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1、抗拔管桩的承载力及结构构造王 离(广东省土木建筑学会，广州510160)摘要：结合广东省标准锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程的修订，对抗拔管桩单桩竖向抗拔承载力的确定以及抗拔管桩的结构构造包括桩身结构、接头、桩头与承台的连接作了较详细的介绍，提出了具体的质保措施，可供抗拔管桩的制作、设计、施工、监理和检测等人员参考。关键词：抗拔管桩；单桩竖向抗拔承载力特征值；电焊接头；机械啮合接头；桩顶填芯混凝土中图分类号：TU525 文献标识码：A 文章编号：1000-4637【2008)0432050 前言在建筑工程中尤其是无上部结构的地下室以及地下停车场、污水处理池、深井泵房、船坞、人防和地铁工程；高
2、耸结构如输电线铁塔、电视塔、烟囱的基础；锚锭基础以及在水平力作用下出现上拔力的建(构)筑物基础，如码头、挡土墙等，都有可能遇到工程结构的抗浮抗拔问题。抗浮抗拔措施视具体情况而定，型式种类多样，最常见的是设置锚杆和抗拔桩。常用的抗拔桩型式主要有钻(冲)孔灌注桩、预制方桩和预应力管桩等。抗拔管桩在广东乃至全国可说方兴未艾。据统计，广东现有管桩生产厂约55家，近五年来，每年生产销售管桩总量均在7000万延米以上，2007年多达9748万延米。建筑工程中用得最多的是 4()0和 5()0管桩，约占总销售量的75左右。目前管桩基础90以上是承受压力为主的承压桩，抗拔桩的数量不到总应用量的10。但抗拔管桩
3、只要在质量保证的前提下，会显示出其施工方便、工期短、造价便宜等许多优点，大有发展前途。可以预计，随着人们对抗拔管桩认识的不断加深，其应用量会逐年增多。本文重点对抗拔管桩的承载力计算及其结构构造，结合修订广东省标准锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程(以下简称新广东规程)的体会，作一些介绍和探讨。1 抗拔管桩的单桩竖向抗拔承载力抗拔管桩竖向抗拔承载力应根据桩身与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，取两者中较小者。11 抗拔管桩竖向抗拔承载力特征值其确定方法有以下3种：通过现场竖向抗拔静载试验确定；通过经验公式进行计算；通过高应变动测法进行估算。111 通过现场抗拔静载试验确定重要的
4、工程或经验不足、地质条件复杂的地区，单桩竖向抗拔承载力特征值应通过现场抗拔静载试验确定，抗拔试验桩的数量，试验的开始时间、试验加载方法、加载终止条件等，各种地基基础设计规范或桩基检测技术规范都有规定，可按要求进行操作。广东各地近几年来做了许多根管桩的抗拔静载试验，下面列出某工地用机械啮合接头连接的3根400AB型PHC桩的试验资料。桩采用D50柴油锤施打。典型土层从上至下依次为：素填土（2.20m）、饱和粉细砂（6.10m）。可塑粉质粘土（4.90m）、硬塑粉质粘土（3.70m）、全风化泥质粉砂岩（2.20m）、强风化泥质粉砂岩（1.10m）。其试验结果见表1。表1 管桩的抗拔静载试验桩号 桩
5、径 桩入土 单桩抗拔 最大上抜 残余上抜 特征值对应 单桩极限抗 /mm 长度/m 力特征值/KN 量/mm 量/mm 的上抜量/mm 抜承载力/KN 1 400 19.0 300 2.31 0.84 0.70 600 2 400 20.0 300 2.02 0.58 0.63 6003 400 21.0 300 2.29 0.53 0.56 600 从表1可看出，在这样的地质条件下400管桩的抗拔承载力特征值达300KN时，桩顶的上扒量很小（3.0mm），啮合接头的抗拔位移也是很小的。1.1.2 通过试验公式进行计算 单桩竖向抗拔承载力特征值计算，新广东规程推介如下经验公式： Rta = U
6、pisiq sial i + 0.9Gp 式中 Rta 单桩竖向抗拔承载力特征值； Up 管桩桩身外周长；i 抗拔摩阻力折减系数，按表5.2.7取值；si管桩第i层土（岩）的侧阻力修正系数值；qsia 管桩第i层土（岩）的侧阻力特征值，如无试验参数时可按表5.2.3-1取值；l i 管桩穿越第i层土（岩）的厚度；Gp管桩自重设计值，地下水位以下部分应扣除水的浮力。 表2抗拔摩阻力折减系数i土岩的类别 i强风化岩、花岗岩残积土 0.50-0.70砂土 0.50-0.70粘性土、粉土 0.50-0.70砂土和粘性土中的抗拔摩阻力折减系数广东规程取值较其他规范大一些，是因为管桩挤土效应大、穿透和入岩
7、能力强的缘故。1.1.3 通过高应变动测法进行估算。 高应变动测法可以测出承压桩的竖向抗压极限承载力，还可以提供桩侧摩阻力和桩端阻力值等数据与信息。从理论上讲，承压桩的桩侧摩阻力乘以抗拔摩阻力折减系数i就是抗拔桩的承载力，为安全计，i可以取较小值，如0.5-0.6。采用高应变动测法检测承压桩的承载力和壮肾完整性，具有测试费用便宜、速度快、检测精度能满足工程需要等优点，只是用于抗拔桩的承载力的检测，还需进一步积累经验和技术数据，提高检测桩摩阻力和端阻力的分辨率和检测精度，但这是一个发展方向。1.2 抗拔管桩桩身抗拉强度的计算1.2.1抗拔管桩桩身抗拉强度计算公式 抗拔管桩桩身抗拉强度有以下3种计
8、算模式：（1） 按桩身不出现拉应力为控制条件（2） 按桩身不出现裂缝为控制条件；（3） 按桩身裂缝小于0.2mm为控制条件新广东规程采用上述第（1）种计算模式，要求抗拔管桩受力后桩身混凝土不出现拉应力；同时，忽略预应力钢筋的抗拉作用。其计算公式：RppcARp管桩桩身竖向承载力设计值，pc管桩混凝土有效预应力值A管桩横截面面积对于一些临时性建筑的抗拔管桩，也可按上述第（2）种计算模式即桩身不出现裂缝为控制条件来进行计算：Rp（pc+ ft）A式中，fc桩身混凝土抗拉强度设计值，C80混凝土的ft=2.22Mpa。值得注意的是：当抗拔管桩承受最大的Rp时，端板锚固孔与钢筋墩头连接处的抗剪强度是最
9、薄弱的环节，容易先冲切破坏。1.2.2 管桩混凝土有效预压应力值的计算 管桩桩身混凝土有效预压应力计算比较复杂，不同人计算往往会得出不同的结果。国家标准GB50010-2002混凝土结构设计规范的算法适合于普通混凝土结构，不适合离心成型、高压蒸养的管桩。目前管桩界一般是套用日本的计算方法，但也很烦琐，新广东规程提出了一种计算管桩混凝土有效预压应力的简化公式：pc=0.56nAaFptk/A800nAa/A 式中 pc-管桩混凝土有效预压应力值； n-预应力钢筋数量 Aa-单根预应力钢筋的公称截面面积；Fptk-预应力钢筋的抗拉强度标准值，取1420Mpa；A- 管桩截面面积，按管桩直径和壁厚的
10、理论面积计。这是按张拉应力的20%作为预压应力损失值来估算的，而张拉力一般以达到预应力钢筋抗拉强度标准值的70%时的总拉力来控制的，故0.7*（1-0.20）=0.56。用此公式计算结果与国家标准GB13476先张法预应力混凝土管桩（送审稿）所推荐的计算方法计算的结果基本一致，但此方法简单实用，尤其在抗拔管桩抗拉强度计算中显出快捷的优点。1.2.3 管桩桩身结构对应的单桩竖向承载力最大特征值的计算 为便于应用，提出一个相当于桩身结构对应的单桩竖向抗拉承表3不同规格管桩的RB管桩的规格 型号 预应力钢筋配筋 RB/KN 400-95 AB型 710.7 378 B型 1010.7 540 500
11、-100 AB型 1110.7 594 B型 1112.6 825 500-125 AB型 1210.7 648 B型 1212.6 900载力最大特征值RB。 RBRP/1.35=pcA/1.35 =（800nAa/ A）A/1.35600nAa式中，n-预应力钢筋数量； Aa-单根预应力钢筋的公称截面面积。 利用RB600nAa计算400、500AB型、B型PHC桩的RB见表31.3 抗拔管桩在广东的应用概况（1）锤击法、静压法施工的管桩桩基均可作抗拔管桩。静压管桩对接头的保护要好些，故静压管桩作抗拔桩一般来说质量会好些；但锤击管桩入土较深，抗拔承载力较大些。 （2）承压桩承载力主要由桩周
12、桩端岩土摩擦支承力来决定，桩身抗压强度一般不是控制条件；而对于抗拔桩，除短桩外，抗拔承载力一般是由桩身的抗拉强度所决定的，而桩身抗拉强度也往往由接头能力所左右的。当然，也是由桩周摩阻力决定的特殊地质条件下（如厚淤泥层）的抗拔桩。 （3）从广东的应用情况看，用的较多的抗拔管桩是400-95和500-125的AB型PHC桩，其单桩竖向抗拔承载力特征值的应用范围分别为： 500-125AB型抗拔桩，Rta=400650KN 400-95AB型抗拔桩，Rta=200350KN但具体应随工程及水文地质条件、桩径、桩长、沉桩方法、建筑类型等因素而定，一般不宜超出这个范围。2.抗拔管桩的结构构造主要应注意下
13、列3个问题：桩身结构；接头；桩头与承台的连接。2.1 关于抗拔管桩的桩身结构问题桩身结构问题重点在桩身的配筋和端板的质量，同时还要注意预应力钢筋墩头与端板上锚固孔直径的抗拉能力和抗冲切能力。2.1.1桩身的配筋国家标准GB13476先张法预应力混凝土管桩（送审稿）将原来预应力钢筋的混凝土保护层从25mm加大到40mm（300管桩保护层仍为25mm，不宜作抗拔桩），预应力钢筋的分布圆直径也随之内缩，而桩身的抗弯要求基本不变，故钢筋的配置数量略有增多。为保证抗拔管桩的桩身抗拉强度，首先要保证预应力钢筋的数量和钢筋的直径。目前，有些预应力钢筋生产厂生产的钢筋直径过小。为此，新广东规程专门列出每m预应
14、力钢筋的允许最小重量，同时还规定：工地上使用的管桩，均要按一定的百分率抽检钢筋耳朵数量及重量（最好利用截下来的余桩），若抽检钢筋的重量小于允许最小重量，按不合格论处。2.1.2 端板的质量 目前端板质量存在二大问题：端板的材质和端板的厚度。（1） 端板的材质大部分不符合规定 新广东规程规定：端板材质的性能应符合行业标准JC/T947先张法预应力混凝土管桩用端板的规定，该行业标准列出了端板用钢材的化学成分和力学性能，但没有对所用钢材作出具体的要求。因此，有些端板生产厂钻了这个空子，或用铸钢替代Q235钢板，或用拆船板等废旧钢材熔炼的“地条钢”来做端板。其危害性是：可焊性差，焊缝易开裂。端板易腐烂
15、。这样的街头，应用在抗拔桩中，质量隐患显而易见。因此，用于抗拔桩的端板应符合国家标准GB677优质碳素结构钢技术条件及GB700碳素结构钢的有关规定，材料的机械性能不得低于Q235的要求。（2） 端板的厚度普通较薄原广东规程规定：300管桩，端板最小厚度为16mm；400管桩为18mm；500管桩为18mm；600管桩为20mm。实际上，不少厂家连这个最小厚度也达不到。当然这个规定也有不足之处。新广东规程不是按管桩直径来规定端板厚度，而是根据预应力钢筋的粗细来规定端板的厚度，比较科学。新广东规程规定端板的最小厚度见表4。表4 端板最小厚度钢筋直径/mm 7.1 9.0 10.7 12.6端板最
16、小厚度/mm 16 18 20 24（3）端板桑的锚固孔与钢筋墩头的连接是抗拔管桩抗拉强度的一个“瓶颈”。预应力钢筋两端部经电热挤压成半球状的墩头，通过墩头与端板上锚固孔的连接，是端板与预应力钢筋形成一个结构体，张拉力通过端板再传到预应力钢筋墩头上，如果端板太薄，锚固孔地板抗剪强度不足，就同意将墩头拉脱。但一般情况下，总拉应力为0.7nAaFptk，张拉时，如果端板与墩头之间不出现拉脱情况，那么按新广东规程所规定的桩身抗拉强度计算公式（Rp=pcA）计算的抗拔桩的抗拔力（0.56nAaFptk），是小于张拉力的，此时端板与墩头之间的连接是安全可靠的，若采用Rp=（pc+ ft）A作抗拉强度计算
17、公式计算出来的抗拔力，有时可能打过张拉力，尤其是A型桩，端板与墩头直径的连接就不一定可靠。可见，新广东规程推荐的桩身抗拉强度计算公式并不保守，而是与“墩头与锚固孔”的抗拉能力相匹配。 值得一提的是：有些管桩生产厂家在预应力张拉时，偶有一、二根预应力钢筋被拉脱或拉断，按理应作报废处理，但也有继续离心成型作成产品出厂。这种不合格的管桩，作为承压桩，其危害性还不是一下子显现出来，但作为抗拔桩，当承受较大抜力时，其余完好的预应力钢筋也会发生“多米诺”效应而被拉断。2.2 关于抗拔管桩接头问题 单节管桩基础没有接头问题，若用二节以上的管桩作抗拔桩，就有一个桩节联结的接头问题。承压桩的接头质量若不大好，其
18、危害性一时显不出来；抗拔桩的接头质量有问题，容易出现断桩而失效。所以抗拔桩的接头质量至关重要。 接头型式，目前国内主要是采用电焊焊接接头。焊接方法主要有手工电弧焊和二氧化碳气体保护自动焊。近几年来，全国各地又发明了一些机械快速接头，新广东规程推“机械齿合接头”。电焊接头质量问题主要有：焊缝坡口尺寸太小；电焊施工质量差，不饱满；焊缝保护措施不力等。2.2.1 焊缝坡口尺寸太小 端板外周上沿留有一圈供电焊的坡口（槽）。新广东规程规定了各种管桩的具体坡口尺寸（高*深），并且要求坡口根部有R=3MM的弧形。实际上，不少端板生产厂家对坡口尺寸的加工不重视，普遍偏小，连4焊条也放不进去，造成焊缝强度的先天
19、不足。2.2.2 焊缝施工质量差 新广东规程对焊缝的施工方法和施工质量提出了许多要求，特别要求焊缝层数不得少于2层，300以上管桩宜为2层3道，焊缝要连续饱满，按规程设置的坡口尺寸加上焊缝饱满，焊缝的抗拉强度会远大于桩身的抗拉强度，所以焊缝强度不必验算，关键是要保证焊缝的施工质量。焊接时间不足，“草草了事”是当前焊缝施工中的突出问题，为此，新广东规程还是明确规定量个焊工同时作业时各种直径的管桩正常情况下的施焊时间。如400管桩，两个焊工同时施焊时，需要12-15min。2.2.3 焊缝的保护问题焊缝的保护问题许多人不大注意和重视，其实也很重要。首先是焊好的接头应自然冷却后才能继续施打，自然冷却
20、时间，旧广东规程规定不应小于8min，新规程规定不少于5min。而有的工地焊完就打，高温的焊缝遇水急剧冷却会使焊缝变脆，锤击时易开裂，受拉时焊缝易被拉断。其次是打桩施工时要注意对焊缝的保护，如保持桩身垂直，力戒偏心锤击；宜“重锤低击”，严禁“轻锤高击”；静压施工时夹具应避开接头。综上所述，抗拔管桩接头比承压桩要求更高更严，因此，必须做到：（1） 端板的材质、板厚、坡口尺寸等要求严格按有关规范的要求设置。（2） 新广东规程规定，抗拔桩的接头宜选用机械齿合接头（笔者按：最好外加电焊实行双保险）；若采用电焊焊接时，焊缝坡口尺寸宜按规定的坡口尺寸各向加大1mm，或由设计人员提出要求进行特制；若坡口尺寸
21、不加大，则接头焊缝应做10%数量的探伤检查。（3） 保证焊接施工时间和焊缝质量。2.3 关于抗拔桩桩头与承台的连接问题旧的广东规程对抗拔桩桩头与承台的连接有两条规定：一是管桩与承台连接时，桩顶嵌入承台深度宜取100mm；另一条是对于抗拔桩，应将桩的纵向钢筋全部直接锚入承台内。锚固长度不得小于50倍纵向钢筋直径不小于500mm。这第二条规定现在看来有些问题。问题之一是按现行国家标准GB50010-2002混凝土结构设计规范（9.3.1条）规定的计算公式计算出来的预应力受拉钢筋的锚固长度太长，表5是计算结果。 表5 钢筋锚固长度承台混凝土强度等级 C20 C25 C30 C35 40 锚固长度/m
22、m 146d 126d 113d 103d 94d 表中d为预应力钢筋直径，常用的承台混凝土强度等级为C30，则C30混凝土中的预应力筋锚固长度为113d，当钢筋直径为9.0mm时，锚固长度为102cm；当钢筋直径为10.7mm时，锚固长度为120cm。用人工手锤敲碎50cm长度的C80预应力高强混凝土已够辛苦费时了，要用手锤敲碎100cm以上的桩身混凝土就更困难费时，因此施工人员不愿接受。另外施工人员不愿接受。另外，要求保留的管桩余桩较长，造成浪费；若余桩小于1.0m，预应力锚固钢筋的接长也是个问题。问题之二是用预应力钢筋直接锚入承台内的做法不符合防腐要求。我们的希望是抗拔桩受最大拉力时，桩
23、身混凝土不出现拉应力，至少不出现桩身裂缝。而预应力管桩桩头上的混凝土被敲掉以后，桩头以下一段桩身混凝土中的预应力会消失。桩头处预应力消失范围可根据国家标准GB500102002混凝土结构设计规范(619)公式，来计算预应力传递长度(Ltr)。因公式中有些数据不大确定，估算Ltr的最大经验值约300mm。规范还规定，当采用骤然放松预应力钢筋的施工工艺时，Ltr的起点应距构件末端025 Ltr处开始计算。因此，管桩桩头处混凝土应力消失区应为125 Ltr，其值约400mm。当采用预应力钢筋作锚固抗拔筋且桩身承受最大抗拔力时，因此时管桩桩头顶部的拉力最大，于是这部分消失了预应力的桩身顶部40cm范围
24、内的混凝土必然会出现裂缝，除非桩身外面进行必要的加固，否则管桩的耐久性就会降低。新广东规程对抗拔桩桩头与承台的连接作了较大变动，废除了用预应力钢筋直接锚入承台内的连接方法，一律采用锯掉余桩后在桩顶填芯混凝土中埋设连接钢筋的连接方式。填芯混凝土长度一般均有2m以上，当连接钢筋承受最大抗拔力时，抗拔力是通过填芯混凝土柱体和管桩桩顶2m多高的内壁之问的粘结摩阻力传递到管桩桩身上。一般来说，桩头顶部40cm范围内的粘结摩阻力较小，尽管此段桩身已消失预应力，但可靠桩身混凝土自身的抗拉力阻止桩身的开裂。 抗拔桩桩头与承台之问的连接示意如图1。 切割后的桩顶 混凝土垫层 填芯混凝土，大于等于30 连接钢筋
25、鉔筋6200（8200） 托板抗拔管桩桩头与承台的连接示意图采用桩顶填芯混凝土中埋设连接钢筋的连接方法，其主要优点是施工方便。同时，桩顶40era范围内预应力肖失区的桩身混凝土基本上不会出现裂缝。抗拔管桩桩顶填芯混凝土长度和连接钢筋总公称截面积可通过下列经验公式计算确定：， Qt Qt La = ；As fnUpn F式中，La桩顶填芯混凝土长度，不应少于2Om；Qt一相应于荷载效应基本组合时单桩竖向拔力设计值；为简化计，也可取Q=135Rta；Rta单桩竖向抗拔承载力特征值；fn填芯混凝土与管桩内壁的粘结强度设计值，宜由现场试验确定。当缺乏试验资料时，C30掺微膨胀剂的填芯混凝土，fn可取0
26、30-035Nmm2；Upn管桩内孔圆周长；As管桩内孔连接钢筋总公称截面面积；F一钢筋的抗拉强度设计值，HRB335(20MnSi)的F=300Nmm2。填芯混凝土质量的好坏也是抗拔管桩成败的关键。填芯混凝土应是无收缩混凝土(掺微膨胀剂)，应密实饱满，其强度等级不得低于C30；同时，桩顶内孔不应存在较厚的未倒清的泥浆。填芯混凝土长度计算值小于20m时应取20m；埋入桩顶填芯混凝土中的连接钢筋长度应与桩顶填芯混凝土长度相同；连接钢筋锚入承台内的长度不得小于40倍钢筋直径；连接钢筋数量不得少于4根，箍筋一般为6200，若连接钢筋为5根，则箍筋应为8200。填芯混凝土应在浇筑承台垫层后进行灌注捣实
27、，不得与承台混凝土一起浇灌。重要的工程，应进行填芯混凝土柱体的抗拔试验。3结语(1)抗拔管桩的抗拔承载力宜通过现场抗拔静载试验确定，也可采用经验公式进行计算；用高应变动测法进行抗拔承载力的估算是今后的研究课题之一。(2)抗拔管桩桩身抗拉强度应按桩身不出现拉应力为控制条件的计算模式符合当前管桩生产的现状，是较为合适的。(3)抗拔管桩的桩身结构、接头以及桩头与承台的联结质量是关系到抗拔管桩成败的关键问题。4 成品处理及检验(1)内衬管拆模后要对管内壁PVC胶片的搭接口进行清理和焊接，使得管内衬形成一个封闭的整体。(2)内衬管的检测除常规的外观尺寸外，一般还要进行以下检测项目：外压荷载、内水压、电火
28、花绝缘检测、固定键抗拉拔强度检测等。具体可以按国标GBT11836及地标DBJ15-532007的规定进行。5 工程应用及前景在国内，PVC内衬管的应用只有短短的两年，但发展的势头很强劲， 目前在广东省东莞市的污水工程中基本全部采用这种管材，而在深圳市、湛江市等地也正在推广使用。另外，在福建、宁波等省市也正逐步采纳应用。在需要采用顶进法施工的污水工程中，采用PVC内衬管具有更加明显的优势，在保持传统混凝土管的施工条件基础上，很好地解决了防腐蚀的问题，而且增加的费用也不多，因此大有发展前途。6 结语因PVC内衬管的应用时间还不长，需要同行们继续努力，改进生产工艺，提高生产水平和管材的质量，同时应积极组织专家，修编相关的材料标准、产品标准、检测标准和施工验收标准，以便进一步规范市场。