針對天津地方規(guī)程、預應力管樁在厚層軟土地區(qū)性能的抗震研究

天津?qū)氊S（集團）混凝土樁桿有限公司總工程師梁俊

　　引  言

　　雖然2009年6月上海蓮蓬河畔13層在建樓房整體倒塌事件的事故原因不在PHC管樁自身的剛度問題，但人們對管樁水平荷載下產(chǎn)生的彎矩還是有所懷疑。蘇建科[2010]78號文規(guī)定管樁的適用范圍并提出抗撥樁的管樁在承受較大水平荷載作用可能出現(xiàn)拉應力的樁基工程中應慎用。之后的揚州地區(qū)對沿江地帶特別是對淤泥土層也作出了相應的規(guī)定，提出了預應力管樁使用時均應按《建筑抗震設計規(guī)范》等標準進行相應的樁的水平承載力、抗震承載力和穩(wěn)定性的驗算。到2010年10月1日天津市建交委頒布的《預應力混凝土管樁技術規(guī)程》，規(guī)定了民用建筑適用層數(shù)，厚層軟土地區(qū)≥5米的地區(qū)對適用樓層作了特別規(guī)定。厚層軟土地區(qū)抗震設防烈度為8度時，不宜采用預應力管樁，提出了管樁的抗水平荷載在承受水平側壓力作用，達到極限狀態(tài)下，樁頂荷載由樁身剛度和樁側土共同承受，應進行管樁抗震承載力驗算。最后是規(guī)定了民用建筑樓層不超過18層高度，伴隨著房地產(chǎn)的調(diào)控，天津地區(qū)整個管樁行業(yè)不容樂觀，客戶對管樁自身的懷疑兼而有之，有的客戶手拿規(guī)程來簽定購貨合同。這么多年管樁的使用限制樓層的高度還是第一回，管樁自身的抗震性能的驗證已經(jīng)是不可回避的事實，而且在國內(nèi)這方面的試驗研究和相關的資料又很少，只有零星地查到日本板神大地震和美國加州某大學做過這方面的耗能試驗，且數(shù)據(jù)也不全。作為擠土樁的管樁在厚層軟土地區(qū)由于各方面原因植樁時被抬起、偏移、斷樁的現(xiàn)象也時逢有之，長樁吊運施工時也略有微環(huán)裂。相反不密實、不環(huán)保、不安全的灌注樁卻工程量越有偏多的現(xiàn)象。為了進一步驗證管樁的抗震性能，研究其破壞機理，從而使得預應力管樁更安全和有效的在高層建筑的樁基工程中的使用。我公司研發(fā)部在公司韋總的帶領下經(jīng)與清華大學、北京建工學院、湖南大學、河海大學、汕頭大學、天津大學等聯(lián)合走訪，進行了前期的課題的調(diào)研工作，最后進行了綜合論證評估，決定由在日本回國的專門從事過抗震研究工作的天津大學的王鐵成教授合作，開展這一課題更深層次的研究。

　　一、管樁的自身剛度和創(chuàng)新優(yōu)化

　　1.1預應力鋼棒的應力測試和鋼筋籠經(jīng)創(chuàng)新后的抗震性能的試驗

　　整過試驗我們分兩部分進行，一部分是以天津地方新的標準圖集做為依據(jù)，第二部分在原來的基礎之上，進行了創(chuàng)新優(yōu)化后的新型管樁也做了對比、還對管樁性能有較大改善的也進行了反復的對比試驗。前期在生產(chǎn)車間做預制構件，再運往天大試驗室做抗震試驗，前后參與研究試驗的博士生、研究生、試驗員十人以上，掌握了大量的現(xiàn)場采取的數(shù)據(jù)，歷時三年多的時間，到目前為止試驗已基本上結近尾聲，這些試驗包括：預應力高強鋼棒經(jīng)張拉后的應力測試、由于高強鋼棒的脆性較大，潛伏著延時斷裂和經(jīng)時斷裂的因素。改良前后管樁鋼筋籠箍筋的截面積大小、加密區(qū)的長度、間距等，在低周往復荷載作用下的變形情況，通過試驗掌握了箍筋對管樁自身的約束能力和管樁的抗剪能力應由兩部分貢獻而成，公式是：

　　在軸力作用下的抗剪強度公式由兩部分組成，一是預應力混凝土管樁自身的混凝土部分來承擔的剪力，是日本工業(yè)標準JISA5337-1993的中的公式：

　　另一部分是由螺旋箍筋來承擔的剪力公式為：

　　對于環(huán)形截面管樁箍筋的抗剪承載力Vs，其表達式可以由桁架模型推導得到，如圖1所示。假定：

　　（1）斜裂縫與圓環(huán)縱軸的夾角為45°；

　?。?）與斜裂縫相交的箍筋在極限狀態(tài)下達到屈服；

　　（3）箍筋的間距S與箍筋中心線所圍成的圓周直徑D相比較小。

　　將與斜裂縫相交的箍筋拉力全部投影到平面上,則所有拉力在豎直方向的投影之和就是極限狀態(tài)下箍筋所承受的剪力：

　　式中：計算起來比較復雜，可做如下簡化處理：當s較小時，弧長 , 處豎向分布力 ；點b處的豎向分布力 。

　　假想將1/4圓周弧ab拉直，并假定ab之間豎分布力按線性分布，則該區(qū)段箍筋合力Vs′(圖1(c))：

　　對于整個圓周有：

　　對于螺旋箍筋，只考慮在縱向承受剪力，則：

　　式中D為箍筋中心線所圍成的圓周直徑，Asv1為單根箍筋的截面積， 為箍筋與環(huán)形截面中心線的夾角。

　　根據(jù)材料力學及試驗驗證推導出管樁的抗剪強度公式，是由管樁水平承載力設計值和螺旋箍筋共同貢獻的。加強螺旋筋的配筋，是提高抗震性能的有效措施。

　　1.2 管樁鋼筋籠摻配非預應力筋延性性能的試驗

　　由于預應力筋的斷裂伸長率較小，高強鋼棒自身存在有延時斷裂和侵蝕斷裂，延時斷裂是隨時間的長短而易，侵蝕斷裂是經(jīng)外界的各種因素，慢慢銹蝕而斷裂。而PHC管樁易發(fā)生脆性破壞，在承受地震荷載作用時，摻入的非預應力筋具有良好的塑性，使得管樁的耗能能力大為改善，通過加摻非預應力的管樁進行大量的分析和對比試驗，其中從根數(shù)、直徑、長度、數(shù)量、焊接和邦扎形式等，找到了最佳的摻量和配筋量。特別對于基坑支護圍堰等工程管樁的抗彎性能大為改善，擴展了PHC管樁的應用范圍。

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　　1.3管樁混凝土摻配纖維的韌性技術的性能試驗

　　管樁由于其特殊的成型工藝，強度高使其脆性大，在水平荷載作用下預應力管樁易發(fā)生彎剪破壞，經(jīng)設計創(chuàng)新優(yōu)化添加了鋼纖維、玄武巖纖維，有短纖維也有纖維絲，來提高管樁混凝土的抗彎強度、抗沖擊和抗疲勞能力。掌握了鋼纖維的體積摻量比，通過在同一條件下的現(xiàn)場植樁對比，對樁頭的錘擊試驗記錄比較從而使其管樁的韌性得到改善。

　　1.4承臺與上節(jié)樁節(jié)點的抗震結構的優(yōu)化設計

　　1.5承臺與上節(jié)樁內(nèi)腔填芯鋼筋膨脹混凝土增強水平剪力的工藝技術

　　在定型產(chǎn)品和創(chuàng)新產(chǎn)品上對樁頂與承臺的連接，進行了錨固筋的結構優(yōu)化，對不同型式的截樁進行了改進，樁與承臺連接處承臺下的樁身上部，包括承臺填芯的結合部，即鋼筋膨脹混凝土的灌芯處在地震作用下產(chǎn)生的位移和剪切應力，變形性能對抗震性能的影響，進行優(yōu)化填芯長度、混凝土強度及配筋率等，并對其抗震性能進行分析。

　　1.6預應力管樁的抗震試驗

　　試驗采用在不同軸壓比下進行低周往復加載方式對試件進行加載，直至試件承載力下降至最大承載力的85%，或達到不適合繼續(xù)承載的變形限值，認為試件達到破壞，停止試驗。

　　對樁端的抗震試驗，即樁與承臺之間的連接破壞試驗，是取管樁與承臺的組合體，管樁倒置，樁頂施加軸壓力并保持恒定，然后在樁頭施加水平往復荷載，以確定不同變形下管樁樁端的受力性能、在壓彎剪等復合作用上的破壞形態(tài)和破壞機理。管樁樁身的抗震試驗，模擬地震作用下，樁底嵌固于堅硬巖石層，樁頭位移受上部結構約束情況，由于樁在土中變形和內(nèi)力曲線為正弦形狀，將正弦曲線兩個反彎點之間樁身視為簡支梁，采用跨中施加往復集中荷載的加載方式模擬地震作用下樁身彎曲和剪切變形，撓度、支座處轉(zhuǎn)角，裂縫開展形式和寬度，鋼筋和混凝土應變，塑性鉸區(qū)轉(zhuǎn)角。管樁的開裂彎矩、剪力，極限彎矩、剪力等。研究管樁樁身的抗震性能，同時在樁的外側施加軸向壓力以模擬樁軸向荷載。

　　這些試驗是在天大建筑工程試驗室進行，一面剪力墻、簡支梁、加載梁若干、2000kN千斤頂、位移計若干、轉(zhuǎn)角儀若干、數(shù)據(jù)采集儀一臺、支座臺等。

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　　1.7 抗震管樁的數(shù)據(jù)采取和分析

　　通過在前期預埋在預制構件中的應力片，同時對高強鋼棒、管樁混凝土在千斤頂進行往復加載的情況下和位移計三組通過信號線導入數(shù)據(jù)采集器，再經(jīng)電腦進行坐標繪制成耗能圖，即滯回曲線，然后通過滯回曲線很直觀的看到管樁在往復荷載受力下延性的變化關系情況。

　　通過上述PHC管樁荷載--位移關系滯回曲線分析，滯回曲線有的有捏縮現(xiàn)象，證明有明顯的脆性破壞。隨著荷載的增加，最后鋼筋被拉斷，樁承載力突然下降。如圖27（b）p402有的滯回曲線的面積很小，有的經(jīng)創(chuàng)新后滯回曲線的面積很飽滿，延性變形很慢，如(a)p401，進行了成本和性能分析研究。同時對荷載--轉(zhuǎn)角的關系曲線、骨架曲線、位移延性、強度及剛度退化，分析殘余變形及往復加載中的累計損傷，累積耗能和等效粘滯阻尼耗能，分析PHC管樁的創(chuàng)新改進效果和抗震性能。圖2-圖10是我們進行室內(nèi)工廠對樁身和節(jié)點的各類設計和預制構件的制作，圖12-圖17在工廠內(nèi)對樁端膨脹混凝土填芯、配筋等不同型式進行軸壓低周往復的加載試驗，圖18-圖26是管樁樁身自身剛度的試驗，通過對承載力、變形能力、延性性能、剛度退化、耗能能力等性能指標，在低周往復作用下依據(jù)試驗結果和實測數(shù)據(jù)對抗震管樁進行綜合評價。經(jīng)工廠做預制構件，學校試驗室做試驗分析，掌握了各種特征和性能，建立了有限元分析模型，完善試驗分析結果并提出了設計方法和構造要求和優(yōu)化技術方案，為管樁的抗震設計提供了依據(jù)。這一管樁的抗震試驗填補我國在這一領域的空白，所采取到的數(shù)據(jù)真實、完善。通過試驗我們擁有了許多創(chuàng)新優(yōu)點，其中一種摻非預應力筋抗延性增強剪力管樁鋼筋籠，一種箍筋配筋抗震管樁，一種摻纖維韌性技術抗震管樁，一種與承臺節(jié)點優(yōu)化結構抗震管樁，一種承臺上節(jié)樁內(nèi)腔填芯鋼筋膨脹混凝土增強水平剪力工藝技術抗震管樁等擁有多項自主知識產(chǎn)權。在目前普遍使用的高壓蒸養(yǎng)工藝和使用高強鋼棒的前提下，幾近解決了管樁的韌性、延性、剪力等技術措施。我們還進行了夸常規(guī)的試驗，在免除高壓蒸養(yǎng)和使用單股和多股鋼絞線代替高強鋼棒制作的試驗管樁上，進行了同樣的抗震樁的試驗，和水平往復荷載的試驗，符合設計要求。為地方規(guī)程的修編提供了依據(jù)，也為行業(yè)管樁自身的剛度驗證這一的性能的內(nèi)涵。我們不但做了有代表性的管樁預制構件的，在天大試驗室做了抗震類的試驗，掌握了管樁的性能。同時經(jīng)論證以現(xiàn)場實際為主，做水平推力位移試驗，以單樁對單樁，以單樁對多樁，以多樁對群樁進行水平推力位移試驗，徹底揭開樁周土體因土體的不同密度對管樁水平推力的影響。

　　以上是做管樁自身的剛度試驗，接著我們也做了樁與承臺連接處及承臺下的樁身上部，包括承臺填芯的結合部，在壓、彎、剪等復合作用下導致的破壞，破壞類型經(jīng)分析，主要有樁頭剪力破壞及橫向搖擺導致樁頭（身）壓壞。其中有改進部分的是樁與承臺的連接方試、樁頭內(nèi)的配筋、灌填芯的長度比例及承臺對水平承載力的作用分析等。

　　二、水平荷載作用下預應力高強混凝土管樁群樁受力性能試驗研究

　　2.1水平荷載下的土體位移

　　隨著研究的不斷深入，考慮了樁基在水平荷載作用時的受力情況，除承擔上部結構傳遞的豎向荷載外，上部結構與樁基之間的相互作用，即樁基的承載力和變形應由樁和樁周土體共同承擔，為此我們還做了相關的試驗，來研究樁基在水平往復荷載作用下的預應力高強混凝土管樁的群樁效應和受力性能試驗研究及群樁的抗震性能。這項樁基礎試驗是前期管樁剛度試驗的繼續(xù)，我們與河北工業(yè)大學共同研究了管樁在現(xiàn)場試驗中的抗震性能和破壞機理，為實際設計和施工提供一定的參數(shù)，從而使得預應力混凝土管樁更加安全有效的在高層建筑的樁基工程中使用。管樁的抗彎能力取決于樁和土的力學性能、縱筋配筋率、樁的自由長度、抗彎剛度，樁徑、樁頂約束等因素，還包括樁的截面剛度、材料強度、樁側土質(zhì)條件、樁的入土深入度、樁頂約束情況等。如土的應力-應變，樁土之間的接觸，分離的間距，樁體施工方法對周圍土體的影響等，所以這次試驗條件的應盡可能和實際工作條件接近，將各種影響降低到最小的程度，使試驗結果能盡量反映工程樁的實際情況。

　　2.2試驗設計

　　試驗設計了單樁和群樁在水平往復荷載作用下的受力性能。單樁變化參數(shù)為樁的直徑，而群樁主要變化樁的數(shù)量、間距以及直徑，具體試驗參數(shù)如表1 所示。

      其布置如圖28所示：

　　試驗場地大約占地22m×18m，基坑深度約為1.5m（根據(jù)承臺的高度確定），沉樁方式為靜力壓樁法成樁。

　　試驗采用低周往復加載方式對試件進行加載，采用位移控制，每級荷載循環(huán)15次，當達到預定位移且讀數(shù)穩(wěn)定時，荷載持續(xù)10-20秒后卸載。

　　2.3技術路線

　　通過試驗和有限元分析相結合的手段，對預應力高強混凝土管樁在水平往復荷載作用下的受力性能進行分析，技術路線如圖29所示。

　　2.4 試驗設備

　　為保證試驗的順利進行，需要2000kN千斤頂兩個、位移計若干、轉(zhuǎn)角儀若干、數(shù)據(jù)采集器一臺以及加載梁若干。

　　2.5 試驗測定項目

　　試驗測定的項目主要有：單樁的承載力、樁頭的位移、轉(zhuǎn)角以及沿樁身長度方向的應變等。

　　2.6 研究的內(nèi)容

　?。?）樁徑對 p-y 曲線以及單樁承載力的影響；

　?。?）研究樁間距離群樁效應的影響，得出群樁效應下 p-y 曲線；

　?。?）確定往復荷載作用下樁和土之間的間隙對 p-y 曲線的影響；

　?。?）研究不同樁徑、樁數(shù)下群樁的 p-y 曲線；

　　（5）得出不同樁數(shù)下群樁的 p-multipliers 系數(shù)；

　?。?）研究單樁和群樁的破壞情況

　　三、結束語

　　管樁自身剛度和水平承載力的位移驗證試驗及優(yōu)化創(chuàng)新后的技術改進將對管樁行業(yè)的發(fā)展會作出重大的貢獻。特別是對環(huán)渤海灣的厚層軟土和液化土層地區(qū)、高烈度抗震設防地區(qū)及抗浮、抗撥和樁周土體的密度、土的力學性能等有了更深的了解和認知，對天津的地方規(guī)程及各類預制樁有了一個最終的綜合評價。

　　參考文獻

　　[1] 橫山幸滿，樁結構物的計算方法和計算實例，唐業(yè)清，吳慶蓀譯，北京：中國鐵道出版社，1984

　　[2] 凌賢長，王臣，王成，液化場地樁-土-橋梁結構動力相互作用振動臺試驗模型相似設計方法，巖石力學與工程學報，2004，23（3）：450-456