机械连接竹节桩竖向承载力分析

吴春萍，赵心悦

（合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥230009）

0 引 言

管桩在国外已有近百年的应用历史，近二十年来我国管桩的生产应用也日趋广泛。目前国内生产的预应力混凝土异形桩有很多种形式，机械连接预应力混凝土竹节桩是在传统混凝土预制桩基础上经过改进，采用了全新的连接方式的一种新型异形桩。管桩具有强度高，耐压性好的优点，适用于摩擦端承桩和端承摩擦桩。同时管桩工厂化制造、施工快捷、检测简单，工期短，综合造价低。成桩质量可靠，文明环保［1］。

1 机械连接竹节桩简介

机械连接竹节桩的侧壁沿桩长每隔1至3米设置一节环状凸肋，并在桩周方向沿外壁均匀加设数条纵肋，用于连接环状凸肋，如图1所示。环状凸肋的设置，不仅有效增强了桩身摩擦性能，同时也增加了桩体的有效截面积，提高了桩的承载力，节约了成本［2］。该桩经大量试验和房屋建筑、道路工程的工程应用证明，机械连接竹节桩的各项力学性能指标良好，抗压承载力与抗拔承载力与管桩相比均有所提高［3－5］。

机械连接竹节桩上下桩之间采用了全新的连接方法，使之成为一个完整的整体，同时能满足土质有污染条件下的防腐要求，彻底解决了周围环境对预制桩接桩所用的钢端板和焊缝的腐蚀及电焊时对桩端混凝土和预应力钢筋墩头再次造成破坏等问题。其连接件构造如图2所示，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［6］。与预应力管桩相比较，机械连接竹节桩的破坏形态表现为桩身拉断破坏，具有很高的可靠性。另外，由于桩端部连接处连接件的构造具有抵御外界环境侵蚀的作用，其耐久性比预应力混凝土管桩更好。

此外，桩身的预应力钢筋通过连接在墩头上的螺母与承台锚固钢筋上的螺栓连接在一起，满足了《建筑地基基础设计规范》规定预应力筋必须直接锚入承台的要求。

2 竹节桩与管桩对比

2.1 抗压承载力对比试验

在杭州市白马尊邸工程中，分别选用两根机械连接竹节桩和管桩进行基桩抗压静荷载试验。机械连接竹节桩型号为TPHC－A400－340（60），桩长为18米，桩身混凝土强度等级为C60，标记为桩号S1；管桩的桩径为400mm，壁厚60mm，桩长19m，桩身混凝土强度等级为C60，标记为桩号S2，被检测桩周围的岩土工程概况如表1所示。

表1 白马尊邸工程土工参数简表

图3为静载荷试验的荷载－沉降（Q ～s）曲线。由图可以看出，管桩的曲线图出现了明显的拐点，而机械连接竹节桩的曲线属于缓降型。根据试验得到的竹节桩和管桩的极限承载力如表2所示。两根管桩的桩长分别为18m和19m，较为接近，二者的极限承载力承载力分别为1176kN和980kN，机械连接竹节桩极限承载力提高了约20%。

表2 管桩与竹节桩的静载荷试验结果

2.2 抗拔承载力对比试验

在宁波镇海工程中，分别选用两根机械连接竹节桩和管桩进行基桩抗拔静载荷试验。机械连接竹节桩型号为 TPHC－A500－460（100），桩长为21米，桩身混凝土强度等级为C60，选取两根，分别标记为S1、S2；管桩的桩径为500mm，壁厚100mm，桩长21m，桩身混凝土强度等级为C60，选取两根，分别标记为S3、S4。被检测桩周围的岩土工程概况如表3所示。试验结果整理成图4，表4。

表3 宁波镇海工程土层概况

6－1 粉质粘土 90 16 ／6－2 粉质粘土夹粉、细砂 110 20 ／6－3 粉质粘土 100 18 ／7 含粉质粘土砾砂 150 40 2200 8 强风化角砾岩 300 ／ 3500 9 中风化角砾岩 350 ／4000

由表4可以看出，桩径500～460mm机械连接竹节桩的竖向抗拔极限承载力平均值为810kN，桩径500mm管桩的竖向抗拔极限承载力平均值为475kN，前者与后者相比，提高了70.53%。

表4 抗拔静载荷试验结果

2.3 理论分析

根据现有的管桩规范，管桩轴心受压，不考虑桩的屈曲影响时，桩身轴心受压承载力计算公式为：R≤ψcfcA 。

式中R为轴压力设计值 ；fc为混凝土抗压强度设计值；ψc为考虑沉桩工艺及混凝土残留预应力影响而取得综合折减系数，对于A、B、C、D和E型桩统一取0.7；A为桩身横截面面积。

管桩轴心受拉时，桩身受拉承载力计算公式为：N≤CfpyAp。

式中N为拉力设计值；C为考虑预应力钢筋墩头与螺帽连接处受力不均匀等因素影响的折减系数，取0.85；fpy为预应力钢筋抗拉强度设计值；A为桩身横截面面积。

机械连接竹节桩在计算承载力时，不考虑肋的影响，采用与管桩相同的计算公式。但是，我们并不能忽略凸肋对于承载力的影响［2］。由实验数据可以看出，在直径与桩长相同的条件下，机械连接竹节桩的竖向抗压、抗拔承载力与预应力管桩相比，均有提高。其中，抗压承载力提高约20%，抗拔承载力提高约70%。

机械连接竹节桩由于凸肋的存在，一方面，增加了桩的表面积，使得桩的侧阻力提高；另一方面，在打入地基时，桩周的土受挤压而变得密实，当桩顶承受荷载产生沉降时，环状凸肋之间的土随着桩一起向下运动，最终形成大于环向凸肋直径的圆筒剪切面［7］，从而提高了桩的承载能力。同等情况下，可以减少桩的数量，节约工程造价。

3 桩长对抗拔承载力的影响

3.1 单桩竖向承载力的影响因素

单桩竖向承载力的影响因素主要有以下几点：桩周土层特性；施工质量；桩型尺寸；桩长径比和桩身刚度；桩承载力的时间效应。

下面着重讨论分析桩长对于桩承载力的影响。

3.2 单桩竖向抗拔静载荷实验

张家港市南丰镇拟建民丰五期，其多层及社区服务用房采用机械式预应力混凝土竹节桩。为测定机械式预应力混凝土竹节桩抗压和抗拔承载力，对6根桩型为TPC－A400－370（70）（编号分别为S1、S2、S3）及 TPC－A500－460（100）（编号分别为S4、S5、S6），桩长不同的桩进行了抗拔试验，被检测桩周围的岩土工程概况如表5所示。试验采用静载荷慢速维持荷载法，试验结构整理成图5，图6，表6。

表5 民丰五期工程土层概况

表6 抗拔静载荷试验结果

由图5、图6及表6可以看出，对于两种桩型的桩，随着桩长的减小，单桩极限抗拔承载力不断增加，与理论计算值相比，提高百分比大幅度增加。由此可见，桩长越小，单桩承载力越大。

3.3 桩长对桩承载力影响的分析

由上面的试验可以得到结论：在同样的地质条件下的同种竹节桩桩型，单桩抗拔承载力随着桩长的减小而增大，且与相同规格的管桩相比，抗拔承载力提高百分比增大。

《软土中桩长对桩承载力的影响》提出，桩长对桩承载力的影响主要受桩土刚度比及桩径的影响。桩的可压缩性，使长桩在达到其极限承载力时，桩顶产生较大的位移。受桩顶位移量的限制，长桩往往是很难发挥其桩长范围内的桩土间的极限摩阻力［8］。

英国的H.G.波尔斯所写的《粘土中桩长对桩承载力的影响》一文中提出：桩长对桩承载力的影响的主要原因是桩的相对压缩性，以系数Kax表示，有Kax＝EPAP／（NVL3），式中，Kax称为无量纲轴向刚度，EPAP是桩的轴向刚度，NV是土的压缩模量沿深度的增长率，L是桩的埋入深度。桩长越小，Kax越大，意味着桩的相对压缩性越好，承载能力越高。此观点刚好也佐证了本文中桩长对桩承载力影响的分析［9］。

4 结 语

竹节桩作为一种新型的预应力混凝土离心桩，改进了传统混凝土预制管桩，侧壁设置横向和纵向肋，增强了桩身摩擦性能，扩大了桩体的有效截面积，进一步提高了桩的承载能力，节省了成本。新型的机械连接方式使得桩的连接方便快捷，安全可靠，加快了施工进度；同时密封材料的使用，起到了很好的防腐蚀作用，提高了桩端接头的耐久性。

根据所做的三个静载荷试验可以看出，相较于管桩，机械连接竹节桩的抗压承载力和抗拔承载力均有所提高，其中，同等条件下，抗压承载力提高约20%，抗拔承载力提高约70%，抗拔承载力提高很明显。桩长的选择对于承载力的影响也很明显，同种桩型，桩长越短，承载力提高幅度越大。

1 10G409预应力混凝土管桩［S］.北京：中国计划出版社，2010.

2 齐金良，周平槐，杨学林，等.机械连接竹节桩在沿海软土地基中的应用［J］.建筑结构，2014，44（1）：73－76.

3 付贵海，魏丽敏，郭志广.增强型管桩和普通管桩受力性能试验对比研究［J］.水文地质工程地质，2012，39（3）：60－64.

4 周佳锦，王奎华，龚晓南，等.静钻根植竹节桩承载力及荷载传递机制研究［J］.岩土力学，2014，34（5）：1367－1376.

5 钱明.预应力混凝土管桩桩基承载力影响分析［J］.成都大学学报，2014，33（2）：182－186.

6 G19－2012机械连接预应力混凝土竹节桩［S］.南京：江苏省建设标准站，2012.

7 郭志广，魏丽敏，冯胜洋，等.增强型预应力管桩荷载沉降特性及模拟分析［J］.建筑结构，2014，44（1）：77－81.

8 阳吉宝，赵锡宏.软土中桩长对桩承载力的影响［J］.中国港湾建设，1995，（6）：17－19.

9 H、G、波尔斯，等.粘土中桩长对桩承载力的影响［J］.港工技术，1983（02）：60－63.