针对天津地方规程、预应力管桩在厚层软土地区性能的抗震研究

天津宝丰（集团）混凝土桩杆有限公司总工程师梁俊

　　引  言

　　虽然2009年6月上海莲蓬河畔13层在建楼房整体倒塌事件的事故原因不在PHC管桩自身的刚度问题，但人们对管桩水平荷载下产生的弯矩还是有所怀疑。苏建科[2010]78号文规定管桩的适用范围并提出抗拨桩的管桩在承受较大水平荷载作用可能出现拉应力的桩基工程中应慎用。之后的扬州地区对沿江地带特别是对淤泥土层也作出了相应的规定，提出了预应力管桩使用时均应按《建筑抗震设计规范》等标准进行相应的桩的水平承载力、抗震承载力和稳定性的验算。到2010年10月1日天津市建交委颁布的《预应力混凝土管桩技术规程》，规定了民用建筑适用层数，厚层软土地区≥5米的地区对适用楼层作了特别规定。厚层软土地区抗震设防烈度为8度时，不宜采用预应力管桩，提出了管桩的抗水平荷载在承受水平侧压力作用，达到极限状态下，桩顶荷载由桩身刚度和桩侧土共同承受，应进行管桩抗震承载力验算。最后是规定了民用建筑楼层不超过18层高度，伴随着房地产的调控，天津地区整个管桩行业不容乐观，客户对管桩自身的怀疑兼而有之，有的客户手拿规程来签定购货合同。这么多年管桩的使用限制楼层的高度还是第一回，管桩自身的抗震性能的验证已经是不可回避的事实，而且在国内这方面的试验研究和相关的资料又很少，只有零星地查到日本板神大地震和美国加州某大学做过这方面的耗能试验，且数据也不全。作为挤土桩的管桩在厚层软土地区由于各方面原因植桩时被抬起、偏移、断桩的现象也时逢有之，长桩吊运施工时也略有微环裂。相反不密实、不环保、不安全的灌注桩却工程量越有偏多的现象。为了进一步验证管桩的抗震性能，研究其破坏机理，从而使得预应力管桩更安全和有效的在高层建筑的桩基工程中的使用。我公司研发部在公司韦总的带领下经与清华大学、北京建工学院、湖南大学、河海大学、汕头大学、天津大学等联合走访，进行了前期的课题的调研工作，最后进行了综合论证评估，决定由在日本回国的专门从事过抗震研究工作的天津大学的王铁成教授合作，开展这一课题更深层次的研究。

　　一、管桩的自身刚度和创新优化

　　1.1预应力钢棒的应力测试和钢筋笼经创新后的抗震性能的试验

　　整过试验我们分两部分进行，一部分是以天津地方新的标准图集做为依据，第二部分在原来的基础之上，进行了创新优化后的新型管桩也做了对比、还对管桩性能有较大改善的也进行了反复的对比试验。前期在生产车间做预制构件，再运往天大试验室做抗震试验，前后参与研究试验的博士生、研究生、试验员十人以上，掌握了大量的现场采取的数据，历时三年多的时间，到目前为止试验已基本上结近尾声，这些试验包括：预应力高强钢棒经张拉后的应力测试、由于高强钢棒的脆性较大，潜伏着延时断裂和经时断裂的因素。改良前后管桩钢筋笼箍筋的截面积大小、加密区的长度、间距等，在低周往复荷载作用下的变形情况，通过试验掌握了箍筋对管桩自身的约束能力和管桩的抗剪能力应由两部分贡献而成，公式是：

　　在轴力作用下的抗剪强度公式由两部分组成，一是预应力混凝土管桩自身的混凝土部分来承担的剪力，是日本工业标准JISA5337-1993的中的公式：

　　另一部分是由螺旋箍筋来承担的剪力公式为：

　　对于环形截面管桩箍筋的抗剪承载力Vs，其表达式可以由桁架模型推导得到，如图1所示。假定：

　　（1）斜裂缝与圆环纵轴的夹角为45°；

　　（2）与斜裂缝相交的箍筋在极限状态下达到屈服；

　　（3）箍筋的间距S与箍筋中心线所围成的圆周直径D相比较小。

　　将与斜裂缝相交的箍筋拉力全部投影到平面上,则所有拉力在竖直方向的投影之和就是极限状态下箍筋所承受的剪力：

　　式中：计算起来比较复杂，可做如下简化处理：当s较小时，弧长 , 处竖向分布力 ；点b处的竖向分布力 。

　　假想将1/4圆周弧ab拉直，并假定ab之间竖分布力按线性分布，则该区段箍筋合力Vs′(图1(c))：

　　对于整个圆周有：

　　对于螺旋箍筋，只考虑在纵向承受剪力，则：

　　式中D为箍筋中心线所围成的圆周直径，Asv1为单根箍筋的截面积， 为箍筋与环形截面中心线的夹角。

　　根据材料力学及试验验证推导出管桩的抗剪强度公式，是由管桩水平承载力设计值和螺旋箍筋共同贡献的。加强螺旋筋的配筋，是提高抗震性能的有效措施。

　　1.2 管桩钢筋笼掺配非预应力筋延性性能的试验

　　由于预应力筋的断裂伸长率较小，高强钢棒自身存在有延时断裂和侵蚀断裂，延时断裂是随时间的长短而易，侵蚀断裂是经外界的各种因素，慢慢锈蚀而断裂。而PHC管桩易发生脆性破坏，在承受地震荷载作用时，掺入的非预应力筋具有良好的塑性，使得管桩的耗能能力大为改善，通过加掺非预应力的管桩进行大量的分析和对比试验，其中从根数、直径、长度、数量、焊接和邦扎形式等，找到了最佳的掺量和配筋量。特别对于基坑支护围堰等工程管桩的抗弯性能大为改善，扩展了PHC管桩的应用范围。

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　　1.3管桩混凝土掺配纤维的韧性技术的性能试验

　　管桩由于其特殊的成型工艺，强度高使其脆性大，在水平荷载作用下预应力管桩易发生弯剪破坏，经设计创新优化添加了钢纤维、玄武岩纤维，有短纤维也有纤维丝，来提高管桩混凝土的抗弯强度、抗冲击和抗疲劳能力。掌握了钢纤维的体积掺量比，通过在同一条件下的现场植桩对比，对桩头的锤击试验记录比较从而使其管桩的韧性得到改善。

　　1.4承台与上节桩节点的抗震结构的优化设计

　　1.5承台与上节桩内腔填芯钢筋膨胀混凝土增强水平剪力的工艺技术

　　在定型产品和创新产品上对桩顶与承台的连接，进行了锚固筋的结构优化，对不同型式的截桩进行了改进，桩与承台连接处承台下的桩身上部，包括承台填芯的结合部，即钢筋膨胀混凝土的灌芯处在地震作用下产生的位移和剪切应力，变形性能对抗震性能的影响，进行优化填芯长度、混凝土强度及配筋率等，并对其抗震性能进行分析。

　　1.6预应力管桩的抗震试验

　　试验采用在不同轴压比下进行低周往复加载方式对试件进行加载，直至试件承载力下降至最大承载力的85%，或达到不适合继续承载的变形限值，认为试件达到破坏，停止试验。

　　对桩端的抗震试验，即桩与承台之间的连接破坏试验，是取管桩与承台的组合体，管桩倒置，桩顶施加轴压力并保持恒定，然后在桩头施加水平往复荷载，以确定不同变形下管桩桩端的受力性能、在压弯剪等复合作用上的破坏形态和破坏机理。管桩桩身的抗震试验，模拟地震作用下，桩底嵌固于坚硬岩石层，桩头位移受上部结构约束情况，由于桩在土中变形和内力曲线为正弦形状，将正弦曲线两个反弯点之间桩身视为简支梁，采用跨中施加往复集中荷载的加载方式模拟地震作用下桩身弯曲和剪切变形，挠度、支座处转角，裂缝开展形式和宽度，钢筋和混凝土应变，塑性铰区转角。管桩的开裂弯矩、剪力，极限弯矩、剪力等。研究管桩桩身的抗震性能，同时在桩的外侧施加轴向压力以模拟桩轴向荷载。

　　这些试验是在天大建筑工程试验室进行，一面剪力墙、简支梁、加载梁若干、2000kN千斤顶、位移计若干、转角仪若干、数据采集仪一台、支座台等。

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　　1.7 抗震管桩的数据采取和分析

　　通过在前期预埋在预制构件中的应力片，同时对高强钢棒、管桩混凝土在千斤顶进行往复加载的情况下和位移计三组通过信号线导入数据采集器，再经电脑进行坐标绘制成耗能图，即滞回曲线，然后通过滞回曲线很直观的看到管桩在往复荷载受力下延性的变化关系情况。

　　通过上述PHC管桩荷载--位移关系滞回曲线分析，滞回曲线有的有捏缩现象，证明有明显的脆性破坏。随着荷载的增加，最后钢筋被拉断，桩承载力突然下降。如图27（b）p402有的滞回曲线的面积很小，有的经创新后滞回曲线的面积很饱满，延性变形很慢，如(a)p401，进行了成本和性能分析研究。同时对荷载--转角的关系曲线、骨架曲线、位移延性、强度及刚度退化，分析残余变形及往复加载中的累计损伤，累积耗能和等效粘滞阻尼耗能，分析PHC管桩的创新改进效果和抗震性能。图2-图10是我们进行室内工厂对桩身和节点的各类设计和预制构件的制作，图12-图17在工厂内对桩端膨胀混凝土填芯、配筋等不同型式进行轴压低周往复的加载试验，图18-图26是管桩桩身自身刚度的试验，通过对承载力、变形能力、延性性能、刚度退化、耗能能力等性能指标，在低周往复作用下依据试验结果和实测数据对抗震管桩进行综合评价。经工厂做预制构件，学校试验室做试验分析，掌握了各种特征和性能，建立了有限元分析模型，完善试验分析结果并提出了设计方法和构造要求和优化技术方案，为管桩的抗震设计提供了依据。这一管桩的抗震试验填补我国在这一领域的空白，所采取到的数据真实、完善。通过试验我们拥有了许多创新优点，其中一种掺非预应力筋抗延性增强剪力管桩钢筋笼，一种箍筋配筋抗震管桩，一种掺纤维韧性技术抗震管桩，一种与承台节点优化结构抗震管桩，一种承台上节桩内腔填芯钢筋膨胀混凝土增强水平剪力工艺技术抗震管桩等拥有多项自主知识产权。在目前普遍使用的高压蒸养工艺和使用高强钢棒的前提下，几近解决了管桩的韧性、延性、剪力等技术措施。我们还进行了夸常规的试验，在免除高压蒸养和使用单股和多股钢绞线代替高强钢棒制作的试验管桩上，进行了同样的抗震桩的试验，和水平往复荷载的试验，符合设计要求。为地方规程的修编提供了依据，也为行业管桩自身的刚度验证这一的性能的内涵。我们不但做了有代表性的管桩预制构件的，在天大试验室做了抗震类的试验，掌握了管桩的性能。同时经论证以现场实际为主，做水平推力位移试验，以单桩对单桩，以单桩对多桩，以多桩对群桩进行水平推力位移试验，彻底揭开桩周土体因土体的不同密度对管桩水平推力的影响。

　　以上是做管桩自身的刚度试验，接着我们也做了桩与承台连接处及承台下的桩身上部，包括承台填芯的结合部，在压、弯、剪等复合作用下导致的破坏，破坏类型经分析，主要有桩头剪力破坏及横向摇摆导致桩头（身）压坏。其中有改进部分的是桩与承台的连接方试、桩头内的配筋、灌填芯的长度比例及承台对水平承载力的作用分析等。

　　二、水平荷载作用下预应力高强混凝土管桩群桩受力性能试验研究

　　2.1水平荷载下的土体位移

　　随着研究的不断深入，考虑了桩基在水平荷载作用时的受力情况，除承担上部结构传递的竖向荷载外，上部结构与桩基之间的相互作用，即桩基的承载力和变形应由桩和桩周土体共同承担，为此我们还做了相关的试验，来研究桩基在水平往复荷载作用下的预应力高强混凝土管桩的群桩效应和受力性能试验研究及群桩的抗震性能。这项桩基础试验是前期管桩刚度试验的继续，我们与河北工业大学共同研究了管桩在现场试验中的抗震性能和破坏机理，为实际设计和施工提供一定的参数，从而使得预应力混凝土管桩更加安全有效的在高层建筑的桩基工程中使用。管桩的抗弯能力取决于桩和土的力学性能、纵筋配筋率、桩的自由长度、抗弯刚度，桩径、桩顶约束等因素，还包括桩的截面刚度、材料强度、桩侧土质条件、桩的入土深入度、桩顶约束情况等。如土的应力-应变，桩土之间的接触，分离的间距，桩体施工方法对周围土体的影响等，所以这次试验条件的应尽可能和实际工作条件接近，将各种影响降低到最小的程度，使试验结果能尽量反映工程桩的实际情况。

　　2.2试验设计

　　试验设计了单桩和群桩在水平往复荷载作用下的受力性能。单桩变化参数为桩的直径，而群桩主要变化桩的数量、间距以及直径，具体试验参数如表1 所示。

      其布置如图28所示：

　　试验场地大约占地22m×18m，基坑深度约为1.5m（根据承台的高度确定），沉桩方式为静力压桩法成桩。

　　试验采用低周往复加载方式对试件进行加载，采用位移控制，每级荷载循环15次，当达到预定位移且读数稳定时，荷载持续10-20秒后卸载。

　　2.3技术路线

　　通过试验和有限元分析相结合的手段，对预应力高强混凝土管桩在水平往复荷载作用下的受力性能进行分析，技术路线如图29所示。

　　2.4 试验设备

　　为保证试验的顺利进行，需要2000kN千斤顶两个、位移计若干、转角仪若干、数据采集器一台以及加载梁若干。

　　2.5 试验测定项目

　　试验测定的项目主要有：单桩的承载力、桩头的位移、转角以及沿桩身长度方向的应变等。

　　2.6 研究的内容

　　（1）桩径对 p-y 曲线以及单桩承载力的影响；

　　（2）研究桩间距离群桩效应的影响，得出群桩效应下 p-y 曲线；

　　（3）确定往复荷载作用下桩和土之间的间隙对 p-y 曲线的影响；

　　（4）研究不同桩径、桩数下群桩的 p-y 曲线；

　　（5）得出不同桩数下群桩的 p-multipliers 系数；

　　（6）研究单桩和群桩的破坏情况

　　三、结束语

　　管桩自身刚度和水平承载力的位移验证试验及优化创新后的技术改进将对管桩行业的发展会作出重大的贡献。特别是对环渤海湾的厚层软土和液化土层地区、高烈度抗震设防地区及抗浮、抗拨和桩周土体的密度、土的力学性能等有了更深的了解和认知，对天津的地方规程及各类预制桩有了一个最终的综合评价。

　　参考文献

　　[1] 横山幸满，桩结构物的计算方法和计算实例，唐业清，吴庆荪译，北京：中国铁道出版社，1984

　　[2] 凌贤长，王臣，王成，液化场地桩-土-桥梁结构动力相互作用振动台试验模型相似设计方法，岩石力学与工程学报，2004，23（3）：450-456