摘 要：爲保證預應力混凝土管樁的承載能力，以力學爲主線，分析了管樁樁身混凝土抗壓強度、有效預應力和管身截面面積在預製混凝土管樁設計、生產、施工三階段中的重要作用，強調了預應力混凝土管樁的應用需綜合考慮符合設計、生產、施工等方面的要求，可爲預應力混凝土管樁的可持續發展提供參考。
關鍵詞：預製混凝土管樁；承載力特徵值；抗壓強度；混凝土有效預應力；截面面積；可持續發展0 前言 隨着近幾年新工藝、新裝備的進步，預應力混凝土管樁（以下簡稱管樁）行業得到了快速發展，但厚壁管樁布料困難、液壓錘錘擊施工斷樁率偏高、工地鑽芯檢測管樁樁身混凝土抗壓強度偏差大等技術問題依舊存在。
與此同時，在綠色發展的大背景下，管樁行PHC管樁業也面臨着如產業工人減少、砂石原材料等資源短缺等挑戰，這些因素都影響着管樁行業的可持續發展 本文着眼於技術層面，以力學爲主線，分析管樁樁身混凝土抗壓強度、有效預應力和管身截面面原(yuán)三參數在管樁承載力計算中的重要作用。
1 管樁軸心抗壓承載力特徵值Ra 設計人員主要根據管樁樁身軸心抗壓承載力和抗裂彎矩來進行管樁選型，管樁樁身軸心抗壓承載力的計算公式主要有以下兩類：
式中：φc爲綜合折減係數，取0.7； fc爲混凝土抗壓強度設計值；A爲管樁截面面積。
式中：σu爲混凝土抗壓強度；σce爲混凝土有效預壓應力；A爲管樁截面面積 式（1）利用了混凝土抗壓強度設計值和經驗數據綜合折減係數，計算過程簡單；式（2）體PHC管樁現了管樁混凝土抗壓強度、混凝土有效預壓應力和截面面積與樁身軸心受壓承載力。
Ra的關係，下文將結合設計、生產、施工過程進行詳細分析1.1 混凝土抗壓強度σu 在管樁生產方面，混凝土抗壓強度是管樁樁身軸心抗壓承載力的重要影響因素，也是設設(shè)人員進行樁身承載力計算的主要依據，如何控制好混凝土的質量就顯得尤爲關鍵。
近幾年，布料新工藝採用了整體模具擋板布料的方式，解決了厚壁管樁混凝土料堆積困難的問題，降低了工人勞動強度的同時，還可兼顧混凝土質量；泵送新工藝的發展應用也解決了勞動力短缺的問題，實現了自動化生產，但混凝土強度的偏低，在管樁樁身上鑽芯檢測的混凝土抗壓強度往往很難達到80 MPa以上，遇到地質情況PHC管樁較複雜的工地，錘擊法施工時，管樁易破損；免蒸壓或雙免工藝也日趨成工(gōng)，但難以進行大批量規模化生產。
同時，存在管模週轉時間較長、場地要求較大等問題 在管樁施工方面，國內管樁施工常用方式是錘擊式打入或者靜壓壓入錘擊式打入法又分爲柴油錘錘擊法和液壓錘錘擊法兩種運用公式（2），計算得到PHC500（100）A和 PHC500（125）AB的軸心抗壓承載力特徵值分別爲2 362 kN和2 718 kN。
用KB-60型6 t錘施打，錘高落距2.3 m，擊打入3 cm收錘，即最後貫入度爲30 mm/10擊 根據日本建築標準施工法則公式 :
式中：Ra爲管樁長期允許承載力；F爲錘擊能量，F=2WH；W爲錘重；H爲PHC管樁錘落距；S爲管樁最後貫入度 計算得到管樁錘擊施工施打力Ra=2 352 kN＜min（2 362 kN，2 718 kN），說明用60型柴油錘施打PHC500（100）A和PH力(lì)500（125）AB管樁，3 cm收錘標準都能夠滿足施工要求，管樁不會破損，但管樁混凝土抗壓強度達到80 MPa才能夠經受錘擊施工施打力，否則管樁很容易被打碎。
近兩年應用較多的液壓錘錘擊法施工缺少擊打力、衝擊能量的準確計算公式和施工規範，用液壓錘施工比柴油錘施工的斷樁率高因此，需要掌握液壓錘施工的特點，探索準確的錘擊衝擊能量的計算方法，給設計人員和施工單位提供科學的參考依據。
工地一旦出現斷樁情況，業主方、施工方甚至設計PHC管樁單位首先懷疑管樁質量存在問題，要求採用現場管樁樁身鑽芯方法來檢測混凝土強度，該方法已經成爲解決爭議的最主要手段但鑽芯檢測方法還存在較多的不確定影響因素，試驗結果存在一定偏差，一旦採用該方法，管樁生產企業往往陷入被動。
儘管GB/T 19496—2004《鑽芯檢測離心高強混凝土抗壓強度試驗方法》標準也指出了“芯樣試件混凝土抗壓強度不等於混凝土標準養護28 d試塊抗壓強度”，GB 13476—2009《先張法預應力混凝土管樁》中第7.2.3.1規定“檢查混凝土抗壓強度的原始記錄，評定按GB 107的有關規定執行”，即用與該鑽芯管樁同期生產的立方體試塊來評定管樁樁身混凝土強度，但該方法很難讓設計人員、PHC管樁施工方和業主方信服。
GB/T 19496—2004是參照英國標準BS 1881.120—1983《鑽芯取樣測定混凝土抗壓強度試驗方法》來制定的，該英國標準沒有談到離心高強混凝土的概念，主要是針對常用混凝土製定的，其中“4.1鑽芯試樣的尺寸：試樣直徑爲φ100 mm或?覫150 mm，最好取用φ150 mm，試樣直徑與集料最大尺寸之比不其(qí)過3”、“2.最佳的長度範圍爲其直徑的1~1.2倍範圍……”、“4.2……鑽芯機應垂直於混凝土的表面……”，上述要求應用在管樁樁身鑽芯上是比較難達到的，例如φ500（100）管樁的壁厚只有100 mm，切掉內分層，不足100 mm，很難滿足高徑比1~1.2倍範圍PHC管樁的要求。
GB/T 19496—2004參照修改爲“5.4鑽取的芯樣直徑爲70~100 mm，一般不宜小於骨料最大粒徑的3倍，在任何情況下不得小於骨料最大直徑的2倍” 香港標準CS1∶1990《芯樣的鑽取及其混凝土抗壓強度的確定》中“15.3.1芯樣尺寸測試的樣品直徑最好達到150 mm，在任何情況下直徑不得小於75 mm……”，對鑽芯芯樣直徑進行了修改，但芯樣試件混凝土抗壓強度推算值公式還完全引用英國標準，具體如下：
式中：F爲芯樣抗壓試驗時的最大壓力；d爲芯樣平均直徑；f1爲高徑比修正係數；f2 爲內含鋼筋修正係數 實踐證明，鑽芯芯樣直徑越大，芯樣試件混凝土抗壓強度越高，即同一條管樁的樁身上鑽PHC管樁取直徑φ100 mm的芯樣和鑽取直徑φ70 mm的芯樣對比，後者明顯比前者低。
江門某企業2017~2019年期間，向澳門地區供應了φ600（130）AB的PHC管樁100多萬m，澳門土木工程試驗室嚴格按照批次鑽取?覫100 mm的芯樣，芯樣浸泡48 h後進行檢測，評估現場混凝土立方體強度均達標，該企業也將結果和同期廠內100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊強度進行了對比，澳門評估現場混凝土立方體強度（即芯樣試件混凝土抗壓強度推算值）比同期廠內立方體試塊強度下降3%~10%，即廠內控制強度達到100 MPa的時候，評估現場混凝土立方體強度下降3~10 MPa。
隨着企業生產工藝條件、砂PHC管樁石原材料等因素的變化，檢測數據有一定的波動也是正常和可控的廣州某企業2017~2018年期間向香港供應φ500（125）AB和φ500（100）AB的PHC管樁，每50根樁選取1根管樁鑽取φ75 mm的芯樣進行檢測，檢測結果表明香港評估現場混凝土立方體強度比同期工廠內100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊強度下降6%~18%。
由上述分析可知，採用φ75 mm芯樣檢測，其離散性較大一般情況下，向香港和澳門地區供應管樁，管樁企業都特意提高了生產標準，將廠內的立方體試塊強度標準控制在95 MPa以上，以此來確保樁身鑽芯混凝土強度達標。
因此，建議國標修訂時仍保留英標“4.1鑽芯試樣的尺寸：PHC管樁試樣直徑爲φ100 mm或φ150 mm……”的要求如需鑽取小於φ100 mm的芯樣來檢測，應取得相應的實驗數據，並得到混凝土抗壓強度推算值R公式和修正係數，以此來提高對工地管樁鑽芯(xīn)取樣檢測方法的準確性，對解決工地爭議問題起到指導作用。
管樁主要通過離心工藝成型，其骨料不可避免會出現分層現象，且最大粒徑和平均粒徑都不穩定，在芯樣中包裹的骨料會比普通攪拌混凝土具有更大的離散性EN 12504-1:2009《結構混凝土試驗-第1部分：芯樣 鑽取、檢驗及抗壓試驗》的附錄A《骨料尺寸和芯樣直徑對抗壓強度的影響》中“a對20 mm骨料：φ100 mm芯樣其抗壓強度比φ50 mm的芯樣抗壓強度要高出7%··PHC管樁····；b 對40 mm骨料：φ100 mm芯樣其抗壓強度比φ50 mm的芯樣抗壓強度要高出17%······”，可見骨料的尺寸和芯樣直徑與鑽芯樣抗壓強度有着密切的關係。
管樁用骨料的平均粒徑在12~18 mm之間，最大粒徑在20~30 mm範圍波動以PHC400（95）AB管樁爲例，由於地質原因造成地下斷樁多，要求鑽芯檢測，芯樣直徑φ75 mm，芯樣很密實，沒有明顯的分層缺陷和空隙，同期立方體抗壓強度爲89 MPa，工地現場管樁鑽芯樣抗壓強度抽檢結果只有65 MPa，兩者相差較大。
因此，爲解決好管樁的施工過程中出現的斷樁問題，應總結大量的試驗數據，找到芯樣試件混凝土抗壓強度推算值和工廠同期生PHC管樁產混凝土立方體試塊抗壓強度之間的關係，科學客觀評定管樁樁身混凝土的真實強度綜上分析，保證管樁混凝土強度達標是生產企業首要目標，同時，還需進一步探索總結，修訂鑽芯檢測標準。
1.2 混凝土有效預（壓）應力σce 混凝土有效預應力越大，樁身軸心受壓承載力特徵值越小，有效預壓應力是利用預應力鋼筋張拉後壓縮混凝土實現的，是區分管樁型號的最主要技術參數，混凝土有效預應力公式爲：
式中：σpe爲鋼筋有效拉應力，σpe=σpt-Δσpφ-Δσr；σpt爲放張後鋼筋拉應力；Δσpφ爲混凝土徐變和收縮引起的預應力損失；Δσr爲鋼筋鬆弛引起的預應力損失；Ap爲鋼筋截面積；Ac爲管樁截面積。
1.2.1 放張後鋼筋拉應力PHC管樁 鋼筋拉應力的實現需利用管模和大螺母鎖緊伸長鋼筋骨架，經過離心工序和蒸養工序，初蒸5~7 h後拆卸大螺母拆模，放張後預應力鋼筋的回縮壓緊混凝土，從而獲得有效預壓應力。
放張後預應力鋼筋的拉應力公式如下：
式子：σcon爲張拉控制應力；n′爲放張時彈性模量比 影響鋼筋拉應力的因素主要有張拉力大小、混凝土彈性模量、鋼筋彈性模量、鋼筋截面積、管樁截面積 生產操作中，必須嚴格落實張拉工藝要求，鎖緊大螺母，用大扳手卡緊。
使用長管模用接樁的方式生產管樁，同時生產2~3條管樁，拉尾端連接第一節管樁鋼筋骨架的拉尾板，張拉時鋼筋骨架向拉頭方向伸長，如圖1所示
由圖1可知，由於接樁器和端頭板組件存在自重Gj、張拉板和PHC管樁端頭板組件自重Gq和鋼筋骨架自重G1、G2，組件和管模內壁之間就會有摩擦力F1和F2，第一節管樁獲得的張拉力N1=N0+F1，其中，F
1=μ（Gj+G1/2），第二節管樁獲得的張拉力N2=N1+F2，其中，F2=μ（Gq+G2/2），可見N2＞N1，第二節管樁的張拉力N2比第一節管樁的張拉力N1大，鋼筋骨架伸長量也略大設定張拉力N=σ
conAp，那麼N1對應的張拉控制應力小於N2對應的張拉控制應力，兩者鋼筋的拉應力σpt也不同，從對(duì)造成兩者的有效預應力σce存在差值理論上，摩擦力F2數值比較小，同(tóng)乎可以忽略因此，第一節和第二節管樁的張拉控制應力可視爲相等。
但是實踐中，可能會造成管樁有效預應力存PHC管樁在差異以此類推，用長管模接樁的方式生產三條同樣型號的管樁，張拉力N3＞N2＞N1，伸長量a3＞a2＞a1管模越長，接樁越長，有效預應力誤差越大 此新的生產工藝方式可以提高生產效率，又可以確保混凝土強度的穩定性，是值得推薦採用的，關鍵是需要控制好張拉工藝，必須把長的鋼筋骨架放在拉頭端，短的鋼筋骨架放在拉尾端，不能夠混淆，否則管樁獲得的有效預應力偏差較大。
嚴禁張拉時候出現偏心、卡模等現象，及時維修管模，避免產生阻力，不適宜使用太長的管模來生產接樁管樁，建議採用管模長度在23 m以下爲宜1.2.2 混凝土徐變和收縮引起的預應力損失 大部引(yǐn)管樁生產工藝都包含蒸養和蒸壓工序，上述工序會加速管樁混凝土徐變PHC管樁和收縮，從而造成預應力損失，其計算公式如下：
式中：σcp爲張拉後混凝與的預應力，σcp=σpt AP/Ac；φ爲徐變係數；n爲彈性模量比；Es鋼筋彈性模量；δc爲混凝土收縮率1.2.3 預應力鋼筋的鬆土(tǔ)引起的損失 鋼筋鬆弛引起預應力損失計算公式如下：。
式中：r0爲鋼筋淨鬆弛係數，取0.025 預應力鋼筋鬆弛引起的損失與放張後鋼筋拉應力、混凝土徐變收縮引起的預應力損失有關 綜合上述三個因素的分析，生產過程的張拉、蒸養等工藝環節是管樁獲得混凝土有效預應力的重要保證。
管樁等級越高，預應力損失越大有效預應力的施加必須抓好工藝細節，減少各生產環節中的損失有效預應力可提高管樁抗彎性能、韌性和抗衝擊性能有PHC管樁效預應力越高，管樁的耐打性越好1.3 分度圓直徑 分度圓直徑Dp（預應力鋼筋所在的直徑位置）與截面換算慣性矩I0存在一定關聯，且該參數與管樁抗裂彎矩有關。
管樁抗裂彎矩計算如下：
式中：σce爲混凝土有效預應力；γ爲綜合係數，當混凝土強度等級爲C80時取1.9；ftk爲混凝土抗拉強度標準值；W0爲截面換算彈性抵抗矩；I0爲截面換算慣性矩；r2爲管樁外徑；r1爲管樁內徑；
rp爲管樁分度圓半徑。 常用PHC管樁分度圓直徑對力學性能的影響見表1。
由表可知，同樣直徑的管樁，分圓直徑Dp對管樁的有效預應力沒效(xiào)影響，對管樁抗裂彎矩影響甚微實踐中，就PHC500（125）AB管樁而言，現有國標分度圓直徑爲406PHC管樁 mm，斷樁率已經很低，只要混凝土性能達標、外觀質量無缺陷、施工規範，斷樁現象出現的概率將很低。
即使有斷樁情況，一般也只是管樁頭部的混凝土出現開裂或者小範圍的混凝土塊掉落這種情況主要是混凝土強度不足或者樁頭有漏漿等缺陷造成，也可能是施工不規範的原因因此，把分度圓直徑增大到425 mm，雖然增加了截面有效高度，但抗裂彎矩僅提高0.31%，作用不明顯。
另外，管樁生產一般採用離心工藝，管樁鋼筋骨架自重大、混凝土坍落度小，在離心時鋼筋骨架受到混凝土壓力，成型後易出現鋼筋骨架偏心現象，造成保護層大小不均勻工程實踐表明，設計要(yào)求30 mm保護層，有的部位保護層可能只有有(yǒu)2 mm。
因此，分度圓直徑Dp不宜過PHC管樁大，即保護層不宜過小1.4 管樁壁厚 由式（1）和式（2）可知，管樁截面積越大，軸心抗壓承載力越大，即管樁壁厚越厚，其承載力越大在施工應用中，厚壁管樁因截面積大，在同樣的錘擊力作用下，厚壁管樁的局部承受壓力比薄壁管樁要小，抗彎承載力較大，施工時樁頭破損率和斷樁率都較低。
日本標準JIS A 5337—1993《先張法離心高強度混凝土管樁》和GB先(xiān)T 13476—2009體系下，不同壁厚管樁的軸心抗壓承載力對比見表2
由表2可知，薄壁管樁比厚壁管樁軸心抗壓承載力特徵值至軸(zhóu)減少24.9%以上，厚壁管樁力學優勢更明顯從設計角度來看，同直徑規格首選厚壁管樁厚壁管樁軸心抗壓承載力和抗彎承載力高，成樁可靠，同PHC管樁一個地塊有限的範圍內厚壁管樁優勢更(gèng)明顯，利於樁位排布。
上部荷載很大情況下，當薄壁管樁的軸心承載抗壓力可能無法滿足荷載要求，又沒有厚壁規格的管樁選擇時，設計人員只能選用大直徑灌注樁等其它樁型來替代上部荷載較大情況下，可採用同等材料的大直徑薄壁管樁代替厚壁管樁，布樁方面，相鄰樁間距明顯加大，承臺相應加大，造價提高。
目前，一般情況下管樁可滿足120 m以下高層建築的基礎需求，如壁厚減薄，勢必會大大減少管樁的應用範圍 從施工角度看，遇到地質複雜（特別是有少量夾石、淤泥或不均勻土質等）的工地，打樁過程中易出現傾斜現象，薄壁管樁抗彎承載力小，更易出現斷樁。
近幾年，越來越多的項目採用液壓錘錘擊施工，液壓錘擊PHC管樁打能量大，錘頭錘帽與管樁頂部之間的緩衝層少，薄壁管樁截面積小，局部承壓過大，更易出現斷樁 從管樁企業角度看，由於砂石原材料短缺、粗細規格級配不穩定、混凝土和易性波動、堆積混凝土料困難、工人勞動強度大等因素影響，生產厚壁管樁難度較大。
目前，最適用的布料方式仍爲整體擋板布料，減少鏟料操作的同時，也可確保混凝土料易不散落，確保混凝土抗壓強度的穩定性2 結論 （1）目前管樁應用中的最大問題爲斷樁，如能較好解決該問題，管樁的應用前景將更加廣闊。
以力學爲主線，把管樁設計、生產和施工有效聯繫起來，找到斷樁的根源所在，解決斷樁問題，爲管樁未來的可持續健康發展指明方向 （2）管樁行業發展應將管樁生產與設計、施工PHC管樁相結合在科學驗證基礎上，應用於良好地質土層，且施工規範時，可提高管樁軸心承載力設計值和特徵值，將式（1）中的“綜合折減係數”由“0.7”改爲“0.8”，式（2）中的 “1/4”改爲“1/3”，充分發揮管樁的承載力；在承載力不變的情況下，可使用薄壁管樁，便於生產操作。
（3）在生產同等軸心抗壓承載力管樁時，可通過提高混(hùn)凝土抗壓強度來減少管樁截面積，即可採用更高強度的薄壁管樁來代替現有厚壁管樁管樁混凝土抗壓強度在原有C60、C80的基礎上可增加C70、C90、C100……強度等級的產品，利於設計人員根據設計荷載來選擇更加符合要求的管樁。
（4）修訂GB/T 19496—2004標準，進一步總結數據、完PHC管樁善標準以便工地現場管樁檢測方法更科學準確地反映樁身混凝土真實強度，準確判定產品等級，避免“以次充好”、“優劣難分”的現象 （5）在管樁施工方面，加強現場管理。
通過編制液壓錘錘擊施工規範、完善衝擊能量計算公式和加強現場施工人員培訓管理，確保管樁成樁質量，從而降低因施工人爲因素或者地質原因造成的斷樁，維護管樁行業聲譽來源：《混凝土與水泥製品》雜誌2020年第7期
