预应力管桩竖向承载力的研究

预应力管桩竖向承载力的研究
预应力管桩的竖向承载能力分析从预应力管桩出现开始到现在一直都是工程人员的难题，由于桩基是隐蔽工程，很难全方位的了解桩基在受力情况下会产生什么样的反应。

本文从预应力管桩的特性以及发展现状进行了较为详细的介绍；再分别从竖向荷载对预应力管桩的工作机理进行了阐述；然后再对预应力管桩的承载能力极限状态的计算方法进行了较为详细的阐述；望在今后能够对实际的工程检测有相当大的指导意义。

标签：预应力管桩；竖向荷载；水平荷载
1、预应力管桩的特性以及发展现状
预应力钢筋混凝土管桩是一项在我国得到大力推广使用的一种新型混凝土结构。

这种结构相对普通钢筋混凝土结构桩来讲，由于它的结构形式比较简单，施工工艺更加容易掌握，施工速度能够大大提升，因此可以在工厂进行大批量的生产。

PC桩是一种出现于上个世纪八十年代的新型的桩基类型，它将预应力的优点、混凝土的优点以及离心成管技术融为一体，从而得到一种承载能力高、抗弯性能好、抗裂效果佳、施工方便快捷、质量可靠、耐久性好的樁基形式。

但是，由于预应力管桩由于是一个新兴的桩基形式，其受力形式以及荷载的传递形式都有很多盲点，因此，需要我们科研人员进行进一步的研究探讨。

1.1国内研究现状
2011张忠苗、刘俊伟等人对采用了加强型主筋的PC桩的抗弯性能及抗剪性能进行试验，分析数据表明，非预应力主筋加入到预应力管桩中去之后，会大幅度的提高该管桩的极限抗弯承载能力，且原有结构配筋率越低，该效果越明显，但是主筋的加入对抗裂性能影响很小。

1.2国外研究现状
国外由于预应力混凝土发展管桩的时间较早，现阶段的技术水平与我们国家相比，还是有较大的领先优势。

Bullock在1999年通过足尺试验、现场试验以及离心模型试验研究了管桩侧阻力的大小随时间变化的规律；Sheppard等人对方形预应力混凝土管桩进行了试验研究，通过试验研究的数据发现对于方形管桩在水平荷载作用下，试件在开裂不久后，突然发生脆性破坏，该研究对预应力混凝土方形桩的设计及施工有一定的借鉴意义。

1.3竖向荷载作用下预应力管桩的受力机理
当PC桩桩顶逐步受到垂直于桩基顶面作用力的影响时，桩身会有压缩变形的趋势，PC桩的压缩变形使桩基与周边土层产生相对位移，在发生变形的过程中，桩基四周的土层会相对于桩基自身运动反方向的摩阻力作用，该摩阻力的大小与桩基位移的大小成正比，桩基顶部施加的竖向力沿着桩身传递的过程中会随着深度的增加而逐渐的减少。

摩阻力的大小不仅与土层深度有关，还与施加竖向力的大小息息相关，桩基承受的竖向力在由小变大的过程中，摩阻力的大小在竖向力加载初期，与其成比关系，竖向力越大，桩基变形越大，与土层产生的相对位移也就越大，摩阻力相对的也就越大，但是当竖向力逐渐增大到一定程度，其对桩基的变形影响逐渐变的平稳，竖向力在这个阶段继续加大，桩基与土层的位移基本不会再增加，此时，也就是整个桩身受力，桩基端部产生一定大小的阻力作用，继续增大的竖向力将全部由这时产生的端部摩阻力来承担，桩侧阻力不会再发生大的变化。

2、预应力管桩承载能力计算方法
2.1单桩承载能力极限状态的计算方法
在工程实际中桩基承载能力的计算有多种不同的方法，每种方法都有其特有的适用场合，单桩的承载能力的大小主要取决于桩基本身的材料以及桩端土层的承载能力，最终的大小取两者的较小值。

下面简单介绍一下工程实际中对单桩承载能力极限状态计算常用的几种方法。

（1）竖向抗压静载试验法
单桩竖向承载能力极限状态在静载试验完成之后得出的数据来确定。

①管桩的极限承载力根据预应力管桩基受到不同大小的力的作用后发生相应的沉降关系来确定，当荷载一沉降曲线有较大的变化，曲线下降段是非常明显的，此时可以将荷载一沉降曲线发生明显降低的起始点作为最终的承载能力。

②根据管桩受力作用后，最终的沉降量大小确定桩基的承载能力极限状态，当荷载～沉降曲线变化相对缓和时，大部分情况可利用下沉值为40～60mm时施加的竖向力作为极限承载能力荷载；而直径较大的桩可用下沉值为0.03-0.06d（d 是桩基的直径，大桩径用0.03d，小桩径用0.06d）所对应的作用力作为承载能力极限状态值；对于直径远小于长度的细长型桩基（l/d>80）可采用桩基下沉值为60～80mm时对应的竖向作用力作为承载能力极限状态值。

（2）原位测试法
原位测试法测桩基承载能力极限状态的方法包括：静力触探试验、旁压试验、标准贯入试验等方法，这些方法都能够确定预应力管桩的承载能力极限状态。

（3）极限承载能力法
当预应力混凝土管桩为闭口管桩时，机械打入桩基到地下的过程中不会出现土塞效应，因此，该桩基的承载能力的计算与普通实心混凝土基本一致，所以，可以根据实心桩基的计算公式来计算管桩的承载能力极限状态。

2.2群桩承载能力极限状态的计算方法
在实际的工程中，无论是预应力管桩还是普通灌注桩绝大多数都是以群桩的形式存在，共同承受上部结构传递来的荷载。

群桩的受力后的工作状态与单桩受力有很大的差别，受力情况十分复杂，并且至今没有较为认可的方法对群桩进行较为准确的计算。

目前来说，群桩效应的计算可以由以下方法进行计算：
（1）考虑群桩实体基础周边长度计算群桩效应的方法；
（2）Seiler-Keeney群桩效应公式；
（3）考慮应力叠加的群桩效应公式；
（4）对承台-桩基-地基之间相互作用的情况下，荷载分项的群桩效应计算。

以上所有的计算方法都有其自身的局限性，每一种的适用条件都有限，对于群桩的计算方法问题仍然是一个值得深究的问题。

3、结论与展望
介绍了预应力管桩，单桩承载能力以及群桩承载能力计算的方法，通过大量的文献数据，得知，现阶段无论是单桩还是群桩其承载能力的计算仍处于初级阶段，还需要工程人员继续的试验及理论研究，得到更为准确的计算方式。

由于本文作者水平有限，在论文的写作过程中，发现了不少问题要今后继续探讨，对本文存在的不足进行进一步的解决，但工程实际中的群桩并没有进行试验研究。