（机械工程专业论文）预应力混凝土管桩的应用与实践.pdf

哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 摘要 随着各种高、大建筑物越来越多，建筑物的基础工程越来越重要，深基坑 支护、地下连续墙、逆作法等工艺先后被采用。现在广泛应用的钻孔灌注桩、 振动沉管灌注桩等固有的缺陷十分突出，主要表现在施工速度慢，场地污染严 重，成桩质量难以保证，材料浪费大等方面。常规的打入式预制实心桩，因打 桩机的超量噪音和土体震波，不仅对周围环境影响大，而且对周围建筑物有重 大损害，使这一工艺难以推广应用。 本文结合国内和黑龙江省新型建筑桩基础设备发展的实际情况及先进的 静压施工工艺，对预应力混凝土管桩的设计与施工技术进行了探讨与分析，着 重论述了预应力混凝土锥形管桩技术，展望其今后在我省建筑中的发展趋向， 完全可逐步取代其它基础桩型。静力液压管桩市场潜力巨大。 预应力混凝土管桩技术经过多年来的不断改进、应用，其可靠性、安全性、 实用性是其它桩基础所无法相比的，该技术在国内处于领先地位，并于1 9 9 3 年被建设部列为重点推广技术，市场前景十分广阔。 本文回顾了预应力混凝土管桩的发展历史并介绍了预应力混凝土管桩的 设计方法和施工及检测工艺，着重介绍了一些工程中经常出现的质量问题及处 理方法。 在工程实践中，应用管桩基础基础的工程其单桩承载力显著提高，满足设 计要求，显示出了其他桩基础所无法比拟的优势。桩试验的各项指标均满足国 家规范的规定。 关键词：预应力混凝土管桩；预应力混凝土锥形管桩；承载力；静压法施工 哈尔滨r 秤大学硕十学竹论文 a b s t r a c t w i t ht h ea p p e m - a n c eo fm o r ea n dm o r eh j 【曲a n dl a r g eb u i l d i n g s ，t h eb u i l d i n g f o u n d a t i o ne n g i n e e r i n gi sg e t t i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h et c c h n o l o g i e so f s h o r i n go fd e e pa e n c h , c o n t i n u o u sc o n c r e t ew a l l ，t h eo p p o s i t em e t h o da n ds oo n a r e a d o p t e ds u c c e s s i v e l y t h ec o n n a t a r a lb u g so fd r i l l i n gc a i s s o np i l e ，t h ev i b r a t i o n s e t t l i n gt u b ef i l l i n gp i l ea n ds oo nt h a ta l eu s e dw i d e s p r e a dn o w a l ea p p a r e n t m o s t o f t h e ma l et h a tt h eg r o u n di sp o l l u t e ds o r i o u s l y , t h eq u a l i t yo ft h ep i l ec a nn o tb e p r o m i s e d , a n dt h em a t e r i a l sa r ew a s t e ds e r i o u s l ya n ds oo i l t h ee x c e s sn o i s ea n d v i b r a t i o nw a v eo ft h em a c h i n eo ft h en o r m a li n f i l t r a t i n gp r e f a b r i c a t i n gs o l i dp i l e h a v eh e a v yh a r m st ot h es u r r o u n d i n g sa n dt h eb u i l d i n g s t h u si ti sd i f f i c u l tt h a tt h i s t e c h n o l o g yi su s e dw i d e s p r e a d p r a c t i c a ls i t u a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to nn e wc o n s m m i o np i l e f o u n d a t i o n e q u i p m e n ta n da d v a n c e ds t a t i cp r e s s u r e c o n s t n 】c t i o nt e c h n o l o g ya l ec o m b i n e d , t e c h n o l o g yo f t h ee q u a lp r e s t r e s s e dc o n c r e t ep i p ep i l eb ec o n v e r t e d , a n dt e c h n o l o g y o f p r e s t r e s s e dc o n c r e t et a p e rp i p ep i l eb ed e v e l o p e d , f r o mi t st r e n do f d e v e l o p m e n t i n o l l a p r o v i n c e w e 锄s e et h a to t h e rf o u n d , z a i o np i l e sa l es u b s t i t u t e dw h o l l yb yi t b u i l d i n gc o n s t r u c t i o na r e a i s6 0 0m y r i a da n n u a li nh a r b i n , s ot h em a r k e tc a p a c i t yo f i s h u g e w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n t ，a p p l i c a t i o no nt e c h n o l o g yo fp r e s u e s s e d c o n c r e t et a p e rp i p ep i l e , i th a v es u p e r i o r i t yo nr e l i a b i l i t y , s a f e t ya n dp r a c t i c a b i l i t y t h a no t h e rf o u n d a t i o np i l e s ，w h i c hl e ti th a v et h el e a d i n gp o s i t i o ni nd o m e s t i cm a r k e t , a n dh a v et h ee x t e n s i v ef o r e g r o u n d t h eh i s t o r yo f t h ed e v e l o p m e n to f p r e s t r e s s e dc o n c r e t et u b u l a rp i l ei sr e v i e w e di n t h i s d i p l o m aw o r k t h ed e s i g nm e t h o da n dt h et e c h n o l o g y o fc o n s m x t i o n a l d e t e c t i o no f u | p e r _ e dp r e s t r e s s e dc o n c r e k et u b u l a rp i l ei si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a n d 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 s o m eu s u a lq u e s t i o n so fq u a l i t ya n dt h et r e a t m e n to ft h e s eq u e s t i o n sa r ee m p h a t i c d i s c u s s e dt o o 1 1 1 ef a c tt h a tt h eo n e - p i l eb e a r i n ge a p a c 时o f 舭f o u n d a t i o n sc o n s t r u c t e db yt h e m e t h o di n t r o d u c e di nt h i s 群i p e ri sl t r n a r k a b l ee n h a n c e di ss u p p o r t e db ye n g i n e e r i n g p r a c t i c e i n d i c a t o r so f t h ep i l et e s ta i a l lm e e t t h er e q u i r e m e n t st h a ta r ep r e s c r i b e di n c h i n e s ec o d e s k e yw o r d $ ：p r e s t r e s s e dc o n e r e t et u b u l a rp i l e ；t a p e r e dp r e s t r e s s e dc o n c r e t et u b u l a r p i l e ；b e a r i n gc a p a c i t y ：s t a t i cp r e s s u r ec o n s t r u c t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：垄耋塞鍪 日期：2 0 0 7 年5 月2 5 日 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 第1 章概述 1 1 预应力混凝土管桩研究背景及意义 随着经济的发展，各种高、大建筑物愈来愈多，建筑上遇到的复杂地质 情况也愈来愈棘手，建筑物的基础工程越来越重要，其工程造价占整个工程总 投资的比例也越来越大，有的已达4 0 0 6 ，深基坑支护、地下连续墙、逆作法 等工艺先后被采用。现在广泛应用的钻孔灌注桩、振动沉管灌注桩等固有的 缺陷十分突出，主要表现在施工速度慢，场地污染严重，成桩质量难以保证， 材料浪费大，容易出现各种弊病。常规的打入式预制实心桩，因打桩机的超 量噪音和土体震波，不仅对周围环境影响大，而且对周围建筑物有重大损害， 使这一工艺难以推广应用。 预应力混凝土管桩是我国广东省最早于1 9 8 2 年从日本引进的。它与其它 桩基工程相比具有桩质量好，施工速度快，承载力高，现场文明施工等特点。 本文结合国内和黑龙江省新型建筑桩基础设备发展的实际情况及先进的 静压施工工艺，对等径预应力混凝土管桩、预应力混凝土锥形管桩技术及桩 底注浆技术并改进了管桩连接技术，用大量试验数据说明了静压预应力混凝 土管桩的技术具有以下优点：单桩承载力高、施工方法简单、施工灵活、桩 质量检测随机性强、综合工程造价低、环保性好、施工速度快。 展望其今后在我省建筑中的发展趋向，完全可逐步取代其它基础桩型。 静压预应力混凝土管桩，是在国外发展的基础上近五年引入国内开始研发利 用的，预应力混凝土管桩集当代混凝土技术进步与混凝土制品高新工艺于一 体，特别是静力压桩机的高压力匹配，更使该工艺达到了环保施工技术水平， 特别是在地下水位较高、地基有大流塑土层情况下，更具有良好的应用前景。 目前在这种地基条件下常规采用的桩基施工工艺有：泥浆护壁桩、混凝土压 浆桩、超流态桩等，这些类型桩在经济指标上相比，成本均在1 0 0 0 元一左 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 右，而静压预应力混凝土管桩成本在6 0 0 元一，造价节省4 0 左右，而工效 提高2 5 。因而应用前景非常广阔，有取代上述工艺的趋势。哈尔滨市每年 建筑施工面积就在6 0 0 万平方米左右，静力液压管桩市场潜力巨大。同时可 使企业经济效益进一步增加，减少其它桩机施工中对环境造成的各种污染， 为黑龙江省建筑业推行绿色施工做出显著贡献。 1 1 1 项目技术特点及技术创新点 1 技术特点 ( 1 ) 单桩承载能力高：比灌注桩的单桩承载能力高l 2 1 3 。 ( 2 ) 施工方法简单：管桩工厂生产，现场静力压入，消除了现场混凝土 的生产。 ( 3 ) 施工中灵活性好：可根据工程地质条件，调整桩的长度。 ( 4 ) 桩质量检测的随机性强：每根桩静压过程中就可以控制单桩承载能 力和单桩静力试验检测。 ( 5 ) 综合工程造价低：比灌注桩可节省l 4 1 3 。 ( 6 ) 高标准的环保性：无噪音、无振动、无污染。 ( 7 ) 施工速度快：一般压桩速度在0 5 1 0 米分钟。 2 技术创新点 ( 1 ) 在管桩连接上采用机械连接代替了传统的焊接。 ( 2 ) 桩底注浆提高了桩的承载力。 1 1 2 技术成熟性和产品可靠性 预应力混凝土管桩经过多年来的不断改进、应用，其技术性能、施工工 艺己成熟、完善。其可靠性、安全性、适应性是其它桩所无法相比的，该技 术在国内处于领先地位，市场前景十分广阔。 通过工程的实际应用，桩基础的单桩承载力有大幅度提高，桩试验的各 项指标均满足国家现有规范、标准的规定。目前应用在建筑工程上的预应力 混凝土管桩，从试桩上看，成桩率1 0 0 ，避免了桩身破损现象。 1 1 3 项目技术符合国家现有规定、标准的程度 2 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 静力液压预应力混凝土管桩完全符合j g j 9 4 9 4 1 1 及g b 5 0 2 0 2 2 0 0 2 嘲国 家标准，并在环保、文明施工等指标中优于国家标准。 1 2 国外预应力混凝土管桩发展概况 预制混凝土桩基工程与一般基础工程相比，具有桩材质量好、施工快、 工程地质适应性强、场地文明等优点。被广泛应用于各类建筑物和构筑物的 基础工程上。如高层、公共建筑、一般工业与民用建筑、港口、码头、高速 公路、桥梁、重型机床、仓库、护岸等领域。回顾它的发展历史，桩在神圣 罗马时期已开始应用，那是木短桩。1 8 9 4 年h e n n e b i g u e 。1 发明了预制混凝 土桩。1 9 0 6 年，出现了采用配螺旋筋的混凝土桩，桩的形状开始设计并使用 三角形、正方形、六角形、八角形。1 9 1 5 年，澳大利亚人w i l h u m e 发明了 离心密实混凝土的成型方法，很快被用来制造环形管桩、圆锥形桩、竹节形 桩及各种管子和混凝土电杆。目前，离心成型的管桩己成为预制混凝土桩中 最重要，最活跃部分。除实心和空心混凝土桩外，还有混凝土板桩和钢管混 凝土桩。 日本、美国、加拿大、意大利、英国、荷兰、德国、新西兰、俄罗斯是 研究、生产、使用混凝土桩较多的国家。上世纪8 0 年代末期，发展中国家， 如中国、马来西亚、菲律宾等对预应力混凝土管桩的生产应用也普及起来， 而且起步较高。总的来看日本对预制混凝土桩的研究、设计、施工，应用下 过很大功夫，取得了丰富经验，是当今世界混凝土桩方面技术领先国家。1 9 9 6 年1 2 月中国水泥制品工业协会曾组团赴日本考察日本水泥制品，特别是预应 力混凝土管桩的发展现状，日本的经验可供我们借鉴。 日本的发展过程h 1 是：1 9 3 4 年开始制造离心混凝土管桩( r c ) 。1 9 6 2 年 日本又开发了预应力混凝土管桩( p c ) 。开发初期用先张法和后张法同时生产 p c 桩，后来以先张法生产工艺为主。1 9 6 8 年制定了f l s a 5 3 3 7 先张法离心 预应力混凝土管桩标准。由于异型预应力钢筋( v l b o n ) 的开发应用进一步 哈尔滨t 稃大学硕士学何论文 促进了p c 管桩的发展，上世纪6 0 年代末至7 0 年代日本又成功地开发了预 应力离心高强混凝土管桩( p h c 桩) ，1 9 8 2 年制定了j i s a 5 3 3 7 先张法离心高 强混凝土管桩巧1 标准，并于1 9 9 3 年对该标准进行了修订。据日本通产省调 查统计资料表明，1 9 6 5 1 9 9 2 年日本各种管桩年产量在2 0 0 8 0 0 万吨之间。 p h c 管桩开发以来，由于其优良的质量及多变的适应能力，产量猛增。1 9 9 1 年达到最高峰，全国各种桩产量达7 9 0 万吨( 合计0 5 0 0 桩2 3 0 0 万米) 。1 9 9 4 年日本经济受到世界经济波动影响到了最低谷，全国产量5 4 0 万吨；1 9 9 5 年 1 月1 7 日，日本南部阪神强烈地震后，日本管桩及电杆协会对地震建筑物的 基础进行了调查，发现建筑物的基础除了使用管桩的以外都受到了不同程度 的破坏，尤其是现场灌注桩破坏率最高。同时也表明了p h c 管桩在抗震方面 有很大的优势，这也是1 9 9 5 1 9 9 6 年日本管桩产量回升的主要原因。日本现 在基础都大量应用管桩，无论是市内建设或市郊建设在用桩上都有一套比较 好的施工方法来支持，从建筑要求、环境保护、施工质量、施工安全、企业 效益等方面进行综合考虑，制定出了可行的施工方案，这也为管桩可以很好 地应用提供了保障。 日本将预制管桩基本分六大类： 1 r c 桩，即离心钢筋混凝土管桩。 2 p b c 桩，即先张法离心高强顶应力混凝土桩。 3 s c 桩，即钢管离心混凝土桩。 4 p r c 桩，即先张法离心高强预应力钢筋混凝土桩。 5 s t 桩，即变截面桩。 6 s l 桩，即降低负摩擦桩。 预制桩的发展与植桩施工机械发展是相辅相成、相互促进的，这是桩基 工程发展的前提和保障。远在古罗马时代，就有人力和畜力打桩机。1 7 6 5 年 英国人瓦特发明了蒸汽机，而后在预制混凝土桩还尚未开发前，j a m e s n a s m y t h 就发明打木桩用的蒸汽锤，于1 8 4 5 年首次在美国海军的德文港码头 建设上使用。1 9 3 8 年德国朋1 的d e l m a g 公司首先开发了柴油打桩机，1 9 3 4 年 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 前苏联开发了打板桩用的机械振动打桩机。为了克服打击法、振动法产生的 噪音、废气对城市环境的影响，近年来又发明了静压法、预钻工法等先进施 工技术。 1 3 我国预应力混凝土管桩发展概况 上世纪4 0 年代，铁道部北京丰台桥梁厂曾少量生产过直径4 0 0 r a m 钢筋混 凝土离心管桩。该厂又于1 9 6 6 年开始研制用7 高强钢丝为主筋制造直径 5 5 0 m m 预应力混凝土管桩，获得成功并生产至今。6 0 年代末为建设南京长江 大桥需要，大桥工程局三处也开始生产预应力混凝土管桩至今。 1 9 8 4 年广东省构件公司与广东省基础公司、广东省建筑科学研究所合作 首先研制成功现代形式的预应力混凝土管桩( 法兰接口改为为焊接驳接) ，并 于1 9 8 7 年通过广东省建委组织的技术鉴定。继广东省构件公司之后，经济建 设的迅速发展促进了管桩行业发展，全国又一批管桩厂相继诞生。 1 9 9 1 1 9 9 5 年是我国建立管桩厂最多的时期，现已有管桩厂7 0 多家， 与此同时，还发展了一批凹螺纹预应力钢棒厂、高效减水剂厂、磨细石英砂 厂和管桩生产专业设备制造厂，形成了一支强大的行业队伍。 1 9 9 2 年，我国制订了国家标准g b l 3 4 7 6 - - 9 2 先张幽弼汐捕鞠生翻庀”1 。 1 9 9 4 年成立中国水泥制品工业协会预制混凝土桩专业委员会，现已有会 员1 0 0 人，并办有预制混凝土桩专业刊物。 广东省是管桩厂最多、使用管桩最多也最为普遍的省份，早在1 9 9 1 年广 东省建委便组织制定了省标d b j l 5 2 0 1 9 1 建筑地基基础施工及验收规程， 将预应力混凝土管桩编入标准内。1 9 9 5 年又组织了有关科研、设计、管桩厂 及施工单位编写了预应力混凝土管桩基础技术规程( d b j t l s 一2 2 9 8 ) 。 我省于2 0 0 3 年将管桩工程纳入黑龙江省建筑安装工程施工技术操作规 程建筑地基基础工程d b 2 3 t 7 1 5 2 0 0 3 。 建设部自1 9 9 3 年起，已将高强度预应力混凝土管桩列入重点推广项目。 t 9 9 8 年全国约生产预应力混凝土管桩2 0 0 0 万米，其中广东省占7 0 。 哈尔滨t 程大学硕十学 市论文 我国现已研制成功矽1 0 0 0 m m 3 0 m 预应力高强混凝土管桩( 上海三航局预制 厂) ，掺电厂粉煤灰和磨细石英砂应用；矽2 0 0 m m x 2 8 m 大型滚焊机( 南京水泥 制品机械厂研制) 及静压桩机的推广应用等；浙江省推广应用薄壁p c 管桩已 有十多年历史，并有地方法规，独具一格。根据行业的发展，1 9 9 8 年还对国 标g b l 3 4 7 6 - - 9 2 进行了修订，现修订后的g b l 3 4 7 6 - - 1 9 9 9 在1 9 9 9 年开始实施。 1 4 预应力混凝土管桩的分类 在我国，后张法预应力管桩、预应力混凝土板桩尚未开发；钢管混凝土 管桩尚属研制阶段；钢纤维混凝土桩也小批量试用( 多是现浇方桩) ，这里分 类仅以国标g b l 3 4 7 6 1 9 9 9 为依据。 1 4 1 产品品种 管桩按混凝土强度等级分为阻1 预应力混凝土管桩( 代号p c ) 和预应力高 强混凝土管桩( 代号p h c ) 。预应力混凝土管桩的离心混凝土强度等级不得 低于c 5 0 级；预应力高强混凝土管桩的离心混凝土强度等级不得低于c 8 0 级。 因此，区分p c 桩与p h c 桩仅仅是桩的离心混凝土强度。对于几何尺寸、抗弯 等级相同时，p c 和p h c 仅反应承载能力大小。 1 4 2 产品规格 管桩按外径分为3 0 0 、3 5 0 、4 0 0 、4 5 0 、5 0 0 、5 5 0 、6 0 0 、8 0 0 和1 0 0 0 m m 等规格，长度7 1 5 m ，管桩基本尺寸见表1 1 ，其结构形状见图1 1 。 1 4 3 型号 管桩按抗裂弯矩的大小分为a 型、a b 型、b 型和c 型。其含义即是管体 上混凝土有效预压应力大小。日本工业标准j i s a 5 3 3 7 - - 9 4 中规定，a 型混凝 土有效预压应力4 0k g f c m 2 ( 3 9 2 n m m 2 ) ，b 型8 0 k g f c m 2 ( 7 8 5 n g 叨b ，c 型l o o k g f c m 2 ( 9 8 1 n m m 2 ) 。我国在a 型和b 型中插a b 型，据计算a b 的混 凝土有效预压应力为6 0 k g f c m z ( 5 8 8 n j l 1 1 2 ) 。国标g b l 3 4 7 6 - - 1 9 9 8 所规定的 各种管桩外径，不同类型所对应的抗裂弯矩和极限弯矩见表1 2 。 美国预应力混凝土研究委员会预应力混凝土桩分会于1 9 9 4 年制订的预 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 表1 1 管桩的基本尺寸 。小璧厚长度l 井径d ( 皿m ) 童号 ( m ) ( r a m ) p cp h c 7 8 9 l oi li z 1 31 41 5 a0oo o o b0 o o o o 3 0 06 06 0 bo o o o0 co c o oo ao00 oo a b 0o o o o 3 5 0 6 5 6 0 b o o 0 o o c ooo o o o o 0 o 0 o bo o o o 0 0 4 7 56 5 b0 o o 0 o c cc 0 0 ，、 0 o ao 0 0 o 厂、 ov b o00o c o 4 5 08 07 0 bo 0 o oc o c0 o0 0 oc ao o o 0o o 000 boo ooooo 0 0 5 0 0 9 08 0 bo o o ooo0o0 co 0 o o0 o 000 a o o ooo c o o o a b o o000 s 5 0 9 0 8 5 u o o o b o o o o o 00o o c o o o0o000 0 o o ooo o 0 o o a bo00o00 0 o o 6 0 0l bo 0 o o o o 0 o0 co o o 0 o0o o0 0oo+ o000o0 a bo o o oo oo0 o 8 0 01 2 0 1 1 0 b0o 0 oo o000 co 0 00o00 o o o 0 o oo 0 o o o a bo oooo o o o 0 1 0 0 01 4 01 3 0 bo o o oo o o o o co o0 oo o 0 0 0 7 哈尔滨丁= 稃人学硕十学位论文 石氐 1 日一一一一一一刳 卓蔓 = i _ 一一 一一一一一“ 图1 1 管桩的结构形状 f 一壁厚；三一长度：d - 外径 应力混凝土桩设计、制造及设置实用指南“”中规定：对于桩长度4 0 英尺 ( 1 2 2 m ) 以下的混凝土有效预压应力为2 7 4 8 m p a ；桩长为4 0 1 4 0 英尺 ( 1 2 2 m 4 2 m ) 的为4 8 8 3 m p a 。 对管桩质量检验，除尺寸和外观质量外，力学指标方面还是以做抗弯试 验为主，国标g b l 3 4 7 6 - - 9 2 和g b l 3 4 7 6 1 9 9 9 中都规定了标准的试验方法。 对于管桩混凝土有效预压应力值，不能准确的实际测定，所以国标g b l 3 4 7 6 1 9 9 9 规定以计算值来判别，国标g b l 3 4 7 6 - - 1 9 9 9 的编制说明中说明了计算 方法参照j i s a 5 3 3 7 - - 1 9 9 5 的编制说明。 富文权( 1 9 9 5 ) “”在预应力混凝土管桩设计的几个问题中也说明了管桩混 凝土有效预压应力应考虑混凝土弹性变形、混凝土徐变、混凝土干缩和预应 力钢筋松弛等四个因素。此外，计算中采用的混凝土弹性模量、预应力钢筋 的弹性模量可参考g b 5 0 0 1 0 2 0 0 2 混凝土结构设计规范、g b t 5 2 2 3 3 - - 2 0 0 5 预应力混凝土用钢棒、h s c c 9 3 一l 高强混凝土结构设计指南。计算中采 用的混凝土徐变系数、混凝土干缩率、预应力钢筋的净松弛系数，在 j i s a 5 3 3 7 1 9 9 5 编制说明中没有给予具体的规定，经过大量的调研和验算， 建议在具体的设计过程中，可参考取用下列参数： 混凝土徐变系数：= 2 0 ； 混凝土干缩率；f = 1 5 1 0 1 ： 预应力钢筋的净松弛系数：九= o 1 5 。 8 身 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 表1 2 管桩的抗弯性能 蚪径 童号 抗董膏矩鼠聿旭 f )( k n m )( u m ) 2 a a b2 bs 3 加 b3 35 9 c7 0 a3 55 2 仙姑 m b 9 0 c5 81 1 6 5 2 b s 3 1 0 4 b7 51 3 s cs 7 7 2 1 0 7 a b 8 81 4 5 4 钟 b c甜0 1 4 8 bj2 1 5 b1 4 4 2 5 s c1 6 5 a】2 5l 柚 a b 1 5 42 “ 辐o b1 8 2 3 2 8 c 1 2 2 l “ 2 4 6 a b 3 3 z o b2 3 94 3 0 c2 7 6s 5 2 75 5 l3 m b5 3 59 6 2 c盯912 3 8 6 8 91 0 3 0 柚 8 5 1 3 9 4 t 0 0 0 日91 0 0 3i l m s c 1 1 6 12 3 2 2 9 哈尔滨丁稃大学硕十学竹论文 1 5 预应力混凝土薄壁管桩 宁波浙东水泥制品厂和铁道科学研究院合作，在2 0 世纪8 0 年代中期就 开始生产预应力混凝土薄壁管桩，至今已有2 0 多年历史。预应力混凝土薄壁 管桩的技术指标很多方面与国标g b l 3 4 7 6 9 2 或修正后的g b l 3 4 7 6 - 1 9 9 9 不相 符合，也难以归纳在一起。因此，必须制订地方标准。1 9 9 2 年编制了代号 n g t 一卜9 2 薄壁预应力混凝土管桩，1 9 9 7 年又由宁波市明州建筑设计研究 院与宁波市建筑安装集团总公司构件公司合作编制先张法预应力混疑土管 桩结构设计图集n j g l 9 7 ；1 9 9 9 年6 月发布了由宁波市城乡建设委员会组 织设计、施工并与管桩厂共同编制了代号为d b j 0 2 1 0 - - 9 9 先张法预应力混 凝土管桩“2 1 设计图集，新图集除摘录选编了国标g b l 3 4 7 6 - 9 2 中重要的技术 说明和技术指标外，对应地将宁波地区推广已久的代号为p t c 先张法薄壁 预应力混凝土管桩给出技术指标和主要说明，使该地区生产、使用预应力 薄壁混凝土管桩有章可循。该薄壁管桩，在原材料规定、制造工艺、混凝土 强度指标、预应力控制、离心混凝土强度试验方法、管桩外观及尺寸检查、 抗弯试验均按g b l 3 4 7 6 9 9 执行，很多指标与g b l 3 4 7 6 9 9 中p c 管桩相同，唯 管桩壁厚、主筋保护层厚度、管桩抗弯指标不同。 d b j 0 2 1 0 - 9 9 图集中规定p t c 管桩的适用范围： 1 工业与民用建筑物、构筑物等的低承台桩基础； 2 适用于抗震设防烈度7 度的地区； 3 主要是考虑承受竖向压力，当承受水平荷载或作抗拔桩( 如锚桩等) 时， 应由设计计算来确定选用。 由此看来p t c 管桩是p c 管桩的一种，只是技术指标低一点，但将它用于 某些特定条件，在经济上会比用p c 管桩便宜，因此要进行推广。 1 6 本文的主要工作 1 0 哈尔滨丁稃人宁硕十学位论文 本章对国外、国内预应力混凝土的发展情况、管桩类型、优缺点、使用 范围作以阐述，本文着重研究了一种单桩承载力高、施工方法简单、施工灵 活、桩质量检测随机性强、综合工程造价低、环保性好、旋工速度快的桩型 先张法预应力混凝土管桩。 本文结合国内和黑龙江省新型建筑桩基础设备发展的实际情况及先进 的静压施工工艺，对预应力混凝土管桩的设计与施工技术进行了探讨与分析， 着重论述了预应力混凝土锥形管桩技术，展望其今后在我省建筑中的发展趋 向，完全可逐步取代其它基础桩型。仅哈尔滨市每年建筑施工面积就在6 0 0 万平方米左右，静力液压管桩市场潜力巨大。 预应力混凝土管桩技术经过多年来的不断改进、应用，其可靠性、安全 性、实用性是其它桩基础所无法相比的，市场前景十分广阔。 本文论述了了预应力混凝土管桩的设计方法和施工，重点介绍了预应力 砼锥形管桩的应用；同时介绍了一些工程中经常出现的质量问题及处理方法。 在工程实践中，应用管桩基础基础的工程其单桩承载力显著提高，满足 设计要求，显示出了其他桩基础所无法比拟的优势。桩试验的各项指标均满 足国家规范的规定。 通过对已建成的哈尔滨世茂滨江新城一期一区1 3 # 楼工程为例，根据工 程的特点和地质条件，为了满足主楼对地基承载力和沉降的要求，采用预应 力混凝土锥形管桩方案，通过工程优化设计计算，合理设计了桩长和桩间距， 使预应力混凝土锥形管桩可以满足建筑物对地基承载力的要求。此技术适用 于多种复杂地质、水文条件，特点是无振动、无噪音、无泥浆排放、施工速 度快、质量可靠，达到了设计要求。 哈尔滨t = 稃大学硕十学何论文 第2 章管桩结构设计方法 2 1 引用和参考标准、规范，材料强度的取值 2 1 1 引用标准、规范 1 先张法预应力混凝土管桩( g b l 3 4 7 6 9 9 ) ； 2 混凝土结构设计规范( g b 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) ； 3 建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) ： 4 建筑结构可靠度设计统一标准( g b 5 0 0 6 8 2 0 0 1 ) ； 5 建筑结构设计术语和符号标准( g b t 5 0 0 8 3 9 7 ) ； 6 预应力混凝土用钢棒( y b t 111 1 9 9 7 ) ； 7 预应力混凝土管桩基础技术规程( d b j t 1 5 2 2 9 8 ) 。 2 1 2 参考标准及资料 1 先张法预应力高强混凝土管桩( j i s a5 3 3 7 1 9 9 3 ) ； 2 高强混凝土结构设计指南( h s c c9 3 1 ) ； 3 高强混凝土结构设计指南( h s c c9 3 2 ) 。 2 1 3 材料的强度取值 1 混凝土管桩 离心混凝土强度等级对p h c 桩为c 8 0 ，对p c 桩为c 6 0 。混凝土弯曲抗压 强度标准值厶。、轴心抗压强度标准值厶，和设计值工、弯曲抗拉强度标准 表2 1 混凝土弯曲抗压、抗拉强度标准值、轴心抗压强度标准值 和设计值、弹性模量和非均匀受压极限变形值 混凝土 ，c k l ：厶 e c e s 强度等级( m p a )( m p a )( m p a ) ( m p a )( m p a ) ( n n - n 2 ) c 6 03 9 53 8 52 6 52 7 53 6 x 1 0 3 6 x 1 0 c 7 0 4 4 53 1 8 3 7 x 1 0 c 8 05 0 5 5 0 23 3 o3 5 93 9 1 0 3 8 1 0 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 值厶。、弹性模量e c 和非均匀受压极限变形的取值如表2 1 所示。 2 预应力钢筋( 按y b t 1 1 l 一1 9 9 7 取值) ，见表2 2 ，表2 3 。 3 螺旋筋，按d b j t 1 5 2 2 9 8 预应力混凝土管桩基础技术规程中规 定布置见表2 4 。 表2 2 预应力钢筋的公称直径、基本直径、公称截面积及理论重量 公舜直径基奉直径公舜蕾面梗理论重 ( m m )i 皿1 1 1 2 ) ( k g l m ) 7 1 72 54 0 0o3 1 4 g 091 5 “00 5 0 2 1 0 71 1 1 0，o07 0 6 1 2 61 3 1 0 1 2 5 09 8 1 表2 3 预应力钢筋的力学性能 屈鼠点抗拉强度标准值_ -仲长奉 1 0 0 0 h 桧弛譬 符号 ( m p a )( m p - ) ( )( ) 1 2 7 5 1 4 2 0 52 5 表2 4 螺旋筋 臂径外径环丝直径桩端加密1 。 非加密区如 ( m i n )( m m 同距( m m ) 长度( m mj间距( m m ) 3 0 0 3 ，5 404 0 5 01 2 0 0 1 0 0 1 1 0 4 0 04 。5 0 5 0 1 5 0 0 1 0 ( i 1 1 0 5 0 0 5 o 4 0 5 0 l s 0 01 0 0 1 1 0 5 5 05 04 0 5 0 1 5 0 01 0 0 1 1 0 6 0 05 04 0 5 0 l5 0 01 0 0 1 1 0 冷拔低碳钢丝厶= 6 0 0n m 2 。 2 2 管桩桩身竖向承载力设计值 2 2 1 预应力混凝土管桩横截面承载能力 r = d 一盯，) 爿 ( 2 - 1 ) 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 式中：月管桩横截面承载能力，k n ； 厶管桩离心混凝土抗压强度，p c 桩取5 0m p a ( 广东省规程为 c 6 0 ) ，p h c 桩取8 0 m p m 盯。管桩混凝土有效预压应力，m p m 爿管桩横截面面积，m m 2 。 2 2 2 管桩桩身竖向承载力设计值 r e = 0 3 l 名一口，归 ( 2 2 ) 式中：r 。桩身竖向承载力设计值，k n ； o 3 是考虑了桩的耐打性、在锤击作用下的强度损失等因素提出的 限制指标，相当于安全系数。当使用静压桩机植桩时，无疑这 个系数应该大于0 3 ，但尚未有更多实验数据，并未对这个系 数进行广泛的论证，暂时还不能确定。 按照锤击法施工我们对目前常用规格的p h c 管桩竖向承载力设计值计算 列于表2 5 。 表2 5p h c 管桩桩身竖向承载力设计值 。捧直径鼍厚 樊型 r e f m i t tj( r a m ，( k n j ai 1 15 2 $ a b1 1 2 2 3 3 0 07 0 b1 n 9 19 c1 0 6 l6 a1 9 ，7 4 a b1 9 4 48 4 0 0 9 0 b1 8 9 23 cj 8 3 9 7 a2 ，7 4 ，3 a b2 l i9 6 4 0 09 5 bl9 6 jt c19 l “5 i a2 8 5l a b 2 7 8 9 7 5 0 01 0 0 b 2 7 1 4 3 c 2 6 3 8 9 1 4 堕笙堡王堡盔堂堡堂壁丝塞 2 3 抗裂弯矩验算、极限弯矩验算 2 3 1 抗裂性验算 混凝土结构设计规范( g b 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 规定，对一般要求不出现裂缝的构 件，在荷载短期效应组合下应符合下列规定： 仃。一仃w 口d 厂腑 ( 2 3 ) 对预应力混凝土管桩，上述公式可写成： 盯。一。厂。z 础 ( 2 4 ) 式中：仃。扣除全部预应力损失后在抗裂验算截面边缘混凝土的预应力， 混凝土管桩计算中即为混凝土法向预压应力； t 3 r 。荷载短期效应组合下抗裂验算截面边缘的混凝土法向应力； 口0 混凝土拉应力限制系数，按g b 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 规范中的规定取 用，对预应力混凝土管桩抗裂验算时，取口。= 1 0 ； y 受拉区混凝土塑性影响系数，按g b 5 0 0 1 0 2 0 0 2 规范中取用； 厶混凝土抗拉强度标准值； 厶。混凝土弯曲抗拉强度标准值，按表2 1 取用。 式( 2 4 ) 中的，对预应力混凝土管桩按下式计算： ，：2 _ 0 4 f 旦1 ( 2 5 ) 。 ld 2j 式中：d l 、d ，分别为预应力混凝土管桩的内径和外径。 式( 2 4 ) 中的盯。按下式计算： 吒= 等 ( 2 - 6 ) = 小一针培鲁 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 式中：管桩截面抵抗矩； ：d 预应力筋所在圆的直径； 口，预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量之比值； 一。r 预应力钢筋总面积。 式( 2 4 ) 中的盯。按下式计算： 仃f2 讧c 。，k s 1 a p i 一( 2 - 7 ) 式中：f 钢筋张拉控制应力系数，对预应力混凝土管桩均取f = o 7 ； 0 预应力钢筋的抗拉强度标准值； s 总的应力损失； 4 预应力混凝土管桩换算截面积。 当预应力混凝土管桩的断面几何尺寸、配筋、混凝土强度等级及预应力 钢筋规格己知后，由式( 2 5 ) 计算尹值，由式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 计算盯。和盯。， 上式数值满足式( 2 4 ) ，则认为预应力混凝土管桩满足抗裂验算。 2 3 2 极限弯矩验算 预应力混凝土管桩极限弯矩验算要求设计管桩极限弯矩m 大于国标 g b l 3 4 7 6 9 9 中规定的管桩极限弯矩m 。，验算图2 1 所示的断面应力分布状 态，进行管桩极限弯矩的计算。 图2 1 沿周边均匀配筋的环形截面及应力分布 1 6 哈尔滨t 稃犬q - 硕十学位论文 分+ 掣( q + 篙) - 等，一= 。 心= 鲣学+ 矧c o s o , ( 争q ( 2 - 8 ) 饼厶订l +j z 一竺2 一三4s i n 2 a , + 等矗厶乙 o p y k = f 乙。赢一s 一占。e s 式中：盯i 在受压预应力钢筋中的残留预应力； 彳预应力管桩截面积； e 预应力钢筋的弹性模量： 乙受压区混凝土的合力到圆心的距离。 在已知预应力混凝土管桩的几何尺寸、配筋、混凝土强度等级及预应力 钢筋规格后，由式( 2 8 ) 计算出极限弯矩m 。当m 。大于g b l 3 4 7 6 - - 9 9 标准 中规定的管桩极限弯矩材m 。时，则认为极限弯矩满足设计要求。各种公称 直径的p c 、p h c 管桩，符合国标要求壁厚、国内通常的主筋配筋位置，且各 种弯矩等级( a 级、a b 级、b 级) 符合国标g b l 3 4 7 6 - - 9 9 规定的二个弯矩指标， 几种经济的配筋方案己经计算汇编在先张法预应力混凝土管桩结构设计图 集中。 2 4 螺旋钢筋设计 g b l 3 4 7 6 9 9 中规定对于螺旋钢筋“螺旋筋的直径不应小于3 m m ，最大螺 距不超过l l o m m 。管桩两端螺旋筋应密缠，螺距范围在4 0 6 0 m m 之间”，广 东省建委颁布的o b j t 1 5 2 2 9 8 预应力混凝土管桩基础技术规程还具体 规定了不同桩径的密缠段长度，日本工业标准