抗拔管桩的承载力及结构构造资料

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根底技术规程?的 修订,对抗拔管桩单桩竖向抗拔承载力确实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 了具体的质保举措,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 202104 32050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、烟囱的根底；锚锭根底以及在水平力作用下出现上拔力的建 构筑物根底,如码头、挡土墙等,都有可能遇到工程结构的抗浮抗 拔问题.抗浮抗拔举措视具体情况而定,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.目前管桩根底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1

3、0%.但抗拔管桩 只要在质量保证的前提下,会显示出其施工方便、工期短、造价廉价 等许多优点,大有开展前途.可以预计,随着人们对抗拔管桩熟悉的 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根底 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.1. 1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.1.

4、1.1通过现场抗拔静载试验确定重要的工程或经验缺乏、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,各种地基根底设计规 范或桩基检测技术标准都有规定,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根中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

5、的抗拔静载试验桩号桩径桩入土单桩抗拔取大上拔剩余上拔特征值对应单桩极限抗/mm长度/m力特征值/KN量/mm量/mm的上拔重/mm拔承载力/KN140019.03002.310.840.70为00240020.03002.020.580.63为00340021.03002.290.530.56为00从表1可看出,在这样的地质条件下中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：Ra = Up i入,si q sia li + 0.9p式中Ra单桩竖向

6、抗拔承载力特征值；Up管桩桩身外周长；入一一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； li管桩穿越第i层土岩的厚度；Gp管桩白重设计值,地下水位以下局部应扣除水的浮 力.表2抗拔摩阻力折减系数入i土岩的类别入强风化岩、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,是由于管桩挤土效应大、穿透和入岩水平强的缘故. 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

7、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入i就是抗拔桩的承载力,为平安 计,&可以取较小值,如0.5-0.6o采用高应变动测法检测承压桩的承 载力和壮肾完整性,具有测试费用廉价、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,提升检测桩摩阻力和端阻力的分辨率和检测精度,但这是一个开展方向.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种计算模式：(1) 按桩身不出现拉应力为限制条件(2) 按桩身不出现裂缝为限制

8、条件；(3) 按桩身裂缝小于0.2mm为限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：RpV pc ARp管桩桩身竖向承载力设计值,吊c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限制条件来进行计算：RpV (pc+ ft) A式中,fc一桩身混凝土抗拉强度设计值,C80昆凝土的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薄弱的环节,容易先冲切破坏.1.2.2管桩混

9、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拟复杂,不同人计算往往会得出不同的结果.国家标准 GB50010-2002混凝土结构设计标准? 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:6pc=0.56n Aa Fptk/A800n Aa/A式中 品C-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理论面积计.这是按张拉应力的20%作

10、为预压应力损失值来估算的, 而张拉力一般以到达预应力钢筋抗拉强度标准值的70%时的总拉力来限制的,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 计算的结果根本一致,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/KN400-95A7 10.7378B型10 10.7540500-100A网11 10.7594B型11 12.

11、6825500-125A网12 10.764890012 12.6载力最大特征值R3Rb*p/1.35= & A/1.35=(800 n Aa/ A) A/1.35600 n A 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RB600 nAa计算中400、500AB©、B型PH(M的Rb见表3 1.3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桩端岩土摩擦支承力来决定,桩身抗压强度一般不是

12、限制条件；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 水平所左右的.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A曜PHCfi,其单桩竖向抗拔承载力特征值的应用范围 分别为：500-125AB© 抗拔桩,Ra=400650KN400-95AB 型抗拔桩,Ra=20M50KN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以下3个问题：桩身结构；接头；桩头

13、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水平和抗冲切水平.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, 而桩身的抗弯要求根本不变,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预应力钢筋的允许最小重量,同时还

14、 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,假设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端板的材质大局部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 Q235I冈板,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.这样的街头,应用

15、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.当然这个规定也有缺乏之 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,比拟科学.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/mm7.19.010.712.6端板最小厚度

16、/mm16182024(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缺乏,就同意将墩头拉脱.但一般情况下,总拉应力为0.7n Aa Fptk,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= 6pc A)计算的抗拔桩的抗拔力(0.56n Aa Fptk),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,假设采用Rp= ( 6pc+ ft)

17、 A作抗拉强度计算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水平相匹配.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,当承受较大扳力时,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根底没有接头问题,假设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.

18、承压桩的接头质量假设不大好,其危害 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白动焊. 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；焊缝保护举措不力等.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

19、条也放不进去,造成焊缝强度的先天缺乏.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.焊接时间缺乏,“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

20、焊好的接头应白然冷却后才能继续施打,白然冷却时间,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标准的要求设置.(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)；假设采用电焊焊接时, 焊缝坡口尺寸宜按规定的坡口尺寸各向加大 1

21、mm,或 由设计人员提出要求进行特制；假设坡口尺寸不加大, 那么接头焊缝应做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

22、混凝土强度等级C20C25C30C35N0锚固长度/mm146d126d113d103d94d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,那么 C30昆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®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,要求保存的管桩余桩较长, 造成浪费；假设余桩小于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

23、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GB50010 2002混凝土结构设计标准?6. 1. 9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.标准还规定,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0 . 25 Ltr处开始计算.因此, 管桩桩头处混凝土应力消失区应为1. 25 Ltr,其值约400mm.当采 用预应力钢筋作锚固抗拔

24、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,于是这局部消失了预应力的桩身顶部40cm范围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,否那么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,但可靠桩身混凝土白身的抗拉力阻 止桩

25、身的开裂.抗拔桩桩头与承台之问的连接示意如图1.30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根本上不会出现裂缝.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以下经验公式计 算确定：,QtQtLa =； As Afn Upnf式中,La桩顶填芯混凝土长度,不应少于2. Om;Qt一相应于荷载效应根本组合时单桩竖向拔力设计值；为简 化计,也可取Q=1 . 35Rta；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. 30-0 . 35N/mm2；Upn管桩内孔圆周长；As 管桩内孔连接钢筋总公称截面面积；Fy一钢筋的抗拉强度设计值,HRB335(20MnSi)的F广300N /mm2.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