0 前言
预应力高强混凝土管桩( PHC 管桩) 是当前建设工程中常用 的桩基材料，它具有施工速度快 、价格低 、承载力高 、质量稳定 、养护时间短 、施工方便等诸多优点，近年来在我国沿海地区得到了越来越广泛的应用 。但是，PHC 管桩属 薄壁混凝土杆件，抵抗弯曲荷载的能力较差，桩身破坏的工程质量事故时有发生 。 特别是 5.12 汶川大地震发生后， 我国沿海地区的地震潜害性得到了 高度关注， 沿海地区中大量采用的PHC 管桩在地震中的表现性状及抗震设防问题越来越引起重视 。
结合桩基工程震害实例，依据桩基抗震设计原则，研究沿海软土液化地基的PHC 管桩在地震作用下的表现性状，讨论PHC管桩的内力计算，并对 PHC 管桩的抗震设防问题提出一些建议，供设计和施工人员借鉴 。
1 桩基的震害
桩基的震害大致可划分为非液化地基与液化地基两类破坏，后者受力机理更为复杂 。至今对非液化地基上桩的受力与破坏方面的认识较多; 而对液化地基上桩的破坏过程，地震作用在液化过程中的变化，乃至符合实际的设计计算方法等仍有许多不明之处 。而我国沿海软土液化地基的桩基震害均以液化和软土震陷为主。
文［ 1 ］通过对几次大地震震害，特别是日本阪神地震的桩基震害的调查，认为沿海软土液化地基上 PHC 管桩的震害主要表现为: 1 ) 桩身在液化层与非液化层交界面这种刚性突变处均有全断面的水平裂缝， 桩身在液化层底部和液化层中部出现剪坏或弯曲破坏，系由流动的土体对桩的侧向压力所致; 2 ) 桩顶嵌固的破坏; 3 ) 上部结构因桩身折断而产生不同程度的不均匀沉降 。
文［ 1 ］通过对 PHC 管桩的震害调查认为，桩与承台的连接方法未做改进(图 1 ) 是几次地震中桩基破坏率几乎不变的主要原因，其存在的主要问题是: 1 ) 桩头埋入基础中的钢筋较少，剪力大时桩伸入基础的钢筋剪断，产生桩头相对承台的滑移; 2 ) PHC 管桩桩头截断， 造成桩顶 30cm 范围内预应力不足，抗弯 、抗剪能力下降; 3 ) 桩头抗拉力不足 。
通过对几次大地震的震害情况分析， 可以得出以下几点启 示: 1 ) 不论液化土或非液化土中的建筑桩基，桩头部位总是出现大弯矩与剪力的危险部位; 2 ) 液化层界面是出现大弯矩与剪力的危险部位， 液层中部则弯曲的危险较大，液化层问题类似于软弱土层交界处刚度突变引起的桩身应力问题; 3 ) 有侧扩的液化一般较无侧扩的液化对桩的危害更严重; 4 ) 软土与液化土因震动引起的承载力与侧摩阻力下降可导致桩的过度下沉 。
2 桩基抗震设计原则
桩在地震下的受力可以分解为两部分( 图 2 ):第一部分为桩顶地震水平力，它使得桩顶处受力最大，以下的弯矩则逐渐减小; 第二部分为土层的水平剪切运动，它使得桩顶及桩身的深部受力较大，特别是在软 、硬土层交界处为大，对液化地基而言就是液化与非液化土层交界处 。
震害资料说明，在桩周土层性质相对均匀情况下，惯性力引起的桩身内力起主要作用 ，m 法或常数法等常用 计算方法得出的桩身弯矩与剪力， 基本可反映桩的受力情况 。但在软 、硬土层交界处，液化与非液化土层界面，m 法与常数法均因忽略了土的分层而得出不安全的错误结果，与震害情况不符; 当地震动越强烈，土层运动对桩身内力的影响加大，则土层运动的作用 相比于桩顶水平力的作用来说，越来越占主要地位， m 法与常数法的误差也越大 。
液化土中桩因土的剪切作用而破坏，实际的危险部位常出现在桩顶与液化层的上、下界面附近及液化层中部。采用有限元法进行地震反应分析得出 ，液化层界面及桩顶处的弯矩均较大 。 基于对液化土中桩基震害情况分析和有限元法计算结果的认识， 文［ 2 ］对液化土中的桩基抗震设计做出以下主要规定:
( 1 ) 当桩承台底面上 、下分别有厚度不小于1.5 ，1.0m 的非液化土层或非软弱土层时，可以按照下列两种情况进行桩的抗震验算，并按照不利情况设计: 1 ) 桩承受全部地震作用 ，单桩竖向和水平抗震承载力特征值均可比非抗震设计时提高 25% ，液化土的桩周摩阻力及桩水平抗力均应进行折减，折减系数视液化土的位置及土的密实情况而由 1 变至 0 ; 2 ) 地震作用按水平地震影响系数最大值的10%采用 ，桩承载力仍按 1 ) 款取用 ，但应扣除液化土层的全部摩阻力及桩承台下 2m 深度范围内非液化土的桩周摩阻力 。此项目的为校核余震时桩的竖向承载力 。
( 2 ) 液化土中桩的配筋范围，应自桩顶至液化深度以下符合全部消除液化沉陷所要求的深度，纵向钢筋应与桩顶部相同，箍筋应加密 。此条目的是使可能因弯 、剪出现裂缝的范围内的桩身抗弯 、抗剪的能力不低于桩顶 。因为地震反应分析结果显示，液化层界面处的弯矩与剪力的大小与桩顶处的弯矩 、剪力处于相同量级 。加强构造配筋可以降低液化土中桩身破坏的危险 。
3 PHC 管桩的抗震承载力验算
3.1 水平承载力
根据文［ 3 ］的规定，按地震作用效应设计的基桩水平承载力应满足下式:
Hi k ≤ 1 . 25 Rha ( 1 )
式中: Hi k为考虑地震作用效应和荷载效应标准组合下，作用于基桩 i 桩顶处的水平力; Rha为单桩的水平承载力特征值 。而 PHC 管桩的单桩水平承载力特征值可按下式估算:
Rha = 0.75α3EIνxx0a ( 2 )
式中: α 为桩的水平变形系数，由桩侧土水平抗力系数的比例系数 m 计算得出 ，而 m 值在考虑地震效应作用计算时对液化地基应进行折减，折减系数视液化土的位置及土的密实情况由1变至 0 ; EI 为桩身抗弯刚度; x0a 为桩顶允许水平位移; νx 为桩顶水平位移系数， 弹性长桩取 2.441 。
文［ 4 ］在不同地基土层上进行了 一系列 PHC 管桩的水平静载试验， 得出了针对PHC 管桩的 m 值取值范围 。试验结果表明，PHC 管桩对水平位移比较敏感， 单桩水平临界荷载对应的位移均小于 10mm ，
当桩周土层相对坚硬时，对应的位移相对变小至 6～7mm 。推荐针对 PHC 管桩采用的地基土水平抗力系数的比例系 数 m 值见表 1 。可以看出 ，表中的m 值比规范推荐值有所提高 。 PHC 管桩在水平荷载作用下，桩土变形主要在桩上部分，计算最大弯矩位置出现在地面下 1.5 ～2.0m 处，约为桩径的 3 ～5 倍 。因此，提高承台底回填土的密实度，加强桩顶部分截面刚度，可很好地改善 PHC 管桩水平承载性状 。
3.2 竖向承载力
根据文［ 3 ］的规定，按地震作用效应设计基桩竖向抗压承载力应满足下式:
轴心竖向力作用 下: NEk ≤ 1.25 R ( 3 )偏心竖向力作用 下，除满足式( 3 ) 外，尚应满足下式的要求:
NEk ，max ≤ 1.5 R ( 4 )
式中: NEk ，NEk ， max 分别为地震作用效应和荷载效应标准组合下，基桩或复合基桩的平均竖向力和最大竖向力; R 为基桩或复合基桩竖向承载力特征值 。而单桩竖向承载力特征值 Ra 应按下式确定:
Ra =QukK( 5 )
式中: Quk 为单桩竖向极限承载力标准值; K 为安全系数，取 K =2 。
采用经验参数法确定 Quk : Quk = u ∑qs i k li + qpk Ap ( 6 )
式中: qs i k 为桩侧第 i层土的极限侧阻力标准值; qpk为极限端阻力标准值; u 为桩身周长; li 为桩周第 i层土的厚度; Ap 为桩端面积 。
文［ 5 ］通过在福建沿海软土地区进行大量的现场足尺荷载传递试验， 研究了PHC 桩的荷载传递特性， 认为 PHC 管桩的土层桩侧阻力和桩端阻力参数应比其他桩型有不同程度的提高，提高幅度约为30% ～50% 。按福建沿海软土地区经验对 PHC 管桩的参数进行取值，见表 2 。
当按照抗震规范第 4.4.3 条第 2 款第( 2 ) 点的要求进行抗震验算时，应将液化土层及桩承台以下 2m 深度范围内 非液化土的桩周摩阻力取为0 ，并建议对桩侧软土的摩阻力进行折减，折减系数宜取为 0.5 。
4 PHC 管桩的内力计算
4.1 抗剪强度
按日本工业标准 《 先张法离心成型高强混凝土管桩 》 ( JISA5337 — 1995 ) 编制说明中介绍的管桩抗剪强度公式进行设计或验算:
Q =2 tIS0τ =2 tIS0( σce + σt )2－σce2( 7 )
式中: t 为PHC管桩壁厚; I 为截面惯性矩; S0 为相对中心轴以上截面中心轴的截面静矩; τ 为产生斜拉裂缝时的剪切强度; σce 为桩身有效预应力; σt 为混凝土抗拉强度 。
由式( 7 ) 可知，管桩抗剪强度与桩身配筋无关、只与截面尺寸 、配筋状况 、混凝土强度有密切关系 。
4.2 在轴力作用下的抗弯能力
在地震水平力作用下，桩顶部分不仅要承受原有的轴压荷载，还要承受弯矩和剪力，受力情况比较复杂 。对 PHC管桩在无轴压荷载下进行的抗弯试验难以反映管桩的实际受力性状 。 按文［ 6 ］ 的规定对 PHC 管桩承受偏心弯矩的桩身正截面承载力进行验算:
( 1 ) 当 e ≤ i 时，在偏心压力 N作用下，桩身正截面受压承载力应符合下式要求:
NA0+NeW0≤ k ( fc － σpc ) ( 8 )
( 2 ) 当 e > i 时，应符合以下要求:N ≤ αα1fc A －σp0 Ap + α fpy ′Ap － αt ( fpy － σp0 ) Ap ( 9 )
N η ei ≤ α1 fc A ( r1 + r2 )sin π α2 π+ fpy ′Ap rpsin π απ+ ( fpy － σp0 ) Ap rpsin π αtπ( 10 )
式中各符号的含义见文[6 ］ 。运用式( 9 ) 和 ( 10 ) 不需要区分大小偏心受压，式中 α 表示受压区混凝土截面面积与全截面面积的比值 。令 α =1 － j/ 18 ， j = 0 ， 1 ， 2 … 18 ，依次计算式( 9 ) 和 ( 10 )，并使偏心距增大系数 η =1 ，可得桩顶偏心力 、偏心弯矩和相对应的偏心距的关系 。也可求得桩身极限弯矩及相应的竖向承载力和偏心距 。以500A-100 ( 桩径500mm ，壁厚100mm ) 管桩为例， 计算结果见图 3 ，4 。
从图 3 ，4 可以看出 ，随竖向力偏心距的增大，桩身竖向承载力在减少，而桩身弯矩在增大; 当偏心距达到临界值时，桩身弯矩也达到了极限值; 随后桩身弯矩也随偏心距的增大而减小 。
5 PHC 管桩的抗震设防建议
5.1 增加螺旋箍筋
在地震作用 下，管桩的桩顶部分除承受轴向压力外，大多还要受弯 、受剪，情况比较复杂，所以需通过增配螺旋箍筋设计成具有塑性铰的潜能和较强的抗剪功能，以避免脆性破坏 。塑性铰段的长度从承台或桩帽的底面算起，一般取为 2 倍桩径 。对于塑性铰以下在地震中有可能产生较大曲率的桩段，以及对于地下因土层变化 ( 软硬层变化 、液化与非液化土层交界) 有可能产生较大曲率的桩段，也需要增配螺旋箍筋，提高对桩芯混凝土的约束，从而提高其抗弯韧性 。
螺旋箍筋的尺寸和螺距必须依地震时预计的曲率提供必要的韧性 。在对特定位置曲率的数值缺乏分析的情况下，螺旋筋配筋可以通过经验方法进行估算 。 美国 PCI 报告推荐的计算螺旋筋配筋量的经验公式为:
ρs =0.12 fc ′fyh( 11 )
式中: ρs 为螺旋筋配筋率; fc ′ 为混凝土标准圆柱试件 28d 抗压强度; fyh 为螺旋箍筋屈服强度 。
5.2 填实管桩空芯
PHC 管桩承受地震水平剪力作用时，在开裂以前，管桩环形截面的最大剪应力要比实心圆桩的大很多，即空心管桩的抗剪能力显著低于实心圆桩的 。 另外， 如果没有填实混凝土的 “ 芯体 ” ，螺旋箍筋无法发挥应有的作用 ，而没有强有力的螺旋箍筋约束，芯体混凝土也不会具有韧性 。
根据管桩震害和有限元分析可知，桩身剪切破坏一般发生在桩顶 、软硬土层交界处，对液化地基而言就是液化与非液化土层交界处 。因此管桩考虑抗震作用 时填芯的长度应不小于 8 倍桩径，且应超过液化与非液化土层交界处 2m 以上 。
5.3 加强桩头与承台的连接
几次大地震的桩基震害中，桩头连接承台部位受损情况很多，如错位 、拔出 、钢筋断裂等 。日本工程界认为改进桩头的嵌固程度是减少桩基震害的重点之一 。已提出的方案有: 增加桩头埋入承台的长度，使其不小于桩径; 桩内钢筋要伸出桩偷相当长度且在基础内 ; 围绕着桩头伸入基础的钢筋或钢材，加配竖向钢筋，以使桩头嵌固较好，等 。
6 结论
( 1 ) PHC 管桩的震害实例揭示，液化层界面是出现桩身大弯矩与剪力的危险部位，软土与液化土因震动引起的承载力与侧摩阻力下降可导致桩的过度下沉 。
( 2 ) 对液化土中的桩基抗震设计，应对液化土的桩周摩阻力及桩水平抗力进行折减，并采取构造措施降低液化土中桩身破坏的危险 。
( 3 ) 验算 PHC 管桩抗震承载力时，应考虑 PHC 管桩水平承载对位移敏感的性状，可采用比规范较高的 m 值; PHC 管桩的土层桩侧阻力和桩端阻力参数应比其他桩型有不同程度的提高 。
( 4 ) 对 PHC 管桩的内力计算，应考虑在轴力作用下的综合抗弯能力，纯弯试验难以反映管桩的实际受力性状 。
( 5 ) 提出 PHC 管桩的抗震设防建议，认为增加螺旋箍筋 、填实空芯 、加强桩头与承台的连接等是目前较有效的措施 。
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