预应力混凝土竹节桩在杭州地区抗拔工程中的应用分析

徐绍俊，杨成斌，陈　可，周兆弟

预应力混凝土竹节桩在杭州地区抗拔工程中的应用分析

徐绍俊1，杨成斌1，陈可1，周兆弟2

（1.合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009；2.浙江天海管桩有限公司，浙江 杭州 310024）

介绍了一种预应力混凝土异型桩，即预应力混凝土竹节桩。分别从外形、接桩方式、桩顶与承台的连接方式阐述了竹节桩与管桩的主要差异；并通过杭州地区抗拔工程中竹节桩与管桩的抗拔试验，对它们竖向抗拔极限承载力进行了对比研究。试验表明：竹节桩总体抗拔性能优于管桩，其竖向抗拔极限承载力相比管桩平均提高了约52%；且在相同荷载作用下，上拔位移不大于管桩；竹节桩在该区域抗拔工程中的应用，取得了良好的效果。

预应力混凝土竹节桩；抗拔极限承载力；抗拔试验；上拔位移

0　引 言

随着城市建设的大规模发展，地下空间的利用因此成为新的发展方向，然而随之出现的工程难题也越来越多，目前工程领域最为突出的一个问题便是地下结构的抗浮问题。在地下水位较高的地区，当上部结构荷重不能平衡地下水浮力时，结构的整体或局部将会受到向上的浮力。目前工程领域普遍采用的抗拔方法是设置抗拔桩，常用的桩型有管桩，其按混凝土强度等级可分为预应力混凝土管桩（PC管桩）和预应力高强混凝土管桩（PHC管桩）[1]。

普通预应力混凝土管桩（简称管桩）在我国经过近30年的发展，目前已得到广泛应用，其具有单桩抗压承载力高、绿色环保、质量可靠、施工方便快捷以及单位承载力造价低等优点[2]。但管桩作为抗拔桩，其抗拔力主要由桩侧阻力和桩身自重组成，其抗拔能力十分有限，并且管桩抗震性较差；接头易松动、开裂；焊接费时及耐腐性较差，针对管桩作为抗拔桩存在的这些问题，岩土工程界兴起了异型桩。通过改变桩身截面，来提高桩侧阻力，从而提高桩的承载能力。异型桩不仅能极大提高桩身抗拔能力、竖向抗压承载力，而且节省了混凝土用料，在岩土工程中，相比传统管桩，更加安全、经济、环保。

目前国内生产的先张法预应力混凝土异型桩的形式多种多样，其中机械连接先张法预应力混凝土竹节桩（以下简称竹节桩），是一种新型预应力混凝土异型桩[3]。

1　竹节桩与管桩的主要区别

1.1外形差异

管桩属等截面桩，其作为抗拔桩主要依靠桩身与桩侧土之间的侧阻力来抵抗上拔力，单桩抗拔极限承载力不高。因此，管桩应用于抗拔工程中经济效益并不显著。竹节桩属变截面桩，沿桩身外壁每隔一至三米设置一节环向凸肋，并在桩周外侧对称均匀设置了四条纵肋[4]。竹节桩的独特构造增大了桩身与桩周土的接触面积[5]，有利于侧阻力的充分发挥，从而在抗拔工程中可大大减少抗拔桩的使用数量，具有显著的经济效益。

1.2接桩方式不同

传统管桩两端采用端板和桩套箍，接桩采用电焊连接，会造成端板的材质、墩头强度、耐久性能大大降低，并且接头易松动、开裂；焊接费时及耐腐性较差[6]。竹节桩采用国内自主研发的机械式接桩技术[7]，该技术采用的连接件构造如图1所示，该连接件由大螺母（内设卡台）、弹簧、基垫、环形卡片（由四块卡片拼接组成）、中间螺母、插杆、小螺帽及钢棒组成，其中大螺母内装有防腐作用的环氧树脂；弹簧和基垫用于保证卡片平整到位；插杆的球形设计能够保证卡片顺利到位；片的两面设置有一定的角度，可以达到越拉越紧的的效果；中间螺母旋接在顶拉螺帽内，定位卡片上移。连接接头下插时，弹簧的反作用力上顶接头，中间螺母限定卡片上移，于是卡片在弹簧反作用力的作用下紧紧抱箍接头，同时由于纵向钢筋端部的墩头与弹簧相触，保证了荷载的传递。管桩抗拉破坏截面均发生在连接接缝处，而竹节桩通过采用机械式接桩技术，大大提高了连接接缝处的抗拉强度，其抗拉破坏形态表现为桩身拉断破坏。

在接桩时，在桩的端面安放由环氧树脂、丙酮、二丁脂等组成的密封材料，提高了桩端的耐久性。采用该连接技术不仅有效提高了多节桩连接后整体的抗拉强度、提高了连接处的耐久性，而且大大提高了桩基施工效率，节约了工期。

图1　机械连接竹节桩第十代连接件构造图

1.3桩身与承台连接方式不同

管桩与承台连接方法是通过桩芯灌浆并内插钢筋与承台连接，其预应力筋必须锚入承台。采用这种方式桩身与承台的连接质量难以保证。竹节桩与承台的连接方式有两种：（1）不截桩时，承台通过下端经热墩头、后滚丝工艺处理后的锚固钢筋与桩体连接（见图2a）；（2）截桩时，承台通过锚固螺母与竹节桩顶钢棒连接（见图2b）。

图2　竹节桩桩顶与承台连接图

2　竹节桩抗拔承载力现场试验研究

2.1工程实例1

2.1.1工程概况

余杭区第一人民医院配套用房工程位于余杭区临平南苑街道，该工程场地地层分布情况具体见表1.

表1　工程1场地地质条件

该工程采用桩基础，试桩选用预应力混凝土管桩与预应力混凝土竹节桩各3根，其中管桩试桩径为500 mm，壁厚100 mm，有效桩长26 m，桩号分别为99#、151#、177#；竹节桩试桩最大外径（带肋）为500 mm，最小外径为460 mm，壁厚100 mm，有效桩长26 m，桩号分别为85#、155#、160#，试桩设计桩身混凝土强度等级为C80。

2.1.2抗拔静载试验方案

试验加载方式：专用的安装法兰盘和连接小梁与放置在大横梁的千斤顶上的小横梁通过螺杆机械连接形成反力架（无须电焊），启动千斤顶下压主梁而将上拔力传递给试桩。千斤顶选用上海千斤顶厂生产的FQS-320型油压千斤顶。

试验通过千斤顶自动加压，采用精度为0.01 mm，最大量程为50 mm的百分表测定上拔量；采用Y-150A0.4级精度油压表显示测控测定上拔力，按照国家行业标准《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106－2014）中关于慢速维持荷载法的规定进行。

2.1.3试验结果

如表2及图3~图6所示

表2　工程1试桩试验结果

图3　抗拔试验U—δ曲线

图4　85# 抗拔试验δ-lgt曲线

图5　155# 抗拔试验δ-lgt曲线

图6　160# 抗拔试验δ-lgt曲线

2.1.4试验结果对比分析

由图3可知，三根竹节桩试桩的U-δ曲线为缓变型曲线，各级上拔增量幅值并不大；再从它们的δ-1gt 曲线分析，各级荷载上拔间隔较均匀，上拔位移均随荷载增加，上拔位移增量不大，曲线斜率均随荷载升级没有发生较大的变化，曲线尾部均未出现下弯趋势，因此，竹节桩试桩的单桩抗拔极限承载力可确定为不小于1160 kN。三根管桩试桩的U-δ曲线均为陡变型曲线，其中99#桩在试验加载至最大荷载812 kN时，桩帽与桩身拉开，因此其单桩抗拔极限承载力取上级荷载，即为696 kN。151#、177#试桩在试验加载至最大荷载696 kN时，桩帽与桩身拉开，确定它们单桩抗拔极限承载力为580 kN。

由试验结果可知，竹节桩抗拔效果更显著，三根竹节桩单桩抗拔极限承载力均不小于1160 kN，相比于管桩，抗拔承载力提升了66%以上。

2.2工程实例2

2.2.1工程概况

杭州临平经建·英郡商住小区位于杭州临平苏家村，该工程场地地层分布情况见表3。

表3　工程2场地地质条件

该工程采用桩基础，试桩选用预应力混凝土管桩与预应力混凝土竹节桩各3根，其中管桩试桩径为600 mm，壁厚110 mm，有效桩长30 m，桩号分别为KB1、KB2、KB3；竹节桩试桩最大外径（带肋）为600 mm，最小外径为560 mm，壁厚100 mm，有效桩长30 m，桩号分别为KB4、KB5、KB6。

2.2.2抗拔试验结果

如表4及图7~图8所示

表4　工程2试桩试验结果

图7　抗拔试验U—δ曲线

图8　KB5抗拔试验δ-lgt曲线

2.2.3试验结果对比分析

从图7可知，六根试桩的U-δ曲线为陡变型曲线，按规范取其发生明显陡增的起始点所对应的的荷载为抗拔极限承载力。据此，可知KB1、KB2、KB3、KB4、KB6试桩单桩抗拔极限承载力分别为1800 kN、1600 kN、1800 kN、2400 kN、2400 kN。KB5为竹节桩，其U-δ曲线为缓变型曲线，邻级的δ-1gt曲线间隔均匀，各级δ-1gt曲线间隔逐级增大，最后一级的δ-1gt曲线尾部未出现明显上弯，因在2400 kN荷载下此级上拔量相对明显，终止试验，可确定该桩单桩抗拔极限承载力不小于2400 kN。

从图7可知，KB1、KB2、KB3试桩在达到各自抗拔极限承载力时，所对应的上拔位移分别为32.19 mm、21.88 mm、34.75 mm；KB4、KB5、KB6试桩在达到各自抗拔极限承载力时，所对应的上拔位移分别为36.77 mm、38.55 mm、25.83 mm，与管桩相比，极限状态下两者上拔位移相差并不大，然而在1800 kN荷载条件下，竹节桩KB4、KB5、KB6的上拔位移分别为20.89 mm、20.56 mm、14.93 mm，上拔量相对减少。

由试验结果可知，竹节桩抗拔效果更显著，竹节桩抗拔承载力相对于管桩提高了至少34%。在0-1000 kN荷载范围内，竹节桩与管桩上拔量随荷载变化趋势基本一致，1000-2000 kN竹节桩上拔位移增量明显小于管桩；在达到各自抗拔极限承载力时，竹节桩和管桩上拔位移相差不大，然而，当管桩到达其抗拔极限承载力时，竹节桩抗拔承载力并未充分发挥，且此时竹节桩上拔量明显少于管桩，上拔量减少约43%。

3　结论

竹节桩通过沿桩身外壁每隔一至三米设置一节环向凸肋，并在桩周外侧对称均匀设置了四条纵肋[4]，从而使其增大了与桩周土的接触面积与粗糙程度，有利于侧阻力的充分发挥。不仅如此，由于其桩身凹凸不平的构造，竹节桩打入土体后，桩侧土体将桩身凹处填满，在上拔过程中，竹节桩的抗拔承载力一部分由侧摩阻力组成，另一部分由桩身凸起处上部土体受挤压变位时所引起的土抗力组成，并且这两者的发挥是不同步的，正是因为这部分土体抗力的存在，使得竹节桩的抗拔性能优于管桩。

从杭州地区的两个抗拔工程中竹节桩与管桩的抗拔承载力对比试验中，不难看出，竹节桩在该区域抗拔工程中的应用，取得了良好的效果。在直径、桩长相同的情况下，在抗拔初期，竹节桩与管桩的抗拔效果差别不大，但随着上拔力的增加，竹节桩上拔位移随荷载变化仍呈缓变趋势，后劲更足，总体抗拔性能优于管桩，其抗拔极限承载力相比管桩平均提高了约52%；并且在相同荷载作用下，上拔位移不大于管桩。

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Analysis on Pre-stressed Concrete Bamboo-shape Pile Applied in Anti-pulling Project in Hangzhou

XU Shaojun1, YANG Chengbin1, CHEN Ke1, ZHOU Zhaodi2
(1.School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009,China ; 2. Zhejiang Tianhai Pipe Pile Co., Ltd , Hangzhou 310024,China)

This paper introduces a pre-stressed concrete special shaped pile which is called pre-stressed concrete bamboo-shape pile. The main differences between the pipe pile and pre-stressed concrete bamboo-shape pile has be expounded from the three aspects: shape, mode of pile extension and connection mode of bearing platform and pile. In addition, ultimate uplift bearing capacity of pipe pile and pre-stressed concrete bamboo-shape pile has been studied basing on the anti-pulling test which is conducted in Hangzhou. Comparing the ultimate uplift bearing capacity of two piles, the research shows that the anti-pulling behavior of bamboo-shape pile is better than that of pipe pile, and the ultimate uplift bearing capacity has been increased about fifty-two percent. Under the same load,uplifting displacement of bamboo-shape pile is less than that of pipe pile. The pre-stressed concrete bambooshape pile which is applied in anti-pulling project in Hangzhou has acquired a great of achievements.

pre-stressed concrete bamboo-shape pile; ultimate uplift bearing capacity; anti-pulling test; uplifting displacement.

TU473

A

2095-8382(2016)03-039-06

10.11921/j.issn.2095-8382.20160309

2015-12-10

合肥工业大学产学研校企合作资助项目（W2014JSFW0415）

徐绍俊（1992－），男，硕士研究生，主要研究方向为岩土工程。