刘存利 余 彦 王 鑫

（陕西省建筑科学研究院 陕西 西安 710082）

1 预制高强混凝土管状劲性体（以下简称劲性体PPRC）简介

预制高强混凝土管状劲性体（以下简称劲性体PPRC）也是高强预应力混凝土管桩的一种，只是壁厚较小（一般壁厚t 的范围值55≤t≤80mm，预应力管桩的壁厚≥100mm），混凝土强度等级不低于C60，可根据桩径大小及单节长度配置不同数量主筋，预应力主筋应根据计算确定，预应力钢筋应呈圆形、均匀布置。劲性体的常用规格按外径分为300mm、400mm、500mm、600mm 等几种，具体几何参数及配筋见表1。

表1 预制高强管状劲性体的基本几何尺寸

劲性体PPRC 的配筋及力学参数见表2。

表2 预制高强管状劲性体的力学性能

以上是劲性体PPRC 的基本规格及力学参数，可根据不同的工程地质条件及荷载要求进行专门设计、加工其所需要规格的劲性体，在工程应用上做到安全、经济、合理，这是其它地基处理方式所不能达到的，也是劲性体PPRC 的优势所在。

2 剪重比的计算

2.1 素混凝土刚性桩抗剪承载力的计算

（1）方法1：素混凝土桩在设计计算时除应满足复合地基承载力、单桩竖向抗压承载力及变形验算外还应满足建筑物对剪重比的要求。

混凝土受剪承载力设计值依据《混凝土结构设计规范》第6.3.3 条规定：不配置箍筋和弯起钢筋的一般板类受弯构件，其斜截面受剪承载力按下式计算：

其中βh-截面高度影响系数：当h0小于800mm 时，取800mm，则 βh=1，当h0大于2000mm 时，取2000mm。

该公式为矩形截面钢筋混凝土构件受剪承载力的计算公式，依据《建筑结构学报》1995.6 月第16 卷第3 期《圆形、环形截面钢筋混凝土构件抗剪承载力的试验研究》成果，圆形截面抗剪承载力计算时b 取直径D=400mm，h0取换算有效截面h¯0，

h¯0=r+2rs/π，rs=r-（cs+10）

式中：cs-钢筋的保护层厚度；R-半径。

素混凝土刚性桩，无配筋，可取rs=r；以桩径D=400 为例：

h0=200+2×200/3.14=327.4

混凝土强度等级为C35 的抗剪强度设计值。

V1=0.7×1×16.7×400×327.4=153.1kN

据此办法计算的是钢筋混凝土圆形桩的抗剪承载力值，只是没有考虑钢筋所占截面面积，而素混凝土刚性桩为素混凝土桩，其抗剪承载力值肯定要小于上述计算值，因此素混凝土刚性桩抗剪强度设计值可按V=0.8V1=153.1×0.8=122.5kN（强度等级为C35）。

（2）方法2。

仍采用《混凝土结构设计规范》第6.3.3 条规定中关于矩形截面受剪承载力计算公式，在b 和h0选取时参照《地基基础设计规范》中方形与圆形截面换算方法，边长=0.886 圆形截面直径，即b=h0=0.886d。

以桩径D=400 为例混凝土强度等级为C35 的抗剪强度设计值。

V1=0.7×1×16.7×354.4×354.4=146.8kN

V=0.8V1=146.8×0.8=117.5kN（强度等级为C35）

（3）方法3：模型试验结果，根据《土木工程学报》1999 年4 月第32卷第2 期施士昇教授的《混凝土的抗剪强度、抗剪模量和弹性模量》研究结果及Bresle 和Pister 的研究结果表明：混凝土的抗剪强度和抗压强度之比在0.056～0.095 之间，据此计算素混凝土刚性桩抗剪强度时还应按照《建筑地基基础设计规范》第8.5.11 条规定考虑工作条件系数φc=0.6～0.8 之间（水下混凝土灌注桩、长桩或混凝土强度等级高于C35 时用低值）。根据实验数据计算结果列于见表3。

以上计算结果均为近似值，按照前两种计算结果与第三种实验结果很接近，说明这两种计算结果是可靠、可信的。

表3

（4）桩身抗压承载力计算。

根据《建筑地基处理技术规范》JGJ 79—2012 第7.1.6 条刚性桩桩身混凝土强度计算式：

fcu=4λRa/A

Ra=fcuA/4λ

式中：λ-单桩承载力发挥系数，通常取0.85；fcu-桩体试块标养28d 的立方体抗压强度平均值；

以桩径D=400，桩身混凝土强度等级C35 为例：

Ra=（35000×3.14×0.2×0.2）/（4×0.85）=1292.9kN

Rp=1292.9×1.35=1745.5kN

在陕西地区设计素混凝土刚性桩复合地基时，变形计算满足规范要求的情况下，其单桩承载力一般由桩身混凝土强度控制，因此素混凝土刚性桩的剪重比计算为抗剪承载力设计值和桩身抗压承载力设计值之比=117.5kN/1745.5kN=0.067。

2.2 劲性体PPRC 受剪承载力设计值及抗压承载力设计值（见表4）

表4

从表4 可以看出，劲性体PPRC 的剪重比与素混凝土刚性桩的剪重比计算结果相近，也就是说，不考虑工程地质、施工条件等因素的影响时，在建筑工程中劲性体和素混凝土刚性桩两种桩型的复合地基是可以相互代替的。

3 两种地基处理方式的比较

素混凝土刚性桩复合地基是复合地基的代表，目前多用于高层建筑中。由于它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，使之具有刚性桩的某些性状；一般情况下不仅可以全桩长发挥桩的侧阻作用，当桩端落在好土层时也能很好地发挥端阻作用，从而表现出很强的刚性桩性状；素混凝土刚性桩和桩间士、褥垫层一起形成复合地基，素混凝土刚性桩复合地基通过褥垫层与基础连接，无论桩端落在一般土层还是坚硬土层，均可保证桩间土始终参与工作。由于桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩间士表面应力大。桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少了桩间土承担的荷载。这样，由于桩的作用使复合地基承载力提高，变形减小，再加上素混凝土刚性桩不配筋，桩体利用工业废料粉煤灰作为掺和料，大大降低了工程造价。

由于国家治污减霾力度的进一步加大，陕西地区去年的原材料（水泥、碎石、砂子）价格极度上涨，采购困难，一度出现原材紧缺的局面，这样使得商品混凝土价格飞涨，甚至出现断货的情况。由此造成商混质量下降，素混凝土刚性桩桩身质量难以保证。经常出现素混凝土刚性桩在试桩和工程桩检测时桩头压碎、桩身压裂现象，单桩或复合地基承载力不满足设计要求，经现场取芯验证混凝土强度不够，为项目建设带来一系列困难。同时素混凝土刚性桩存在的通病有：堵管、窜孔、桩头空芯、桩端不饱满、桩孔偏斜、钻进困难造成问题桩、开挖桩间土时碰断形成断桩，总之施工问题经常出现，为工程使用带来很那多麻烦，也严重影响了素混凝土刚性桩的应用。

陕西地区从每年的11 月15 日到次年的3 月15 日为冬防期，是禁止涉土作业的，也就是说在这4 个月里素混凝土刚性桩是不能施工的，这也大大制约了素混凝土刚性桩的使用。

预制高强管状劲性体（以下简称劲性体PPRC）是一种预制好的成品桩，属于国家大力推广的装配式建筑范畴。首先预制高强管状劲性体与素混凝土刚性桩在造价方面基本相当，桩身抗压承载力较高，它的桩身质量是有保证的，不存在素混凝土刚性桩施工中经常遇到的诸如堵管、断桩、桩头空芯等质量问题。在冬防期施工也不存在出土、拉泥、破桩头、商混运输等问题，是素混凝土刚性桩很好的替代产品。虽然预制高强管状劲性体较素混凝土刚性桩有如此大的优势，但它也有它的使用条件，在合适的地层条件下使用，既能满足工程条件，也为建设单位节约了工期。

劲性体PPRC 壁厚和混凝土强度要根据场地地质条件及承载力两方面考虑，比如软塑-流塑状土层宜选择壁薄混凝土强度等级为C60 的桩型，在湿陷性黄土中宜选择厚壁、高强度劲性体，减少爆桩率，同时劲性体在施工过程中对桩间土还有一定的挤密效果，设计时要予以考虑。

4 结论

素混凝土刚性桩近几年在陕西地区快速发展起来的地基处理方式，已为设计人员广泛采用，但是它也不是万能的，也有它的适用条件，比如在砂层中优势很明显，而在土层中或冬防期，预制高强管状劲性体的优点就显现出来了；总之，每一种地基处理方式都有它的适用性，选择合理的处理方式既节约造价又节约工期。