预应力混凝土抗拔桩论文

预应力混凝土抗拔桩论文 摘要：预应力混凝土桩具有抗裂性好、施工速度快、经济性好等优点，在工程实践中作为抗拔桩使用已越来越广泛。但预应力混凝土抗拔桩在应用中尚存在一些问题，如接头抗拔、桩与承台的连接、承载力如何发挥等。预制预应力混凝土抗拔桩单桩竖向抗拔承载力尚无明确的设计方法。 前言 预制预应力混凝土桩具有桩身质量好、工程造价低、施工绿色环保、桩身检测方便、可工厂化生产等优点，在建筑工程桩基领域的使用越来越广泛，已成为桩基工程首选桩型。其桩身抗裂性能优越，用于抗拔桩时，在有效预压应力范围内桩身不会出现裂缝，预应力钢筋保护较好，能较好地发挥桩身强度，提高桩身抗拔承载力，从而大幅降低抗拔桩的工程造价，节约投资，有效缩短施工工期。 1预应力混凝土抗拔桩研究现状 1.1试验研究 预应力混凝土管桩作为抗拔桩应用时间不到十年，国内主要集中在对工程应用中遇到的实际问题或结合工程设计开展的试验研究。许国平（2005）、苏振明等（2006）分别通过PHC管桩的单桩竖向抗拔静载试验，研究预应力管桩抗拔性能，分析计算了影响管桩抗拔承载力的多种因素，并提出各土层抗拔系数入的取值范围，建议内芯插筋深度应根据填芯混凝土摩阻力计算提出。汪加蔚（2004）、侯胜男等（2010）分别通过试验对预应力混凝土管桩桩身的抗拉强度、接头焊缝的抗拉强度及填芯混凝土的抗拉强度验算方法进行分析，提出管桩抗拉承载力的计算公式。刘永超（2009）通过对预应力混凝土管桩桩身、焊接接口、桩与承台连接强度和抗拔静载性能等专项试验，研究其作为抗拔结构时，端板、墩头、焊缝及桩身的抗拔性能及破坏形式，并通过理论分析，对抗拔管桩设计时的基本原则和控制节点进行讨论。郑秀娟等（2010）通过对预应力混凝土管桩进行抗拔静载试验和室内足尺寸试验，研究桩身抗拉结构性能，根据试验桩破坏形式，找出管桩抗拔薄弱部位。 韦宏等（2001）虞林军（2006）、沈晓梅等（2008）分别结合工程实例介绍了预应力混凝土管桩作为抗拔桩的设计要点、计算方法及相应的构造措施。对管桩抗拔承载力计算，桩身结构强度、接桩焊缝强度、管桩与承台的连接强度的验算方法等提出了一些合理化建议。陈岱杰等（2007）针对上海地区使用情况，对预应力混凝土管桩作抗拔桩的桩身结构强度、焊缝强度、端板孔口抗剪强度、钢棒墩头进行验算，并对管桩和承台连接方式及计算方法进行了探讨。 1.2理论研究 目前预应力混凝土管桩抗拔受荷性状的理论研究工作主要集中在以下几个方面： （1）对桩土共同作用下抗拔管桩承载力发挥机理的研究。林宏剑（2010）通过数值模拟研究了桩长、桩径、土质条件等对桩侧摩阻力及管桩抗拔承载力特性的影响。阎怀先和赵文勇（2011）通过现场抗拔试验对管桩的抗拔机理进行探讨，分析了预应力混凝土抗拔管桩在桩土共同作用下的受荷机理及轴力计算方法，并对设计施工提出了一些建议。 （2）预应力混凝土管桩接头抗拉强度研究。刘军（2007）提出一种新型的管桩锚固式接头，围绕其受力性能进行了一系列理论分析及试验研究。李伟兴等（2010）结合世博主题馆的设计，对PHC抗拔管桩的新型连接进行计算分析和试验研究。结果表明：新型连接方式较标准型接桩节点在受力性能、施工工艺、焊接质量等方面均有明显改善，值得在工程中推广应用。 （3）管桩与承台连接性能的研究。王恒栋等（1997）、李平先等（2004）在预应力混凝土管桩与桩帽连接节点轴拔试验研究的基础上，讨论了连接节点的破坏状态、粘结机理以及受力特性。并给出了连接节点轴拔承载力的建议计算公式，提出了在实际工程中连接的合理型式。张忠等（2007）以预应力薄壁管桩为例，开展了预应力管桩填芯混凝土轴拔试验。通过试验分析表明，填芯混凝土与桩内壁粘结性能良好，有横向膨胀效应，为管桩设计提供依据和理论基础。 2存在的问颗 （1）预制预应力混凝土桩用于抗拔工程时，接桩常采用焊接连接，有时因焊缝质量不能保证，焊接处存在安全隐患。另外，焊接接桩时间较长，影响了工 程进度，同时增加施工人员的工作量。 （2）桩与承台连接主要采取混凝土填芯插筋的方法。由于桩身内壁光滑，填芯混凝土与桩内壁粘结力不强，在上拔荷载作用下，填芯有时被直接拔出，填芯的长度和施工质量直接影响抗拔承载力。 （3）抗拔桩的承载力主要靠桩侧摩阻力提供，无论是预制预应力混凝土管桩还是方桩，桩表面均比较光滑，与桩周土体之间的摩擦力不足。桩受上拔荷载作用时荷载传递规律、桩土共同作用的机理不明确。桩身抗拉强度控制承载力尚无明确的验算方法。影响预应力混凝土桩抗拔承载力的关键因素未完全确定，桩承载力发挥的薄弱环节有待解决。 目前国内仅有少数几个应用预应力混凝土抗拔桩较多的省份颁布了地方规程，但其中的设计方法及内容存在差异，规程内容也不太成熟和系统化。 3设计方法 预应力混凝土抗拔桩单桩竖向抗拔承载力应根据桩身和桩周岩土的总抗拔摩阻力以及桩身抗拉强度的大小来确定，取两者中的较小值。 3.1桩周土层侧阻力确定抗拔承载力 根据JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》规定，基桩的抗拔承载力按下式确定： 式中Nk为按荷载效应标准组合计算的基桩拔力；Tuk为群桩呈非整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值；GP为基桩自重，地下水位以下取浮重度；u为桩身周长；qsik为桩侧表第 i层土的抗压极限侧阻力标准值；λi为抗拔系数。 由式（2）可知，抗拔桩的承载力靠桩侧摩阻力提供。侧摩阻力受到桩长、桩径、地基土的类别、桩的荷载特性等因素的影响，目前很难准确计算。由于缺乏理论研究，参照抗压桩的静力计算公式估算桩侧摩阻力，再按相应系数折减作为抗拔桩的承载力。该粗略的计算方法可能使设计过于保守，也可能使整个工程安全度降低造成工程事故。所以开展抗拔桩的承载力发挥机理研究对抗拔桩的设计有着重要的意义。 3.2桩身抗拉强度承载力计算 桩身抗拉强度承载力计算包括桩身结构强度、接桩连接强度、端板孔口抗剪强度、钢棒墩头抗拉强度、桩与承台连接强度等承载力计算。 3.2.1桩身结构强度 浙江省建筑标准图集2010浙G35《预应力离心混凝土空心方桩》123]和广东省标准DBJ/T15-22-2008《锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程》对于桩身结构强度推荐公式： 式中，N为荷载效应基本组合下桩身受拉承载力设计值，kN；σpc为桩身混凝土有效预压应力，MPa；A为桩身横截面面积，㎜2 福建省工程建设地方标准DBJ13-86-2007《先张法预应力混凝土管桩基础技术规程》和江苏省工程建设规程DGJ32/TJ109-2010《预应力混凝土管桩基础技术规程》规定： （1）管桩处于腐蚀环境或设计严格要求不出现裂缝时：N≤pcA （4） （2）管桩处于一般环境或设计一般要求不出现裂缝时：N≤（σpc+￡t）A （5） 式中￡t一桩身混凝土轴心抗拉强度设计值，MPa 上海市建筑产品推荐性应用图集2009沪G/T-502 （（HKFZ/KFZ先张法预应力混凝土空心方桩》推荐公式： （1）对于一级裂缝控制等级，在荷载效应标准组合下，承载力限值Nk应符合以下规定： （2）对于控制二级裂缝等级的抗拔基桩，在荷载效应标准组合下，其抗拔承载力限值应符合如下规定： （7） 式中，Nk为荷载效应标准组合下空心桩的轴心拉力标准值，kN；ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值，MPa 天津市工程建设标准DBJT29-187-2009《先张法预应力离心混凝土空心方桩》规定： 对于严格要求不出现裂缝的一级裂缝控制等级预应力混凝土空心方桩，在荷载效应标准组合下混凝土不应产生拉应力，应符合下列要求： （8） 对于一般要求不出现裂缝的二级裂缝控制等级的预应力混凝土空心方桩，在荷载效应标准组合下的拉应力不应大于混凝土轴心受拉强度标准值，应符合下列要求： 在荷载效应标准组合下： （9） 在荷载效应准永久组合下： （10） 式中，σck为荷载效应标准组合下正截而法向应力，MPa；σcq为荷载效应准永久组合下正截面法向应力，MPa 对比以上公式，可以发现各规程的计算方法相差较大，其原因主要在于抗裂控制标准的不同。浙江省、广东省标准均只考虑桩身有效预压应力，不计算混凝土抗拉强度，由于在有效应力范围内不会出现裂缝，不需考虑裂缝控制，在实际工程中对桩身安全较为有利。福建省、江苏省、上海市及天津市标准除桩的有效预压应力外还考虑了混凝土的抗拉能力，以一级裂缝和二级裂缝控制。差别在于福建省、江苏省标准以荷载效应基本组合，上海市标准以荷载效应标准组合、天津市标准以荷载效应标准组合和准永久组合进行验算，即福建省、江苏省标准是以桩承载能力极限状态，而上海市、天津市标准以桩正常使用极限状态验算。对比上海市和天津市标准，发现天津市增加了荷载效应准永久组合，考虑了可变荷载的长期作用效应。 3.2.2端板孔口抗剪强度 根据桩端板孔口抗剪强度确定单桩抗拔承载力时#端板与预应力钢筋连接如图1 所示： 式中，n为预应力钢筋数量，根；d1为端板上预应力钢筋锚固孔台阶上口直径，mm；d2为端板上预应力钢筋锚固孔台阶下口直径，mm；h1为端板上预应力钢筋锚固孔台阶上口距端板顶距离，mm；h2为端板上预应力钢筋锚固孔台阶下口距端板顶距离，mm；fv拭为端 抗剪强度设计值，取120MPa；ts为端板厚度，mm 孔口薄弱处为预应力钢棒墩头与端板锚固孔连接部位的台阶，当桩承受较大的上拔力时，容易出现冲切破坏。按公式（11）计算发现，端板孔口的抗剪强度值远小于桩身强度和焊缝强度，所以应采取加厚端板的方法，来提高端板孔口抗剪强度，并建 议设置端板锚固钢筋增加端板与桩身的连接强度，以保证该部位的连接安全。 4要解决的关键问题 传统用于抗压桩的预应力混凝土桩作为抗拔桩在基础工程中已得到应用，但由于桩身抗拉、接头抗拔、桩与承台连接等技术问题在实际应用中没有得到有效的解决，目前，对其用于抗拔桩的安全性存在质疑。因此，以下几个方而的关键问题亟待解决： 4.1接头质量 接桩时多采用桩顶端板的直接焊接连接，由于施工水平和质量不能保证，连接焊缝经常失效，造成下节桩失去抗拔作用，上节桩被拔出。抗拔桩的接头质量问题会直接导致断桩而失效。 机械接头的接桩可不受下雨，下雪等恶劣天气条件的影响，相对焊接接头有明显的优越性。近年来，很多企业对新型机械接头的开发研制做了大量的工作，如空心方桩T形槽机械接桩结构，新型管桩抱箍式接头等。 4.2桩与承台的连接 目前桩与承台连接主要是通过混凝土填芯方法增加桩与承台的粘结力，但上拔荷载作用时，桩内灌注的部分混凝土常被拔出，桩顶