摘 要：为保证预应力混凝土管桩的承载能力，以力学为主线，分析了管桩桩身混凝土抗压强度、有效预应力和管身截面面积在预制混凝土管桩设计、生产、施工三阶段中的重要作用，强调了预应力混凝土管桩的应用需综合考虑符合设计、生产、施工等方面的要求，可为预应力混凝土管桩的可持续发展提供参考。
关键词：预制混凝土管桩；承载力特征值；抗压强度；混凝土有效预应力；截面面积；可持续发展0 前言 随着近几年新工艺、新装备的进步，预应力混凝土管桩（以下简称管桩）行业得到了快速发展，但厚壁管桩布料困难、液压锤锤击施工断桩率偏高、工地钻芯检测管桩桩身混凝土抗压强度偏差大等技术问题依旧存在。
与此同时，在绿色发展的大背景下，管桩行PHC管桩业也面临着如产业工人减少、砂石原材料等资源短缺等挑战，这些因素都影响着管桩行业的可持续发展 本文着眼于技术层面，以力学为主线，分析管桩桩身混凝土抗压强度、有效预应力和管身截面面积三参数在管桩承载力计算中的重要作用。
1 管桩轴心抗压承载力特征值Ra 设计人员主要根据管桩桩身轴心抗压承载力和抗裂弯矩来进行管桩选型，管桩桩身轴心抗压承载力的计算公式主要有以下两类：
式中：φc为综合折减系数，取0.7； fc为混凝土抗压强度设计值；A为管桩截面面积。
式中：σu为混凝土抗压强度；σce为混凝土有效预压应力；A为管桩截面面积 式（1）利用了混凝土抗压强度设计值和经验数据综合折减系数，计算过程简单；式（2）体PHC管桩现了管桩混凝土抗压强度、混凝土有效预压应力和截面面积与桩身轴心受压承载力。
Ra的关系，下文将结合设计、生产、施工过程进行详细分析1.1 混凝土抗压强度σu 在管桩生产方面，混凝土抗压强度是管桩桩身轴心抗压承载力的重要影响因素，也是设计人员进行桩身承载力计算的主要依据，如何控制好混凝土的质量就显得尤为关键。
近几年，布料新工艺采用了整体模具挡板布料的方式，解决了厚壁管桩混凝土料堆积困难的问题，降低了工人劳动强度的同时，还可兼顾混凝土质量；泵送新工艺的发展应用也解决了劳动力短缺的问题，实现了自动化生产，但混凝土强度的偏低，在管桩桩身上钻芯检测的混凝土抗压强度往往很难达到80 MPa以上，遇到地质情况PHC管桩较复杂的工地，锤击法施工时，管桩易破损；免蒸压或双免工艺也日趋成熟，但难以进行大批量规模化生产。
同时，存在管模周转时间较长、场地要求较大等问题 在管桩施工方面，国内管桩施工常用方式是锤击式打入或者静压压入锤击式打入法又分为柴油锤锤击法和液压锤锤击法两种运用公式（2），计算得到PHC500（100）A和 PHC500（125）AB的轴心抗压承载力特征值分别为2 362 kN和2 718 kN。
用KB-60型6 t锤施打，锤高落距2.3 m，击打入3 cm收锤，即最后贯入度为30 mm/10击 根据日本建筑标准施工法则公式 :
式中：Ra为管桩长期允许承载力；F为锤击能量，F=2WH；W为锤重；H为PHC管桩锤落距；S为管桩最后贯入度 计算得到管桩锤击施工施打力Ra=2 352 kN＜min（2 362 kN，2 718 kN），说明用60型柴油锤施打PHC500（100）A和PHC500（125）AB管桩，3 cm收锤标准都能够满足施工要求，管桩不会破损，但管桩混凝土抗压强度达到80 MPa才能够经受锤击施工施打力，否则管桩很容易被打碎。
近两年应用较多的液压锤锤击法施工缺少击打力、冲击能量的准确计算公式和施工规范，用液压锤施工比柴油锤施工的断桩率高因此，需要掌握液压锤施工的特点，探索准确的锤击冲击能量的计算方法，给设计人员和施工单位提供科学的参考依据。
工地一旦出现断桩情况，业主方、施工方甚至设计PHC管桩单位首先怀疑管桩质量存在问题，要求采用现场管桩桩身钻芯方法来检测混凝土强度，该方法已经成为解决争议的最主要手段但钻芯检测方法还存在较多的不确定影响因素，试验结果存在一定偏差，一旦采用该方法，管桩生产企业往往陷入被动。
尽管GB/T 19496—2004《钻芯检测离心高强混凝土抗压强度试验方法》标准也指出了“芯样试件混凝土抗压强度不等于混凝土标准养护28 d试块抗压强度”，GB 13476—2009《先张法预应力混凝土管桩》中第7.2.3.1规定“检查混凝土抗压强度的原始记录，评定按GB 107的有关规定执行”，即用与该钻芯管桩同期生产的立方体试块来评定管桩桩身混凝土强度，但该方法很难让设计人员、PHC管桩施工方和业主方信服。
GB/T 19496—2004是参照英国标准BS 1881.120—1983《钻芯取样测定混凝土抗压强度试验方法》来制定的，该英国标准没有谈到离心高强混凝土的概念，主要是针对常用混凝土制定的，其中“4.1钻芯试样的尺寸：试样直径为φ100 mm或?覫150 mm，最好取用φ150 mm，试样直径与集料最大尺寸之比不超过3”、“2.最佳的长度范围为其直径的1~1.2倍范围……”、“4.2……钻芯机应垂直于混凝土的表面……”，上述要求应用在管桩桩身钻芯上是比较难达到的，例如φ500（100）管桩的壁厚只有100 mm，切掉内分层，不足100 mm，很难满足高径比1~1.2倍范围PHC管桩的要求。
GB/T 19496—2004参照修改为“5.4钻取的芯样直径为70~100 mm，一般不宜小于骨料最大粒径的3倍，在任何情况下不得小于骨料最大直径的2倍” 香港标准CS1∶1990《芯样的钻取及其混凝土抗压强度的确定》中“15.3.1芯样尺寸测试的样品直径最好达到150 mm，在任何情况下直径不得小于75 mm……”，对钻芯芯样直径进行了修改，但芯样试件混凝土抗压强度推算值公式还完全引用英国标准，具体如下：
式中：F为芯样抗压试验时的最大压力；d为芯样平均直径；f1为高径比修正系数；f2 为内含钢筋修正系数 实践证明，钻芯芯样直径越大，芯样试件混凝土抗压强度越高，即同一条管桩的桩身上钻PHC管桩取直径φ100 mm的芯样和钻取直径φ70 mm的芯样对比，后者明显比前者低。
江门某企业2017~2019年期间，向澳门地区供应了φ600（130）AB的PHC管桩100多万m，澳门土木工程试验室严格按照批次钻取?覫100 mm的芯样，芯样浸泡48 h后进行检测，评估现场混凝土立方体强度均达标，该企业也将结果和同期厂内100 mm×100 mm×100 mm立方体试块强度进行了对比，澳门评估现场混凝土立方体强度（即芯样试件混凝土抗压强度推算值）比同期厂内立方体试块强度下降3%~10%，即厂内控制强度达到100 MPa的时候，评估现场混凝土立方体强度下降3~10 MPa。
随着企业生产工艺条件、砂PHC管桩石原材料等因素的变化，检测数据有一定的波动也是正常和可控的广州某企业2017~2018年期间向香港供应φ500（125）AB和φ500（100）AB的PHC管桩，每50根桩选取1根管桩钻取φ75 mm的芯样进行检测，检测结果表明香港评估现场混凝土立方体强度比同期工厂内100 mm×100 mm×100 mm立方体试块强度下降6%~18%。
由上述分析可知，采用φ75 mm芯样检测，其离散性较大一般情况下，向香港和澳门地区供应管桩，管桩企业都特意提高了生产标准，将厂内的立方体试块强度标准控制在95 MPa以上，以此来确保桩身钻芯混凝土强度达标。
因此，建议国标修订时仍保留英标“4.1钻芯试样的尺寸：PHC管桩试样直径为φ100 mm或φ150 mm……”的要求如需钻取小于φ100 mm的芯样来检测，应取得相应的实验数据，并得到混凝土抗压强度推算值R公式和修正系数，以此来提高对工地管桩钻芯取样检测方法的准确性，对解决工地争议问题起到指导作用。
管桩主要通过离心工艺成型，其骨料不可避免会出现分层现象，且最大粒径和平均粒径都不稳定，在芯样中包裹的骨料会比普通搅拌混凝土具有更大的离散性EN 12504-1:2009《结构混凝土试验-第1部分：芯样 钻取、检验及抗压试验》的附录A《骨料尺寸和芯样直径对抗压强度的影响》中“a对20 mm骨料：φ100 mm芯样其抗压强度比φ50 mm的芯样抗压强度要高出7%··PHC管桩····；b 对40 mm骨料：φ100 mm芯样其抗压强度比φ50 mm的芯样抗压强度要高出17%······”，可见骨料的尺寸和芯样直径与钻芯样抗压强度有着密切的关系。
管桩用骨料的平均粒径在12~18 mm之间，最大粒径在20~30 mm范围波动以PHC400（95）AB管桩为例，由于地质原因造成地下断桩多，要求钻芯检测，芯样直径φ75 mm，芯样很密实，没有明显的分层缺陷和空隙，同期立方体抗压强度为89 MPa，工地现场管桩钻芯样抗压强度抽检结果只有65 MPa，两者相差较大。
因此，为解决好管桩的施工过程中出现的断桩问题，应总结大量的试验数据，找到芯样试件混凝土抗压强度推算值和工厂同期生PHC管桩产混凝土立方体试块抗压强度之间的关系，科学客观评定管桩桩身混凝土的真实强度综上分析，保证管桩混凝土强度达标是生产企业首要目标，同时，还需进一步探索总结，修订钻芯检测标准。
1.2 混凝土有效预（压）应力σce 混凝土有效预应力越大，桩身轴心受压承载力特征值越小，有效预压应力是利用预应力钢筋张拉后压缩混凝土实现的，是区分管桩型号的最主要技术参数，混凝土有效预应力公式为：
式中：σpe为钢筋有效拉应力，σpe=σpt-Δσpφ-Δσr；σpt为放张后钢筋拉应力；Δσpφ为混凝土徐变和收缩引起的预应力损失；Δσr为钢筋松弛引起的预应力损失；Ap为钢筋截面积；Ac为管桩截面积。
1.2.1 放张后钢筋拉应力PHC管桩 钢筋拉应力的实现需利用管模和大螺母锁紧伸长钢筋骨架，经过离心工序和蒸养工序，初蒸5~7 h后拆卸大螺母拆模，放张后预应力钢筋的回缩压紧混凝土，从而获得有效预压应力。
放张后预应力钢筋的拉应力公式如下：
式子：σcon为张拉控制应力；n′为放张时弹性模量比 影响钢筋拉应力的因素主要有张拉力大小、混凝土弹性模量、钢筋弹性模量、钢筋截面积、管桩截面积 生产操作中，必须严格落实张拉工艺要求，锁紧大螺母，用大扳手卡紧。
使用长管模用接桩的方式生产管桩，同时生产2~3条管桩，拉尾端连接第一节管桩钢筋骨架的拉尾板，张拉时钢筋骨架向拉头方向伸长，如图1所示
由图1可知，由于接桩器和端头板组件存在自重Gj、张拉板和PHC管桩端头板组件自重Gq和钢筋骨架自重G1、G2，组件和管模内壁之间就会有摩擦力F1和F2，第一节管桩获得的张拉力N1=N0+F1，其中，F
1=μ（Gj+G1/2），第二节管桩获得的张拉力N2=N1+F2，其中，F2=μ（Gq+G2/2），可见N2＞N1，第二节管桩的张拉力N2比第一节管桩的张拉力N1大，钢筋骨架伸长量也略大设定张拉力N=σ
conAp，那么N1对应的张拉控制应力小于N2对应的张拉控制应力，两者钢筋的拉应力σpt也不同，从而造成两者的有效预应力σce存在差值理论上，摩擦力F2数值比较小，几乎可以忽略因此，第一节和第二节管桩的张拉控制应力可视为相等。
但是实践中，可能会造成管桩有效预应力存PHC管桩在差异以此类推，用长管模接桩的方式生产三条同样型号的管桩，张拉力N3＞N2＞N1，伸长量a3＞a2＞a1管模越长，接桩越长，有效预应力误差越大 此新的生产工艺方式可以提高生产效率，又可以确保混凝土强度的稳定性，是值得推荐采用的，关键是需要控制好张拉工艺，必须把长的钢筋骨架放在拉头端，短的钢筋骨架放在拉尾端，不能够混淆，否则管桩获得的有效预应力偏差较大。
严禁张拉时候出现偏心、卡模等现象，及时维修管模，避免产生阻力，不适宜使用太长的管模来生产接桩管桩，建议采用管模长度在23 m以下为宜1.2.2 混凝土徐变和收缩引起的预应力损失 大部分管桩生产工艺都包含蒸养和蒸压工序，上述工序会加速管桩混凝土徐变PHC管桩和收缩，从而造成预应力损失，其计算公式如下：
式中：σcp为张拉后混凝与的预应力，σcp=σpt AP/Ac；φ为徐变系数；n为弹性模量比；Es钢筋弹性模量；δc为混凝土收缩率1.2.3 预应力钢筋的松弛引起的损失 钢筋松弛引起预应力损失计算公式如下：。
式中：r0为钢筋净松弛系数，取0.025 预应力钢筋松弛引起的损失与放张后钢筋拉应力、混凝土徐变收缩引起的预应力损失有关 综合上述三个因素的分析，生产过程的张拉、蒸养等工艺环节是管桩获得混凝土有效预应力的重要保证。
管桩等级越高，预应力损失越大有效预应力的施加必须抓好工艺细节，减少各生产环节中的损失有效预应力可提高管桩抗弯性能、韧性和抗冲击性能有PHC管桩效预应力越高，管桩的耐打性越好1.3 分度圆直径 分度圆直径Dp（预应力钢筋所在的直径位置）与截面换算惯性矩I0存在一定关联，且该参数与管桩抗裂弯矩有关。
管桩抗裂弯矩计算如下：
式中：σce为混凝土有效预应力；γ为综合系数，当混凝土强度等级为C80时取1.9；ftk为混凝土抗拉强度标准值；W0为截面换算弹性抵抗矩；I0为截面换算惯性矩；r2为管桩外径；r1为管桩内径；
rp为管桩分度圆半径。 常用PHC管桩分度圆直径对力学性能的影响见表1。
由表可知，同样直径的管桩，分圆直径Dp对管桩的有效预应力没有影响，对管桩抗裂弯矩影响甚微实践中，就PHC500（125）AB管桩而言，现有国标分度圆直径为406PHC管桩 mm，断桩率已经很低，只要混凝土性能达标、外观质量无缺陷、施工规范，断桩现象出现的概率将很低。
即使有断桩情况，一般也只是管桩头部的混凝土出现开裂或者小范围的混凝土块掉落这种情况主要是混凝土强度不足或者桩头有漏浆等缺陷造成，也可能是施工不规范的原因因此，把分度圆直径增大到425 mm，虽然增加了截面有效高度，但抗裂弯矩仅提高0.31%，作用不明显。
另外，管桩生产一般采用离心工艺，管桩钢筋骨架自重大、混凝土坍落度小，在离心时钢筋骨架受到混凝土压力，成型后易出现钢筋骨架偏心现象，造成保护层大小不均匀工程实践表明，设计要求30 mm保护层，有的部位保护层可能只有22 mm。
因此，分度圆直径Dp不宜过PHC管桩大，即保护层不宜过小1.4 管桩壁厚 由式（1）和式（2）可知，管桩截面积越大，轴心抗压承载力越大，即管桩壁厚越厚，其承载力越大在施工应用中，厚壁管桩因截面积大，在同样的锤击力作用下，厚壁管桩的局部承受压力比薄壁管桩要小，抗弯承载力较大，施工时桩头破损率和断桩率都较低。
日本标准JIS A 5337—1993《先张法离心高强度混凝土管桩》和GB/T 13476—2009体系下，不同壁厚管桩的轴心抗压承载力对比见表2
由表2可知，薄壁管桩比厚壁管桩轴心抗压承载力特征值至少减少24.9%以上，厚壁管桩力学优势更明显从设计角度来看，同直径规格首选厚壁管桩厚壁管桩轴心抗压承载力和抗弯承载力高，成桩可靠，同PHC管桩一个地块有限的范围内厚壁管桩优势更明显，利于桩位排布。
上部荷载很大情况下，当薄壁管桩的轴心承载抗压力可能无法满足荷载要求，又没有厚壁规格的管桩选择时，设计人员只能选用大直径灌注桩等其它桩型来替代上部荷载较大情况下，可采用同等材料的大直径薄壁管桩代替厚壁管桩，布桩方面，相邻桩间距明显加大，承台相应加大，造价提高。
目前，一般情况下管桩可满足120 m以下高层建筑的基础需求，如壁厚减薄，势必会大大减少管桩的应用范围 从施工角度看，遇到地质复杂（特别是有少量夹石、淤泥或不均匀土质等）的工地，打桩过程中易出现倾斜现象，薄壁管桩抗弯承载力小，更易出现断桩。
近几年，越来越多的项目采用液压锤锤击施工，液压锤击PHC管桩打能量大，锤头锤帽与管桩顶部之间的缓冲层少，薄壁管桩截面积小，局部承压过大，更易出现断桩 从管桩企业角度看，由于砂石原材料短缺、粗细规格级配不稳定、混凝土和易性波动、堆积混凝土料困难、工人劳动强度大等因素影响，生产厚壁管桩难度较大。
目前，最适用的布料方式仍为整体挡板布料，减少铲料操作的同时，也可确保混凝土料易不散落，确保混凝土抗压强度的稳定性2 结论 （1）目前管桩应用中的最大问题为断桩，如能较好解决该问题，管桩的应用前景将更加广阔。
以力学为主线，把管桩设计、生产和施工有效联系起来，找到断桩的根源所在，解决断桩问题，为管桩未来的可持续健康发展指明方向 （2）管桩行业发展应将管桩生产与设计、施工PHC管桩相结合在科学验证基础上，应用于良好地质土层，且施工规范时，可提高管桩轴心承载力设计值和特征值，将式（1）中的“综合折减系数”由“0.7”改为“0.8”，式（2）中的 “1/4”改为“1/3”，充分发挥管桩的承载力；在承载力不变的情况下，可使用薄壁管桩，便于生产操作。
（3）在生产同等轴心抗压承载力管桩时，可通过提高混凝土抗压强度来减少管桩截面积，即可采用更高强度的薄壁管桩来代替现有厚壁管桩管桩混凝土抗压强度在原有C60、C80的基础上可增加C70、C90、C100……强度等级的产品，利于设计人员根据设计荷载来选择更加符合要求的管桩。
（4）修订GB/T 19496—2004标准，进一步总结数据、完PHC管桩善标准以便工地现场管桩检测方法更科学准确地反映桩身混凝土真实强度，准确判定产品等级，避免“以次充好”、“优劣难分”的现象 （5）在管桩施工方面，加强现场管理。
通过编制液压锤锤击施工规范、完善冲击能量计算公式和加强现场施工人员培训管理，确保管桩成桩质量，从而降低因施工人为因素或者地质原因造成的断桩，维护管桩行业声誉来源：《混凝土与水泥制品》杂志2020年第7期
