水平测斜的管桩任意截面倾角计算方法浅析

李文杰孟令健刘文昕方盛宇

摘要：随着《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的局部修订，对建筑物抗震性能的要求进一步深化，针对上部结构的优化措施研究基本成熟，而对于地下结构，尤其管桩基础，其在地震作用下的受力变形性状尚不明确，因此对管桩在水平力作用下的受力变形研究成为迫切要求。本文就水平测斜的管桩任意截面倾角计算方法展开分析很探讨。

导言

从现有专利来看，一方面对管桩桩身截面倾角的检测密度太过于稀疏，且不精确，无法为管桩桩身的抗震性能研究提供依据；另一方面基于目前的检测手段，成本过高，无法大范围推广应用。当前从技术、经济等多角度尚不存在一种切实有效的管桩截面倾角检测方法，本文设计目的在于建立一种基于水平测斜的管桩任意截面倾角计算方法，具有极大的创新意义与现实价值。

1概述

1.1项目背景

管桩的斜截面抗剪承载力是其主要承载性能指标，其计算方法为工程界广泛关注。但是我国《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）（简称混凝土规范）中没有管桩的抗剪承载力公式，而《先张法预应力混凝土管桩》（GB13476—2009）（简称管桩国标规范）以及各地方性标准图集在管桩抗剪承载力方面的研究也均较少。在上海发生的13层楼倒塌事故中，尽管造成倒塌的主要原因是楼旁堆土过高，但是管桩抗剪承载力低、易发生脆性破坏，并且没有较准确的计算方法来正确评价其抗剪性能也是一个因素。而汶川地震对建筑物的破坏严重，也需重新审视建筑结构抗震性能的重要性，因此研究管桩的抗震性能意义重大，但是管桩斜截面抗震量化分析在国内尚属空白。

1.2成果的主要用途

本发明属于建筑技术的创新技术，特别是涉及一种基于水平测斜的管桩任意截面倾角计算方法。通过对桩身水平测斜的拟合获得管桩任意截面倾角，其精度满足工程要求，能够为管桩在水平荷载乃至地震作用下的动力分析提供科学依据，为下一步管桩基础抗震设计奠定技术支持。

2关键技术和技术原理

2.1关键技术

根据桩长拼接相应的测斜管；桩身截面倾角和沿桩深度的关系式确定。

2.2技术原理

由材料力学关于受弯构件的基本原理可知，管桩的测斜曲线与截面倾角存在以下关系：

由公式3即可得到桩身任意截面的倾角。

3技术方案及创新点

3.1技术方案

（1）根据桩长拼接相应的测斜管

角磨机换砂轮片将测斜管十字口对应的其中一个表面通长打磨，便于测斜管和环氧树脂胶的粘接。由于PHC管桩是经过离心成型的，在预制桩的内壁会出现很多的环形褶皱，这将很不利于测斜管与内壁混凝土的粘接。因此，在管桩内孔灌入20mm厚水泥自流平，待其达到强度。

将环氧树脂胶、固化、细砂按1：1：0.5的比例混合均匀，拌入细砂以减少其流动性，静置5min。然后将粘接剂均匀涂抹于打磨过的测斜管上，将测斜管粘接剂朝上送入桩孔内并翻转180°，使胶与桩孔内水泥自流平充分接触，再在测斜管内穿入6-10根钢筋，依靠钢筋的自重来使测斜管牢牢的粘在桩孔内水泥自流平表面。

（2）计算应用

试验中预应力高强混凝土管桩在竖向只受到自身重力和侧向摩阻力的作用且相互平衡，因此可以把管桩看作竖向不受力的纯弯构件。由材料力学关于受弯构件的基本原理可知，管桩的测斜曲线与截面倾角存在以下关系：

由公式3即可得到桩身任意截面的倾角。

3.2具体应用过程

针对本项目研究内容，具体实施方案如下：

（1）测斜管1的拼接：拼接时将测斜管上的凹槽和连接管上的凸槽相啮合，然后沿凹凸槽轻轻推移直至两端的测斜管完全相接，并用3颗M4×10自攻螺钉固定，连接时应在接头处涂抹一层PVC胶水，连接完成之后在连接处用胶布密封，有利于测斜管形成一个整体。

（2）打磨：角磨机换砂轮片将测斜管十字口对应的其中一个表面2通长打磨。

（3）灌入：将管桩3水平放置，两侧桩孔密封一半，在内孔灌入20mm厚水泥自流平4。

（4）粘贴：将环氧树脂胶、固化、细砂按1：1：0.5的比例混合均匀，作为粘接剂5，静置5min。然后将粘接剂均匀涂抹于打磨过的测斜管上，将测斜管粘接剂朝上送入桩孔内并翻转180°，使胶与桩孔内水泥自流平充分接触，再在测斜管内穿入8根钢筋6。

（5）检测：将桩打入试验场地，休止期后进行检测。应用测斜仪对某一级荷载7下的桩水平位移进行测量并导出相关数据，如下表所示。

（6）计算拟合：采用8次多项式对桩身水平位移曲线进行拟合，得到8次多项式系数如下表：

得到桩身截面倾角与沿桩深度关系曲线见图1。为了验证该方法的计算精度，采用高精度的倾角仪对同一荷载作用下桩截面倾角进行量测，对比结果见下表，由表可以看出计算值误差在5%以内，其精度完全满足需要。

3.3创新点

提供了一种基于水平测斜的管桩任意截面倾角计算方法，通过对桩身水平测斜的拟合获得管桩任意截面倾角，为管桩在水平荷载乃至地震作用下的动力分析提供依据。

结论

通过对桩身水平测斜的拟合获得管桩任意截面倾角，其精度满足工程要求，能够为管桩在水平荷载乃至地震作用下的动力分析提供科学依据，为下一步管桩基础抗震设计奠定技术支持。

参考文献：

[1]王俊炜.变截面与等截面管桩单桩承载性状及经济对比分析[D].湖南工业大学，2014.

[2]曾文，侯伟生.侧向变位PHC管桩竖向承载力的分析与计算[J].福建建筑，2007，05：38-40+46.