高强度预应力混凝土管桩在使用中具有诸多优点,但是在沉桩施工过程中,由于桩的贯入挤土作用,桩间往往会产生较高的超静孔隙水压力 ^[1]。从时间和空间两个层面对工程以及周边环境产生不利的影响,主要表现为:孔隙水压力消散需要很长的时间,影响桩基承载力的快速发挥 ^[2];土体侧向位移会对已入土邻桩产生影响,导致已有工程桩偏位、浮桩等 ^[3,4]。因此亟需一种加速沉桩过程中桩周土固结的方法,梅国雄等 ^[5,6,7]提出了透水管桩技术,即直接在管桩桩身布设若干排水小孔,联通土体排水,即可加快土体的固结。但是,透水孔的存在不可避免使得桩身结构的完整性受到破坏,因此只能在透水管桩承载性能允许的范围内进行数量有限的开孔。

　　 本文针对普通管桩和透水管桩原型结构,开展了6组抗弯试验,通过对各桩的开裂弯矩、破坏弯矩以及不同弯矩作用下的桩身挠度与裂缝宽度的分析,探讨了开孔对透水管桩抗弯抗裂性能的影响,以保障透水管桩正常工作时具有工程允许的承载能力。

　　 本次试验为破坏型试验,以试验桩达到极限状态为指标停止加载,测试内容包括:加载过程中的应力变化,挠度变化,裂缝发展及尺寸等。试验采用6根原型试验桩,3根普通管桩(编号分别为A1,A2,A3;未成孔),3根透水管桩(编号分别B1,B2,B3;孔直径16 mm,间距100 mm,单层开孔数为2),6根试验桩桩径和壁厚分别为400mm和95mm,为AB型桩,桩长6m,主筋10ϕ9,箍筋ϕ5@100,混凝土强度等级为C80。这6根管桩均由某公司采用国内现有通用工艺流程及技术要求生产制作。

　　 参考《先张法预应力混凝土管桩》(GB 13476—2009) ^[8]制作成一套试验装置,采用千斤顶加载,最大可施加500kN的竖向荷载,配合荷载传感器和YJ-25型荷载显示仪读取荷载。挠度的观测选用高精度的数显式千分表,并辅以磁力表座组成的位移计。应变的观测则采用了100mm×3mm的BX120-100AA型电阻应变片,采集装置选用了DH3821Net静态应变测量系统;裂缝宽度的读取使用了CK-102裂缝测宽仪。

　　 抗弯试验加载及测点布置方案如图1所示,距桩体两端各1 200mm位置处分别设置铰支座和滑轮支座,采用两点对称加载,在桩段底部每隔1 500mm均匀布置位移计,位移计编号分别为D1～D5;在位移计D2与D4之间每隔750mm均匀布置应变片,应变片编号为S1～S5,由于试验主要关注桩体受拉区的应力变化,故自桩底部中心向上每隔67mm也设置了应变片,应变片编号为S6～S8。此外,在桩体受压区顶部设置了一道应变测试点(编号S9)。B1,B2和B3试验桩所用装置与A1,A2和A3试验桩相同,现场试验装置如图2所示。

　　 加载方式根据规范确定,着重研究了2种桩身的临界状态:开始开裂,即桩身开始出现裂缝;破坏(极限)状态,即桩身最大裂缝宽度达到1.5mm或受拉钢筋被拉断或受压区混凝土被压坏任一种情况出现 ^[8]。

　　 本次试验中透水管桩预留孔的直径为16mm,沿桩长方向布置,孔间距为100mm,单层开孔数为2,如图3所示。为了使试验结果更为明晰,抗弯试验时,将两孔中心线置于与受压方向平行的方向。本次试验中,透水管桩相较普通管桩的区别在于:在制作工艺和钢筋等相同的情况下,为保证孔洞的完整性,采用了在钢筋笼内部固定PVC的方法来预留一定数量和直径的孔洞。两者的生产过程大致相同,不同之处在于将钢筋笼放进模具安装端头板之前,透水管桩需将一个事先预留好足够孔的大PVC管通过细钢丝固定在与主筋平行方向的钢筋笼内部,再将事先锯好的直径和长度一定的PVC管以垂直于钢筋笼的方向插入大PVC的孔中,再用细钢丝将另一端固定在钢筋上,形成新的模具,如图4所示。

　　 管桩的挠度随着弯矩的发展情况如图5,6所示,图中负值表示位移向下,正值表示位移向上。由图5,6可见,A1普通管桩在裂缝出现(弯矩达到89.6kN·m)及破坏时(弯矩为132.0kN·m,此时裂缝宽度达到1.5mm,但未出现受拉钢筋被拉断或者受压区混凝土被压坏)的跨中挠度分别为-10.75mm和-22.35mm;而B1透水管桩在裂缝出现及破坏时(弯矩分别为86.4kN·m和134.1kN·m)跨中挠度分别为-11.18mm和-24.77mm,分别为前者的104%和110%。

　　 图7为管桩受弯过程中的最大挠度曲线,即各管桩D3位移计处测得挠度,挠度方向均向下。由图可见,当桩体弯矩相同时,总体来说,透水管桩相比于普通管桩,挠度更大。这是由于管桩开孔后,在孔洞处形成薄弱面,相同弯矩作用下,薄弱面会加剧变形,即削弱管桩抵抗变形的能力,但削弱的幅度并不大。

　　 普通管桩及透水管桩的轴向应力曲线如图8所示,图中取拉应力为正(根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)表4.1.5,C80混凝土的弹性模量为3.8×10⁴ MPa)。可见,两种管桩的最大应力基本位于跨中纯弯段(跨中两侧0～0.5m范围内),但是在此范围之外的局部也会出现应力突然增长的现象,例如图8(a)中应变片S4,这主要是由于管桩在制作的过程中可能存在质量薄弱或缺陷等情况,加载过程中发生了应力集中的现象。从图中也可以发现,在开始出现裂缝之前,桩身各处的应力均非常小且大体呈线性变化。

　　 对比图8(a),(b)可发现,相同弯矩作用下,透水管桩的应力大于普通管桩的应力。例如A1普通管桩的开裂弯矩89.6kN·m,此弯矩作用下跨中最大应力为9.73MPa;A1普通管桩破坏弯矩为132.0kN·m,此时跨中最大应力为28.92MPa;B1透水管桩的开裂弯矩为86.4kN·m,破坏弯矩为134.1kN·m,两者对应跨中最大应力分别为14.35MPa,48.45MPa,即开裂和破坏时透水管桩中心底部的应力都大于普通管桩的应力。参照应力计算公式σ=F/A可知,相同荷载下,由于预留孔的设置减小了管桩受力的有效面积,应力也随之增大,且在受压时在孔口附近易造成应力集中现象。

　　 图9分别为A1普通管桩和B1透水管桩在加载过程中跨中截面应变沿截面高度分布变化曲线,可见,裂缝出现之前跨中截面的应变均符合平截面假定,裂缝出现后,中性轴明显上移。

　　 A1～A3普通管桩桩段在极限状态下裂缝分布如图10(a)～(c)所示,B1～B3透水管桩桩段在极限状态下裂缝分布如图10(d)～(f)所示。由图10(a)～(c)和图10(d)～(f)对比可知,透水管桩相较普通管桩,裂缝分布范围更广,裂缝数量更多,但长度明显逊于后者。透水管桩的裂缝分布于跨中两侧约0～0.7m的范围内,主要竖向裂缝平均为7条,平均长度为25cm;普通管桩裂缝数量较少,且相对都集中于跨中两侧约0～0.5m内,破坏时裂缝数量多为5条,且裂缝长度都较为接近,平均长度35cm。另外,试验表明,透水管桩的裂缝首先出现在跨中孔口附近,且出现时间较早。普通管桩的裂缝一般首先出现在跨中两侧0～0.25m范围内,出现时间稍晚于透水管桩。

　　 透水管桩因为孔的存在使得结构本身存在多个薄弱面,因此相比于普通管桩较容易形成裂缝。虽然透水管桩薄弱面较多,但在裂缝发展过程中,正是因为这些薄弱面使得透水管桩的裂缝发展趋势为多而非长。相反,普通管桩在形成裂缝以后,除了既有裂缝,几乎无其他薄弱面,再受力时,会将力更多地分配给脆弱的裂缝位置处,使裂缝越来越长,而数量几乎不会再增加。

　　 图11对比了普通管桩和透水管桩在开裂状态下裂缝发展情况,图12对比了普通管桩和透水管桩在破坏状态下的裂缝发展情况。结果表明,在开裂和破坏弯矩作用下,普通管桩裂缝宽度要大于透水管桩的裂缝宽度。事实上,在大部分荷载等级条件下,均出现普通管桩裂缝宽度大于透水管桩裂缝宽度的试验现象,这可由图13各桩桩身最大裂缝宽度与弯矩关系中看出。这是由于透水管桩在透水孔附近存在多个薄弱面,桩体应力分散于各个薄弱面,而普通管桩在裂缝出现后仅存在沿裂缝的单一薄弱面,应力集中更明显,这使得在相同弯矩作用下,透水管桩裂缝宽度小于普通管桩裂缝宽度。此外,A1桩与B1桩在裂缝宽度达到1.5mm后,两桩受拉钢筋既未被拉断,受压区混凝土亦没有破坏,表明两者还有一定的承载能力。

　　 采用规范 ^[8]加载方式时,荷载(P)与弯矩(M)有如下关系:

　　 ${\rm M}=\frac{{\rm P}}{4}\left(\frac{3}{5}L-2a\right)+\frac{1}{40}WL$

　　 式中:L为桩长;a为加载点到桩中点的距离;W为桩的重量。

　　 本试验中荷载与弯矩的关系如图14所示,由图中可以看出,在实测开裂弯矩(A1桩的开裂弯矩M_cr,A1=89.6kN·m,B1桩的开裂弯矩M_cr,B1=86.4kN·m)之前,A1桩和B1桩施加荷载与弯矩的线性关系基本符合公式的理论解。随着裂缝发展,荷载与弯矩的关系开始偏离理论解,这正是由于裂缝的发展引起了截面中性轴位置的变化,利用薄壁梁理论推导的弯矩开始与实际出现偏差,B1透水管桩在后期能承受更大的弯矩。

　　 表1为各管桩特征弯矩,由表1可见,由于混凝土的离散性,同类型的各桩开裂弯矩与破坏弯矩实测值也存在一定的差异,故取其平均值作比较。普通与透水两类管桩开裂弯矩与破坏弯矩对比见图15,图中开裂、破坏弯矩规范值分别为规范 ^[8]中外径400mm、壁厚95mm的AB型管桩开裂弯矩(64.0kN·m)、破坏弯矩(106.0kN·m)。由表1和图15可得,普通管桩平均开裂弯矩与破坏弯矩分别为开裂、破坏弯矩规范值的137%和125%;透水管桩平均开裂弯矩与破坏弯矩分别为开裂、破坏弯矩规范值的133%和126%。不难发现,试验采用的透水管桩和普通管桩的开裂及破坏弯矩均大于规范值,两类桩在达到规范所述极限状态时都还有一定的承载力,尚未完全破坏,说明两类桩都留有一定的安全储备,使其偏安全。另外,透水管桩的平均破坏弯矩略大于普通管桩的平均破坏弯矩,这是由于在相同荷载条件下,透水管桩桩体裂缝宽度小于普通管桩,在以同样的裂缝宽度(1.5mm)作为极限状态判断标准的条件下,透水管桩的破坏弯矩将大于普通管桩,这表明,透水管桩拥有优于普通管桩的抗弯性能。

　　 通过一系列试验,对透水管桩和普通管桩的抗弯性能进行了对比研究,结论如下:

　　 (1)相比普通管桩,透水管桩在开裂和破坏弯矩作用下的跨中挠度更大,预留孔的设置削弱了管桩原本的抗变形能力,即开裂弯矩降低,但仍满足规范要求。

　　 (2)透水管桩开孔后其自身均匀产生多个薄弱面,以致于多条裂缝可以在其附近的薄弱面发展,而这也分散了应力在普通管桩随着裂缝产生的单一薄弱面的发展,使得相同弯矩作用下透水管桩裂缝宽度小于普通管桩裂缝宽度。在以相同裂缝宽度(1.5mm)作为破坏弯矩判断标准的条件下,使得透水管桩破坏弯矩大于普通管桩破坏弯矩,这表明,透水管桩拥有优于普通管桩的抗弯性能。

　　 (3)透水管桩达到极限状态的标志与普通管桩相同,都是裂缝宽度达到1.5mm,此时除了裂缝宽度超过极限状态的裂缝宽度外,管桩并未发生其他破坏,还具有承载能力。

　　 因为各种因素限制,试验不可避免地存在诸多不足,为了更好地将透水管桩推广应用,笔者认为还应进行如下工作:

　　 (1)本文对透水管桩抗弯性能分析时,并未改变开孔方式,主要从可行性角度进行了分析,下一步还需具体到不同开孔参数下的抗弯性能分析。

　　 (2)由于样本数量的限制,对抗弯弯矩虽得出一定规律,难以得出相关的强度经验公式,还需进一步进行系统试验。

　　 (3)透水管桩的成孔技术等尚不成熟,还需要进一步开发。