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1、混合配筋预应力混凝土管桩混合配筋预应力混凝土管桩（PRC）试验研究试验研究郑州大学河南建华管桩有限公司2010年10月项目背景与研究目的项目背景与研究目的主要研究内容及工作成果主要研究内容及工作成果PRC桩试验研究桩试验研究理论研究与分析理论研究与分析PRC桩性能指标与经济效效益分析桩性能指标与经济效效益分析研究结论与展望研究结论与展望 报告内容报告内容I I、项目背景与研究目的、项目背景与研究目的工作背景给管桩技术蒙上阴影，引发全国范围的大讨论给管桩技术蒙上阴影，引发全国范围的大讨论现行管桩适用条件与桩基设计问题现行管桩适用条件与桩基设计问题采用管桩基础的高层建筑应该具有足够的基础埋深；采用
2、管桩基础的高层建筑应该具有足够的基础埋深；1、上海莲花河畔景苑楼房倒塌事件后 果及带给我们的启示日本设计桩基工程对地下室侧壁承担水平荷载的规定日本设计桩基工程对地下室侧壁承担水平荷载的规定 侧壁土的标贯侧壁土的标贯地下室层数地下室层数N=4 N=20 125%70% 250%100% 375% 4100% 日本设计规定表明：日本设计规定表明：建筑物桩基需要一定的水平承载力，以承担建筑建筑物桩基需要一定的水平承载力，以承担建筑物水平荷载的作用；物水平荷载的作用；在一定条件下，除桩基外，建筑物地下室侧壁土在一定条件下，除桩基外，建筑物地下室侧壁土体也可以承担建筑物部分或全部的水平荷载。体也可以承担
3、建筑物部分或全部的水平荷载。临近建筑物施工安全与设计责任问题临近建筑物施工安全与设计责任问题较厚软土工程采用管桩基础，应通过各种工较厚软土工程采用管桩基础，应通过各种工况与地基工作条件下的稳定性验算，选择合况与地基工作条件下的稳定性验算，选择合适的管桩型号适的管桩型号 。非非筏筏板板基基础础，管管桩桩长长细细比比较较大大，地地基基稳稳定定性性差差，选选型型不不合合理理。靠靠近近基基坑坑一一侧侧产产生生弯弯剪剪破破坏坏，外外侧侧发发生生管管桩桩拉拉断断破破坏坏或或芯芯桩桩拔拔出出破破坏坏，管管桩桩型型号号过过于于节节省省！技术标准、规范责任与设计责任问题技术标准、规范责任与设计责任问题没有一部法
4、律规定，按照国家技术标准进行工程没有一部法律规定，按照国家技术标准进行工程设计，就可以不承担法律约束下的技术责任。设计，就可以不承担法律约束下的技术责任。社会责任、省钱有度、科学选桩社会责任、省钱有度、科学选桩2、预应力管桩市场与技术进步的需要传统管桩通过传统管桩通过对钢棒均匀施加预应力形成预应力混凝对钢棒均匀施加预应力形成预应力混凝土构件，主要用于竖向承载。土构件，主要用于竖向承载。抗弯承载力不足、脆性、抗裂性能差，不能用于边坡、抗弯承载力不足、脆性、抗裂性能差，不能用于边坡、基坑等水平承载，及欠固结土采用桩基的情况基坑等水平承载，及欠固结土采用桩基的情况。工作背景 （引自：王重）（引自：王
5、重）日本钢管混凝土管桩日本钢管混凝土管桩ACCS 桩，桩水平承载力大为提高桩，桩水平承载力大为提高（引自：浙江大学宁波理工学院方鹏飞）（引自：浙江大学宁波理工学院方鹏飞） 国内开发的国内开发的带横隔管桩，提高抗弯能力、延性带横隔管桩，提高抗弯能力、延性中中交交三三航航局局宁宁波波分分公公司司研研制制的的先先张张法法钢钢绞绞线线预预应应力力混混凝凝土土管管桩桩（简简称称SPHC桩桩） （引自：王重）（引自：王重） 日本研发出扩端预应力混凝土管桩，以提高桩端承载力日本研发出扩端预应力混凝土管桩，以提高桩端承载力（引自：王重）（引自：王重） 日本研制的变节日本研制的变节AG桩，用于提高桩侧阻力桩，用
6、于提高桩侧阻力 增加品种，给用户、设计者更多的选择增加品种，给用户、设计者更多的选择工程科技工作者共同的责任工程科技工作者共同的责任3、研究目的、研究目的IIII、主要研究内容与工作成果、主要研究内容与工作成果编制标准图集、推广使用编制标准图集、推广使用研究工作思路新型管桩项目立项新型管桩项目立项新型预制混凝土管桩理论研究与分析新型混合配筋管桩试验研究抗弯性能抗弯刚度抗压性能抗剪性能1 1 进行了进行了1212组混合配筋预应力管桩抗弯组混合配筋预应力管桩抗弯性能试验；性能试验；2 2 提出了混合配筋预应力管桩抗裂弯矩、提出了混合配筋预应力管桩抗裂弯矩、抗弯承载力标准值和设计值的计算公式，抗弯承
7、载力标准值和设计值的计算公式，进行了相应的计算分析；进行了相应的计算分析；3 3提出了混合配筋预应力管桩抗剪承载力及提出了混合配筋预应力管桩抗剪承载力及抗裂剪力的计算公式，进行了相应的计算抗裂剪力的计算公式，进行了相应的计算分析；分析；主要工作内容 主要工作内容主要工作内容4 4提出了混合配筋预应力管桩桩身材料竖向承载力设计计提出了混合配筋预应力管桩桩身材料竖向承载力设计计算公式，并进行了相应的计算分析；算公式，并进行了相应的计算分析；5 5提出了混合配筋预应力管桩抗弯刚度计算公式，给出了提出了混合配筋预应力管桩抗弯刚度计算公式，给出了标准试验条件下的挠度实测值，供工程参考使用；标准试验条件下
8、的挠度实测值，供工程参考使用；6 6编制出河南省工程建设地方标准：混合配筋预应力混凝编制出河南省工程建设地方标准：混合配筋预应力混凝土管桩标准图集。土管桩标准图集。主要工作内容III、 PRC桩试验研究桩试验研究1.混合配筋预应力管桩-PRC桩概念的提出 在预应力混凝土管桩中加入一定数量的非预应力钢筋，在预应力混凝土管桩中加入一定数量的非预应力钢筋，形成一种新型混合配筋预应力管桩形成一种新型混合配筋预应力管桩PRCPRC桩。其中，非预桩。其中，非预应力钢筋采用全截面对称配筋和扇形截面对称配筋。应力钢筋采用全截面对称配筋和扇形截面对称配筋。 混混合合配配筋筋钢钢筋筋笼笼成成品品 与传统预应力管桩
9、相比，与传统预应力管桩相比，PRC桩桩水平承载力水平承载力有所提高，变形性能得到改善，适用于一般工业有所提高，变形性能得到改善，适用于一般工业与民用建筑的低承台桩基础，也可用于与民用建筑的低承台桩基础，也可用于基坑、边基坑、边坡、堤岸、及软土地区的桩基、坡、堤岸、及软土地区的桩基、刚性桩复合地基刚性桩复合地基工程。工程。 试验所用试件共试验所用试件共1212根，根，D=500mmD=500mm和和D=600mmD=600mm两种直径。非预应力钢筋采用扇形轴对称两种直径。非预应力钢筋采用扇形轴对称配置。配置。 桩试件设计规格型号样品钢筋PRC- 500*1210.7（1）10.7*12+12*8
10、PRC- 500*1210.7（2）10.7*12+12*8PRC- 500*1410.7（1）10.7*14+12*8PRC- 500*1410.7（2）10.7*14+12*8PRC- 500*1610.7（1）10.7*16+12*8PRC- 500*1610.7（2）10.7*16+12*8PRC- 600*1610.7（1）10.7*16+12*8PRC- 600*1610.7（2）10.7*16+12*8PRC- 600*1810.7（1）10.7*18+12*10PRC- 600*1810.7（2）10.7*18+12*10PC 600*1610.710.7*16PC 500*1
11、610.710.7*16试件型号与配筋表新型混合配筋预应力管桩试件设计新型混合配筋预应力管桩试件设计管桩抗弯试验加载示意图管桩抗弯试验加载示意图桩试验方案 试验测试内容试验测试内容开裂荷载和极限荷载开裂荷载和极限荷载 ；各级荷载作用下的裂缝宽度及开展情况各级荷载作用下的裂缝宽度及开展情况 ；各级荷载作用下的挠度变形各级荷载作用下的挠度变形 ；各级荷载作用下混凝土应变。各级荷载作用下混凝土应变。按理论抗裂弯矩的按理论抗裂弯矩的20%20%的级差加载至抗裂弯矩的的级差加载至抗裂弯矩的80%80%；按抗裂弯矩的按抗裂弯矩的10%10%的级差加载至抗裂弯矩的的级差加载至抗裂弯矩的100%100%。观察
12、是。观察是否有裂缝出现，并测定和记录裂缝宽度。如果在抗裂弯矩否有裂缝出现，并测定和记录裂缝宽度。如果在抗裂弯矩达达100%100%时未出现裂缝，则按抗裂弯矩的时未出现裂缝，则按抗裂弯矩的5%5%的级差加载至裂的级差加载至裂缝出现。缝出现。按极限弯矩按极限弯矩5%5%的级差继续加荷载直至试验桩破坏，具体表的级差继续加荷载直至试验桩破坏，具体表现为受拉区预应力钢筋的拉断或受压区混凝土被压碎，标现为受拉区预应力钢筋的拉断或受压区混凝土被压碎，标志试验桩已经破坏，停止试验。志试验桩已经破坏，停止试验。试验加载步骤试验加载步骤4、试验过程及现象分析 管桩试验过程及现象分析PRC管桩和普通预应力管桩试验结
13、果比较表 管桩试验结果分析裂缝裂缝条数条数破坏时裂破坏时裂 缝宽度缝宽度破坏形态破坏形态破坏破坏荷载荷载跨中跨中挠度挠度 PRC-160.65mm受拉钢筋屈服、受压受拉钢筋屈服、受压区混凝土压碎区混凝土压碎630kN 41mm PC 81.3mm预应力钢筋拉断预应力钢筋拉断550kN34mm管桩试验结果分析 PRC-600桩 PC600桩荷荷载载-跨跨中中挠挠度度曲曲线线比比较较荷载-跨中挠度曲线比较管桩试验结果分析PC- 500PC 600PRC-II 600管桩截面应变 管桩试验结果分析 PC600桩 PRC-600桩 PRC-600桩荷载荷载-挠度挠度曲线比较曲线比较5、试验结果比较试验
14、结果比较 试件编号开裂荷载（kN） 极限荷载（kN）最大挠度值(mm)PRCPRC- 500*1210.7500*1210.7（1 1）185.6353.941.5PRCPRC- 500*1210.7500*1210.7（2 2）185.6392.542.0PRCPRC- 500*1410.7500*1410.7（1 1）233.1421.234.1PRCPRC- 500*1410.7500*1410.7（2 2）233.1430.832.0PRCPRC- 500*1610.7500*1610.7（1 1）233.1430.832.0PRCPRC- 500*1610.7500*1610.7（2
15、 2）223.5517.834.0PRCPRC- 600*1610.7600*1610.7（1 1）322.9609.137.5PRCPRC- 600*1610.7600*1610.7（2 2）322.9609.139.5PRCPRC- 600*1810.7600*1810.7（1 1）341.1580.030.0PRCPRC- 600*1810.7600*1810.7（2 2）330.4660.442.7PC500*1610.7227.4367.432.6PC600*1610.7307.8529.134.4、理论研究与分析、理论研究与分析1、抗弯性能理论研究抗弯性能理论研究混凝土离心工艺系数
16、混凝土离心工艺系数混凝土有效预压应力（考虑非预应力筋作用）混凝土有效预压应力（考虑非预应力筋作用） 管桩抗裂弯矩管桩抗裂弯矩 其中，其中，预应力损失计算 预应力钢筋因松弛引起的的拉应力强度损失预应力钢筋因松弛引起的的拉应力强度损失，。混凝土的徐变及收缩引起的预应力钢筋拉应力强度损失混凝土的徐变及收缩引起的预应力钢筋拉应力强度损失 管桩极限抗弯承载力标准值（检验值）管桩极限抗弯承载力标准值（检验值） 抗弯性能理论研究 管桩抗弯承载力设计值管桩抗弯承载力设计值 抗弯性能理论研究规格格预应力力钢筋筋非非预应力力钢筋筋开裂弯矩开裂弯矩极限弯矩极限弯矩标准准值弯矩弯矩设计值理理论值试验值试验/理理论理理
17、论值试验值试验/理理论500*1001610.7219.1365.61210.7812151180.11.19301352.31.172441210.7812151184.21.21301364.41.212441410.7812166224.81.35331402.11.212641410.7812166224.81.35331417.21.262641610.7812180247.71.37356435.71.222801610.7812180232.11.29356489.61.37280600*1101610.7294.9512.31610.7812252309.31.23477588
18、.41.233831610.7812252309.31.23477588.41.233831810.71012269292.81.09528629.31.194221810.71012269315.91.17528621.91.18422 理论计算值和试验值比较理论计算值和试验值比较 【试验【试验/理论】平均：开裂弯矩；极限弯矩理论】平均：开裂弯矩；极限弯矩抗弯性能理论研究2、抗剪性能理论研究抗剪性能理论研究 抗剪承载力理论计算方法抗剪承载力理论计算方法1 1：等效矩形截面法：等效矩形截面法面积和惯性矩相等效面积和惯性矩相等效 抗剪承载力理论计算抗剪承载力理论计算2 2：规范等效截面法：规范等
19、效截面法 将环形截面按二个圆形截面（直径分别为管桩将环形截面按二个圆形截面（直径分别为管桩外径和管桩内径）等效成矩形截面，按现行国家标准外径和管桩内径）等效成矩形截面，按现行国家标准混凝土结构设计规范（混凝土结构设计规范（GB50010-GB50010-）有关规定计算，）有关规定计算，二者抗力剪力之差即为管桩抗剪承载力。二者抗力剪力之差即为管桩抗剪承载力。抗剪性能理论研究管桩编号管桩编号理论计算公式理论计算公式1理论计算公式理论计算公式2公式公式1/公式公式2PRC-I400B95164.3167.10.98PRC-I400D95179.9183.10.98PRC-I500AB100242.3
20、236.61.02PRC-I500B100248.5242.81.02PRC-I500C100254.7248.91.02PRC-I500D100266.6260.81.02PRC-I600AB110327.4313.91.04PRC-I600B110333.6320.01.04PRC-I600C110339.8326.01.04PRC-I600D110357.6343.41.04PRC-I700AB110420.2392.91.07PRC-I700B110433.1405.31.07PRC-I700C110445.3417.11.07PRC-I700D110478.9449.41.06PRC
21、-I800B110506.9466.81.08PRC-I800C110518.1477.51.08抗剪承载力理论计算结果比较抗剪承载力理论计算结果比较抗剪性能理论研究日本管日本管桩规范抗剪承范抗剪承载力力计算公式：算公式：水平承水平承载管管桩达到抗弯承达到抗弯承载力力时的剪力的剪力实验值构件型号构件型号日本公日本公式式Q(N)）实验值Vt等效矩形等效矩形Vu1（2-20）规范等效范等效Vu2（2-21）Vt/QVt/Vu1PRC500*1210.7（1）3396371855702263052218670.550.82PRC500*1210.7（2）33963719626022630522186
22、70.580.87PRC500*1410.7（1）3791972298502385402338620.610.96PRC500*1410.7（2）3600742105952325362279760.580.91PRC500*1610.7（1）3600742255152325362279760.630.97PRC500*1610.7（2）3791972589102385402338620.681.09PC500*1610.73791971882752385402338620.50.79理论公式计算值及与试验比较理论公式计算值及与试验比较构件型号构件型号日本公式日本公式Q(N)）实验值Vt等效矩等
23、效矩形形Vu1（2-20）规范等范等效效Vu2（2-21）Vt/QVt/Vu1PRC600*1610.7（1）5307083422003134683014110.641.09PRC600*1610.7（2）5307083302003134683014110.621.05PRC600*1810.7（1）5084333192603070972952850.631.04PRC600*1810.7（2）5084333192603070972952850.631.04PC600*1610.75084332772503070972952850.550.9 斜裂剪力理论计算方法斜裂剪力理论计算方法 将环形截
24、面按二个圆形截面（直径分别为管桩外径将环形截面按二个圆形截面（直径分别为管桩外径和管桩内径）等效成矩形截面计算，忽略箍筋的作用，和管桩内径）等效成矩形截面计算，忽略箍筋的作用，二者抗力剪力之差即为管桩抗裂剪力。其中混凝土强度二者抗力剪力之差即为管桩抗裂剪力。其中混凝土强度取桩身混凝土轴心抗拉强度标准值。取桩身混凝土轴心抗拉强度标准值。抗剪性能理论研究抗剪性能理论研究 推导理论方法推导理论方法3、桩身材料竖向承载力理论研究 管桩规范方法管桩规范方法计算结果比较计算结果比较管桩编号管桩编号管桩规范公式管桩规范公式1理论推导公式理论推导公式2公式公式1/公式公式2PRC-I400B952100185
25、9 1.13PRC-I400C9521001664 1.26PRC-I500AB10029002740 1.06PRC-I500B10029002703 1.07PRC-I500C10029002667 1.08PRC-I500D10029002428 1.19PRC-I600AB11039003695 1.05PRC-I600B11039003658 1.06PRC-I600C11039003622 1.07PRC-I600D11039003303 1.18PRC-I700AB11047004472 1.05PRC-I700B11047004398 1.07PRC-I700C11047004
26、326 1.08PRC-I700D11047003821 1.23PRC-I800B11055005176 1.06PRC-I800C11055005103 1.08桩身竖向承载力理论研究平平均均4、管桩抗弯刚度及挠度试验结果和理论分析（1 1）管桩短期抗弯刚度理论计算规范公式）管桩短期抗弯刚度理论计算规范公式（2 2）管桩挠度有限元计算分析）管桩挠度有限元计算分析（3 3）管桩挠度理论计算、有限元计算和试验结果比较）管桩挠度理论计算、有限元计算和试验结果比较型桩的荷载-挠度曲线图 型桩的荷载-挠度曲线图 型桩的荷载-挠度曲线图 型桩的荷载-挠度曲线图 、主要性能指标及经济效益分析、主要性能指
27、标及经济效益分析抗裂弯矩抗裂弯矩 与先张法预应力混凝土管桩（与先张法预应力混凝土管桩（GB13476-GB13476-）相比提高）相比提高5% 5% 10% 10%。弯矩设计值弯矩设计值 与先张法预应力混凝土管桩（与先张法预应力混凝土管桩（GB13476-GB13476-）相）相比平均提高了比平均提高了28%28%。桩身强度提供的竖向抗压承载力桩身强度提供的竖向抗压承载力 与先张法预应力混凝土管桩（与先张法预应力混凝土管桩（GB13476-GB13476-）相比，）相比，提高了提高了1020%1020%。标准试验条件下延性标准试验条件下延性 比传统比传统PCPC桩增加桩增加8%8%30%30%
28、。管桩编号管桩编号挠度（挠度（mm）荷载（荷载（kN）试验值）试验值开裂挠度开裂挠度开裂荷载开裂荷载破坏挠度破坏挠度破坏荷载破坏荷载PRC-500AB1007.6185.644392.5PRC-500B1006.9233.132430.8PRC-500C1008.5233.534517.8PRC-600AB1108.4322.937609.1PRC-600B1109.0330.446.7660.4 PC600 PC6009.0307.834.4529.1 PC500 PC5008227.432.6367.4裂缝宽度与耐久性裂缝宽度与耐久性 与先张法预应力混凝土管桩（与先张法预应力混凝土管桩（G
29、B13476-GB13476-）相比，在工作条件下裂缝宽度减少相比，在工作条件下裂缝宽度减少50%50%，为解决管桩作为，为解决管桩作为受弯构件、受拉构件时的裂缝宽度控制，即耐久性控制设受弯构件、受拉构件时的裂缝宽度控制，即耐久性控制设计问题，提供了条件。计问题，提供了条件。与普通与普通PHCPHC桩联合使用，形成上下组合桩，可以较桩联合使用，形成上下组合桩，可以较好解决管桩抗弯即水平承载力不足的问题好解决管桩抗弯即水平承载力不足的问题 上部采用上部采用PRC桩下部采用桩下部采用PHC桩（或桩（或PC桩）桩） PRC桩PHC桩相对软土 中部采用中部采用PRC桩上下部采用桩上下部采用PHC桩（或
30、桩（或PC桩）桩） PRC桩PHC桩软土PRC桩桩用用于于深深基基坑坑工工程程支支护护结结构构 应用于双排桩应用于双排桩-锚杆支护结构体系锚杆支护结构体系洞庭湖护岸工程采用洞庭湖护岸工程采用PRC阻滑桩阻滑桩PRC桩淤泥质粉质粘土粉细砂粉质粘土洞庭湖堤身土也可采用组合阻滑桩，节约投资也可采用组合阻滑桩，节约投资PRC桩PHC桩淤泥质粉质粘土粉细砂粉质粘土洞庭湖堤身土、研究结论与展望、研究结论与展望1 1）PRCPRC桩采用混合配筋方式，提高了离心预应力桩采用混合配筋方式，提高了离心预应力管桩的桩身承载力，提高了管桩延性，通过对裂管桩的桩身承载力，提高了管桩延性，通过对裂缝宽度的限制改善了管桩的
31、工程耐久性，为拓宽缝宽度的限制改善了管桩的工程耐久性，为拓宽预应力混凝土管桩在建筑、水利、交通等工程领预应力混凝土管桩在建筑、水利、交通等工程领域的使用范围创造了条件。域的使用范围创造了条件。2 2）PRCPRC桩抗弯承载力介于普通桩抗弯承载力介于普通PHCPHC与离心钢管混凝与离心钢管混凝土桩（土桩（SCSC管桩）或实芯钢管混凝土桩之间，与管桩）或实芯钢管混凝土桩之间，与“先张法先张法”钢绞线预应力混凝土管桩（钢绞线预应力混凝土管桩（SPHCSPHC管桩）管桩）相当，可根据工程设计条件与施工要求单独使用，相当，可根据工程设计条件与施工要求单独使用，也可与其他型号的预应力管桩混合使用，具有较也
32、可与其他型号的预应力管桩混合使用，具有较好的技术与经济效益。好的技术与经济效益。3 3）本项目研究方向着重于混合配筋预应力管桩的）本项目研究方向着重于混合配筋预应力管桩的截面承载力、工作延性及裂缝宽度的试验与理论截面承载力、工作延性及裂缝宽度的试验与理论研究，管桩的最终使用性能离不开管桩的生产与研究，管桩的最终使用性能离不开管桩的生产与施工技术和环节，管桩产品的研制应与管桩施工施工技术和环节，管桩产品的研制应与管桩施工技术的开发相互适应、彼此促进、共同提高。技术的开发相互适应、彼此促进、共同提高。4 4）应加强高性能混凝土材料在预应力管桩中的应）应加强高性能混凝土材料在预应力管桩中的应用研究；加强提高用研究；加强提高PRCPRC预应力管桩端板力学性能与预应力管桩端板力学性能与快速连接技术及其耐久性研究，以提升混合配筋快速连接技术及其耐久性研究，以提升混合配筋预应力混凝土管桩的整体技术水平。预应力混凝土管桩的整体技术水平。谢谢各位！谢谢各位！ Thanks for attention! Thanks for attention!
