预应力高强混凝土管桩抗拔承载力分析

杨振仲

(厦门城市职业学院　福建厦门　361008)



预应力高强混凝土管桩抗拔承载力分析

杨振仲

(厦门城市职业学院福建厦门361008)

结合实际工程，分析了预应力高强混凝土管桩抗拔承载力的影响因素，研究了其抗拔承载力的确定方法，并对抗拔桩的应用提供了一些建议。

预应力高强混凝土管桩；抗拔桩；抗拔承载力

1　概述

建筑地下室或地下构筑物在施工阶段和使用阶段存在上浮问题时，抗浮或抗拔措施一般视具体情况而定。比如，当采用天然地基时，可设置抗浮锚杆；当采用桩基础时，可设置抗拔桩。常用的抗拔桩型式有混凝土预制桩、钻(冲)孔灌注桩和钢桩等。

按照混凝土强度等级，先张法预应力混凝土管桩(以下简称“管桩”)可分为预应力高强混凝土管桩和预应力混凝土管桩两类。其中，预应力高强混凝土管桩代号为PHC，混凝土强度等级不得低于C80[1]。PHC桩强度高，造价低，工期短，在建筑工程中应用广泛。

2　工程实例

2.1工程概况

厦门市湖里区某安置房工程项目由6栋23～26层高层建筑、北侧及东侧2～3层沿街商业裙房以及1层纯地下室组成。其中，高层建筑采用框架-剪力墙结构，裙房采用框架结构，各建筑物自身及其之间设置一层整体地下室，地下室层高为4.8m，纯地下室如图1所示。

该工程场地位于坡洪积坡地，地势总体较平缓、开阔。场地土层主要由①杂填土、②粉质粘土、③砾砂、④残积土、⑤全风化岩、⑥强风化岩、⑦中风化岩和⑧微风化岩等组成。

2.2抗浮设计

场地受原始地形地貌和拆迁堆填的影响，地下水位埋深变化较大。根据场地地形、地貌特征、地区气象特点及片区规划场地周边市政排水设施等情况，地下室抗浮设计的最高地下水位按室外设计地坪标高以下1.0m考虑。

地下室底板均位于地下水位以下，且地下室建成后，周边须进行土方回填及市政建设，考虑在雨季或回填区形成新的含水体系和毛细水上升等因素影响，地下水位将上升。因此，地下室设计与施工应考虑地下水的浮力作用。

对于直接位于高层建筑主体结构下的地下室，主要是施工期间的临时抗浮稳定问题，一般可通过场地临时排水和降水等措施解决；而对于裙房，尤其是纯地下室部分，则属永久性抗浮问题，需通过抗浮验算，并采取相应的抗浮措施。

2.3抗拔桩设计

结合基础型式，该工程采用预应力高强混凝土管桩作为抗拔桩。纯地下室室外地坪以下土层参数详见表1。

表1　纯地下室外地坪以下土层参数一览表

室外地坪设计标高为8.80m，地下水位标高7.80m。承台高度为1.00m，抗拔桩桩顶标高2.40m，桩端持力层为⑤全风化岩，设计桩长为21.0m。

地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋(干湿交替带)和钢结构具有弱腐蚀性，设计时需考虑地下水的腐蚀性，采取相应的防腐措施：

(1)采用壁厚不应小于125mm的AB型PHC桩；

(2)桩混凝土强度等级不应低于C60，抗渗等级不应低于S10，保护层厚度不应小于35mm，桩尖宜采用闭口型；

(3)桩接头焊缝坡口根部至焊缝表面的最短距离不应小于12mm。

根据上述防腐措施，该工程选用管桩型号为PHC 500 AB 125-12。

3　PHC桩抗拔承载力验算

作为抗拔桩，PHC桩的抗拔承载力主要由桩身抗拉强度、管桩连接的抗拉强度以及其他节点的抗拉强度等确定。

3.1桩身抗拉强度

(1)根据国家建筑标准设计图集《预应力混凝土管桩》10G409[1]，桩身预应力钢筋应采用抗拉强度标准值不小于1 420MPa、35级延性的低松弛预应力混凝土用螺旋槽钢棒。考虑预应力钢筋镦头与端板连接处受力不均匀等因素的影响，有

N≤0.85fpyAp

(1)

式中，N—桩身轴心受拉承载力设计值；

fpy—预应力钢筋抗拉强度设计值(不小于1000MPa)；

Ap—全部纵向预应力钢筋的截面面积。

该工程采用的预应力钢棒为12Φ10.7，Φ10.7的公称截面面积为90.0mm2，则N≤0.85×1 000×12×90.0=918kN。

同时，根据文献[1]，应进行桩身裂缝控制验算，裂缝控制等级取一级，应符合下列规定：

Nk≤σceA0

(2)

式中，Nk—按荷载效应标准组合计算的基桩拉力；

σce—桩身混凝土的有效预压应力；

A0—截面换算面积。

该工程A0=A+[(Es/Ec)-1]Ap=π×(5002-2502)/4+[(2.0×105/3.8×104)-1]×12×90.0=151 866mm2；查文献[1]，型号为PHC 500 AB 125-12的管桩σce=6.18MPa；按荷载效应标准组合计算的基桩拉力Nk=356kN，则Nk≤6.18×151 866=939kN。

(2)福建省标准《先张法预应力混凝土管桩基础技术规程》DBJ13-86-2007有以下规定[2]：

对于严格要求不出现裂缝的基桩，应符合下式要求：

Qct≤σpcA

(3)

对于一般要求不出现裂缝的基桩，应符合下式要求：

Qct≤(σpc+ft)A

(4)

式中，Qct—相应于荷载效应基本组合时单桩竖向抗拔承载力设计值；

σpc—桩身混凝土的有效预压应力，等同于σce；

A—桩身截面面积；

ft—桩身混凝土抗拉强度设计值。

该工程σpc=σce=6.18MPa，按公式(3)，得：Qct≤6.18×π×(5002-2502)/4=910kN；按公式(4)，得：Qct≤(6.18+2.22)×π×(5002-2502)/4=1 237kN。

(3)根据广东省标准《锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程》DBJ/T15-22-2008，有

N≤σpcA

(5)

式中符号同上。

公式(5)的计算结果与公式(3)相同。

对比以上3种计算方法，国家建筑标准设计图集[1]考虑了预应力钢筋镦头与端板连接处受力不均匀等因素，对预应力钢筋抗拉强度进行折减，同时取一级裂缝控制等级进行裂缝控制验算；福建省标准[2]除了考虑桩身混凝土的有效预压应力外，还考虑了混凝土的抗拉应力，将预应力钢筋抗拉强度作为安全储备；广东省标准[3]只考虑了桩身混凝土的有效预压应力，而忽略了预应力钢筋和混凝土的抗拉强度，因此偏为保守，但是由于混凝土不出现拉应力，可以不作裂缝控制验算。

因此，在计算桩身抗拉强度时，对于设计等级为甲、乙级的PHC桩基础以及当地下水、地基土对PHC桩有腐蚀性时，可采用福建省标准[2]的式(3)或广东省标准[3]的式(5)；而对于设计等级为丙级的PHC桩基础，可采用福建省标准[2]的式(4)。

该工程地基基础设计等级为乙级，可按照式(3)或式(5)，桩身抗拉强度取910kN。

3.2管桩连接的抗拉强度

(1)管桩连接方式

管桩连接方式有端板焊接连接、法兰连接和机械快速连接等。其中，机械快速连接又包含机械螺纹连接和机械啮合连接两类，机械螺纹连接是用螺母将预埋在管桩两端的螺纹端板和连接端板快速连接，而机械啮合连接是利用连接销与分别预埋在管桩端板上的连接槽、螺栓孔等零部件啮合形成的。

(2)焊缝抗拉强度

端板焊接连接应符合国家标准《钢结构焊接规范》GB50661—2011和行业标准《建筑桩基技术规范》JGJ94—2008的规定，其连接强度不应小于桩身抗拉强度。

根据福建省标准[2],当PHC桩采用焊接连接，应满足下式要求：

(6)

式中，lw—焊缝长度；

he—焊缝计算厚度；

(3)机械螺纹连接接头抗拉强度

当符合下列情况之一时，管桩连接宜采用机械螺纹连接：

①地基基础设计等级为甲级的管桩；

②管桩为抗拔桩；

③管桩接头在中等液化等级及以上的土层；

④土对桩身约束较差时；

⑤挤土效应明显时[2]。

根据福建省标准《预应力混凝土管桩机械快速连接接头施工及验收规程》DBJ13-58-2004，管桩机械螺纹接头的极限抗拉强度应符合表2的要求。

表2　管桩机械螺纹接头的极限抗拉强度[4]

若该工程选择机械螺纹连接接头，其极限抗拉强度为1 788kN，则机械螺纹连接接头抗拉强度设计值大于桩身抗拉强度。

又根据文献[5]，管桩机械螺纹接头抗拉强度由螺纹端板承载力决定，可用下式计算：

(7)

Ae—管桩端板螺纹接头有效截面积；

de—管桩螺纹端板扣除螺母壁厚和螺纹的有效直径；

dn—管桩螺纹端板扣除螺纹和壁厚的内壁直径。

(4)机械啮合连接接头抗拉强度

当符合下列情况之一时，管桩连接宜采用机械啮合连接：

①地下水、地基土对管桩有弱到中等以上腐蚀作用时；

②管桩为抗拔桩时；

③当桩数较多、较密集，挤土效应较大时；

④在施工环境温度低于0℃或风雨季节作业时[6]。

根据文献[5]，管桩机械啮合连接接头采用高强度螺栓连接销与端板预拉力连接，机械啮合连接接头的抗拉强度由连接销与端板预拉力连接的抗拉强度控制，可用下式计算：

(8)

(5)管桩连接方式选用

传统的管桩采用端板焊接连接，焊接质量易受人为因素和天气条件影响，抗拉性能难以完全保证，施工时间长。经实践证明，管桩机械快速连接接头具有连接质量高、防腐性能好、抗拔性能好、施工速度快、人为因素和天气条件影响小等优点，能有效解决抗拔桩的连接质量问题。

为保证预应力混凝土管桩的安全，2010年根据近年来管桩施工中存在接头焊接质量问题，福建省要求在建筑工程建设中，凡是采用管桩作为抗拔桩的，其接头均应采用机械快速连接接头技术。与机械螺纹连接接头相比，机械啮合连接接头施工速度更快，增加的材料费用更少，应优先选用[5]。该工程管桩接头采用机械啮合连接接头。

3.3其他节点的抗拉强度

(1)钢筋镦头的抗拉强度

国家标准《先张法预应力混凝土管桩》GB 13476-2009规定：钢筋镦头部位的强度不得低于该材料抗拉强度的 90%。

因此，要求该工程预应力钢筋镦头的抗拉强度≥0.90fpyAp=0.90×1 000×12×90.0=972kN，大于桩身抗拉强度。

(2)端板预应力筋锚孔抗剪强度

PHC桩端板上有预应力筋锚孔，用于桩身预应力钢筋的锚固，当PHC桩承受的上拔力较大时，锚孔易产生冲切破坏，应验算其抗剪强度。因此，应选用加厚的端板，《先张法预应力混凝土管桩》GB 13476-2009规定了端板最小厚度[7]。该工程预应力钢筋的直径为10.7mm，端板最小厚度为20mm，取24mm。根据文献[8]，有

N≤nπfv(d1+d2) [ts-(h1+h2)/2]/2

(9)

式中，N—端板预应力筋锚孔抗剪强度设计值；

n—预应力筋数量；

d1—端板预应力筋锚孔台阶下口直径；

d2—端板预应力筋锚孔台阶上口直径；

ts—端板厚度；

h1—端板预应力筋锚孔台阶下口距端板顶距离；

h2—端板预应力筋锚孔台阶上口距端板顶距离；

fv—端板的抗剪强度设计值。

N≤nπfv(d1+d2) [ts-(h1+h2)/2]/2=12×π×125×(12+20)×[24-(9.5+6)/2]/2=1 225kN，端板预应力筋锚孔抗剪强度大于桩身抗拉强度。

(3)桩顶与承台的连接强度

桩顶与承台的连接形式可分为不截桩桩顶与承台连接、截桩桩顶与承台连接以及接桩桩顶与承台连接3种。对于承受较大上拔力的PHC桩，无论桩顶与承台采用哪种连接方式，桩顶内均应设置托板，并放入钢筋骨架，桩顶填芯采用微膨胀混凝土，填芯混凝土高度不小于3m。桩顶与承台的连接节点所承受的上拔力，主要经由填芯混凝土与桩内壁的粘结力传递，根据国家建筑标准设计图集[1]和福建省标准[2]，单桩竖向抗拔承载力设计值应符合下列公式：

Qct≤HUmfn

(10)

式中，H—填芯混凝土高度；

Um—PHC桩内孔圆周长度；

fn—填芯混凝土与桩内壁的粘结强度设计值，宜由现场实验确定，当缺乏试验资料时，对于C30的微膨胀混凝土，fn可取0.35MPa。

该工程填芯混凝土高度取3.5m，Qct≤HUmfn=3 500×π×250×0.35=962kN，则桩顶与承台的连接强度大于桩身抗拉强度。

3.4单桩抗拔极限承载力

(1)根据行业标准《建筑桩基技术规范》JGJ 94—2008，抗拔桩应按下列公式同时验算抗拔承载力[9]：

Nk≤Tgk/2+Ggp

(11)

Nk≤Tuk/2+Gp

(12)

式中，Tgk—群桩呈整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值；

Tuk—群桩呈非整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值；

Ggp—群桩基础所包围体积的桩土总自重除以总桩数；

Gp—基桩自重。

(2)对于设计等级为甲级和乙级的建筑桩基，基桩的抗拔极限承载力应通过现场单桩竖向抗拔静载试验确定。

若无当地经验时，设计等级为丙级的建筑桩基，可按下列公式计算抗拔极限承载力：

Tuk=∑λiqsikuili

(13)

(14)

式中，λi—抗拔系数；

qsik—桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值；

ui—桩身周长；

li—桩周第i层土的厚度；

ul—桩群外围周长。

该工程设计桩长为21.0m，查文献[1]得，桩理论质量为383kg/m，Gp=383×21.0×10=80.4kN，Tuk=π×500×(0.75×60×2.34+0.55×80×4.90+0.72×60×10.00+0.65×80×3.76)=1 490kN，则Nk=356kN≤Tuk/2+Gp=1 490/2+80.4=825kN。

4　单桩竖向抗拔静载试验

该工程地基基础设计等级为乙级，应根据单桩竖向抗拔静载试验确定抗拔极限承载力。根据《建筑基桩检测技术规范》JGJ 106—2014，单桩竖向抗拔静载试验检测数量不应少于同一条件下桩基分项工程总桩数的1%，且不应少于3根；当总桩数小于50根时，检测数量不应少于2根[10]。

施工现场选取了3根桩进行单桩竖向抗拔静载试验，桩型PHC 500 AB 125-12，采用慢速维持荷载法，单桩最大试验荷载为900kN，最大上拔量为3.16mm，单桩竖向抗拔静载试验结果见表3。

表3　单桩竖向抗拔静载试验结果

由此可见，该工程单桩竖向抗拔极限承载力不小于900kN，与上述分析计算结果较为吻合，该PHC桩能满足抗拔承载力要求。

5　结论

该工程将预应力高强混凝土管桩用作抗拔桩，通过对其抗拔承载力分析和单桩竖向抗拔静载试验，可得到以下结论：

(1)在计算桩身抗拉强度时，对于设计等级为甲、乙级的PHC桩基础以及当地下水、地基土对PHC桩有腐蚀性时，应考虑桩身混凝土的有效预压应力；而对于设计等级为丙级的PHC桩基础，应考虑桩身混凝土的有效预压应力和混凝土的抗拉应力。

(2)基于机械啮合连接接头具有诸多优点，PHC桩用作抗拔桩时，应优先采用机械啮合连接接头。

(3)桩端板上的预应力筋锚孔易产生冲切破坏，应选用加厚的端板。

(4)对于用作抗拔桩的PHC桩，应通过计算确定桩顶填芯混凝土的高度。

(5)PHC桩是一种良好的抗拔桩桩型。

[1]10G409 预应力混凝土管桩[S].北京：中国计划出版社，2010.

[2]DBJ13—86—2007 先张法预应力混凝土管桩基础技术规程[S].福州：福建省建筑标准设计办公室，2007.

[3]DBJ/T15—22—2008 锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程[S].广州：广东省标标准化协会，2008.

[4]DBJ13—58—2004 预应力混凝土管桩机械快速连接接头施工及验收规程[S].福州：福建省建筑标准设计办公室，2004.

[5]李宏伟.浅析预应力高强混凝土抗拔管桩的连接接头方式[J].福建建筑，2013(3):100-102.

[6]DBJ15—63—2008 预应力混凝土管桩机械啮合接头技术规程[S].广州：广东省标标准化协会，2009.

[7]GB 13476-2009 先张法预应力混凝土管桩[S]. 北京：中国标准出版社，2009.

[8]陈岱杰，樊向阳，徐枫.上海地区PHC管桩作抗拔桩的探讨[J].建筑结构，2008(4):8-10.

[9]JGJ 94-2008 建筑桩基技术规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2008.

[10]JGJ 106—2014 建筑基桩检测技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

Analysis of Uplift Capacity of Pretensioned Spun High Strength Concrete Piles

YANGZhenzhong

(Xiamen City University, Xiamen 361008)

Combination of the practical project，influencing factors in uplift capacity of pretensioned spun high strength concrete piles were analysed，and determining methods of uplift capacity of PHC piles were studied，and some suggestions were provided for the application of uplift piles.

Pretensioned spun high strength concrete piles；Uplift piles；Uplift capacity

2014年福建省中青年教师教育科研项目 “预应力高强度混凝土管桩在建筑工程中的应用研究”(编号：JA14426)。

杨振仲(1980.01-)，男，讲师。

E-mail:zhenzhong@xmcu.cn

2016-04-26

TU473.1+6

A

1004-6135(2016)07-0067-05