏｃｔｏｒ，Ａｕｓｔｉｎ：Ｔｈｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｕｓ—　沉桩变为完全的挤土桩，挤土效应相对强烈，过于强烈的挤土效　ｔｉｎ，１９８５．　应可能导致管桩沉桩困难。沉桩过程中，管桩空腔中土塞的形成　［４］　Ｓａｎｇｌｅｒａｔ．ｇ．Ｔｈｅ　ｐｅｎｅｔｒｏｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　ｓｏｉｌ　ｅｘｐｉｍｔａｔｉｏｎ［Ｍ］．Ｎｅｗ　与基底下楔体的形成过程是相辅相成的，楔体对土塞的闭塞效应　Ｙｏｒｋ：Ｅｌｓｅｖｉｅｒ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙ，１９７２．　存在一定的影响。土塞作用可在管桩内壁形成摩阻力，并产生一　［５］ＪＴＧ　Ｄ３０－２００４，公路路基设计规范［Ｓ］．　定的法向应力，进而对ＰＨＣ管桩的荷载传递过程形成明显的影　［６］　曾应斌．预制桩的设计与施工［Ｍ］．铁天石，译．北京：中国　响。５）挤土效应。ＰＨＣ管桩在沉桩施工过程中，对桩周土存在一　铁道出版社．１９８６．　定的挤土作用，使桩周土受到扰动，并导致侧向压应力的增加。　［７］　王伯惠，上官兴．中国钻孔灌注桩新发展［Ｍ］．北京：人民交　当桩周土为饱和粘性土时，由于粘性土瞬时排水固结效应较弱，　通出版社．１９９９．　压缩变形量小，沉桩挤土作用使桩周土产生横向和竖向位移。随　［８］　邹利强．大直径长管桩承载力的试验研究［Ｄ］．南京：河海　着时间的推移，所产生的超静孔隙水压力逐渐消散，土体发生再固　大学硕士学位论文，２００４．　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｌｏａｄ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｌａｗ　ｏｆ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｐｉｐｅ　ｐｉｌｅ　ＺＨＡＮＧ　Ｗａｎ－ｔａｏ’ＨＡＯ　Ａｉ．１ｉｎｇ２　ＺＨＡＯ　Ｌｉｎ２　（１．Ａｎｈｕｉ　Ｔｒａｆｉｆｃ　Ｓｕｒｖｅｙ＆Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｈｅｆｅｉ　２３００１１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ　Ｅ，ｎ　ｆＩｏｎｄｕｓｔｒｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｈｅｓｉｓ　ｒｅｖｉｅｗｓ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｈｉｓｔｏｒｙ　ｏｆ　ＰＨＣ　ｐｉｐｅ　ｐｉｌｅ，ｓｐｅｃｉｉｆｃａｌｌｙ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｌａｗ　ｏｆ　ＰＨＣ　ｐｉｐｅ　ｐｉｌｅ，　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｍａｊｏｒ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　ＰＨＣ　ｐｉｐｅ　ｐｉｌｅ　ｌｏａｄ　ｔｒａｎｓｆｅｒ，ａｎｄ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ＰＨＣ　ｐｉｐｅ　ｐｉｌｅ　ｕｎ—　ｄｅｒ　ｖｅａｉｃａｌ　１ｏａｄ　ａｃｔｉｏｎ　ｉｌｆ　ａｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ｌｏａｄ　ｔｒａｎｓｆｅｒ．ａｎｄ　ｆｉｎａｌｌｙ　ｍａｋｅｓ　ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＰＨＣ　ｐｉｐｅ　ｐｉｌｅ，ｌｏａｄ　ｔｒａｎｓｆｅｒ，ｂｅａｒｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ