异型桩研究现状及发展前景

翟 莲 杨莹莹 张竹军 刘东辉

（吉林建筑大学土木工程学院，吉林 长春 130118）

0 引言

管桩因单桩承载力高，工程性能好，制作简易，质量检测方便，施工周期短，机械设备易改造，较好的经济效益及较强的适应性等优点而被广泛应用于各类工程中。但随着现代科学技术的不断进步和经济的不断提高，建筑结构对结构基础的要求也愈来愈高，从而促进了管桩的广泛应用，在工程实践中，为满足管桩桩基更高的承载力及变形要求，常常需要加大单桩桩长和桩径，一方面研究表明当桩长和桩径达到一定尺寸后对承载力的提高较小，另一方面造成混凝土用量变大、施工效率降低、经济成本增加的局面，为了节约成本，顺应时代发展潮流，异型桩越来越受到青睐。

1 异型桩简介

1.1 异型桩定义

基础按构造形式可分为：条形基础、独立基础、满堂基础和桩基础。本文主要介绍其中的一种，即桩基础。而对于异型桩，顾名思义，异型桩是相对于普通的等截面桩，是指沿着桩身竖向发生截面形状或尺寸变化的桩。总体而言，它有两种：一种是通过改变桩身轴向截面形状而形成的变截面异型桩；另一种是经过改变桩横截面几何形状而形成的异型桩。

1.2 异型桩种类

本文着重从桩的构造形式方面进行分析。在构造形式方面，目前较为常见的异型桩可分为如下几类：阶梯型变截面桩、楔型桩、分段变截面变径桩、多级扩径桩、扩底桩和组合型桩等。本文将从楔型桩、阶梯型、竹节型异型桩进行总结。

2 异型桩研究现状

2.1 楔型桩的研究现状

楔型桩具有承载力高，沉降小，可以缩短工期，在提高桩基安全性和减少工程造价等方面己取得了许多成果。近年来，国内外有关学者对楔型桩进行了研究，并取得了显著的成果。研究表明在竖向荷载作用下楔型桩沉降量随荷载增加而增大，其承载力大于圆柱型桩，在水平作用下楔型桩随着锥角增大变形减小。基于文克尔的地基模型建立的水平荷载作用下楔型桩的桩身变形和内力理论计算方法，推导出计算公式，通过有限元软件分析其受力特性。为了研究楔型桩的单桩和群桩的非线性荷载-沉降关系，根据楔型桩桩侧与桩端的受力特点，提出了楔型单桩在均质土和分层土的荷载-沉降曲线计算方法，并据此提出了刚性和柔性承台下楔型桩群桩的荷载-沉降计算方法，并与模拟试验和现场试验进行对比，能够较好的吻合提出的计算方法。以扩底楔型桩在不同地质条件下荷载作用对扩底楔型桩的承载试验，表明[1]扩底楔型桩的单桩竖向承载力、水平承载力、侧阻力和端阻力都优于直径圆桩，而高柳[2]通过修正后的阻抗函数递推的方法求解微元桩段的动力平衡方程，进一步验证楔型桩具有优良的承载性能。

2.2 阶梯型桩的研究现状

阶梯型桩最早是被希腊工程研究人员研究出来的。阶梯型桩的竖向极限承载力比等截面桩有较大提高。通过对同土质条件下的变截面和等截面钻孔灌注桩在竖向荷载作用下的有限元模拟，得出变截面桩可以提高单桩的极限承载力，减少沉降量。而后通过室内对比试验研究阶梯型与等截面管桩，同样证明了阶梯型管桩在水平荷载作用下可以提高单桩单位体积的承载力，并与其直径的大小有关，且变截面比越大，材料利用率越高。当在桩顶沉降量相同时，阶梯型管桩与等截面管桩的桩侧摩阻力合力相比，有了较大的提高，可以充分发挥桩侧摩阻力。经过对模型试验、数值模拟以及理论分析，方焘[3]建立了竖向荷载与水平荷载作用下的阶梯型桩单桩承载理论，对阶梯型变截面桩在实际工程中的应用具有积极作用。为进一步研究阶梯型变截面桩与等截面桩在复合基础下的性能，通过两者在大型室内模型对于复合地基承载力进行分析，表明阶梯型变截面桩可以充分利用浅层土的承载能力，改善单桩的荷载传递性状，提高单桩和复合地基的承载能力。王景梅[i]基于Winkler 假设以及有限元模拟，推导出了变截面桩基水平受力的理论公式和计算方法，并通过现场试验验证其合理性，为以后设计使用提供可靠依据。

2.3 竹节管桩的研究现状

预应力混凝土竹节桩是在节桩的基础上沿桩身外侧每隔一定距离设置环向凸肋，与节桩的不同在于，竹节桩桩壁外侧对称加设了纵肋用以连接环向凸肋。1999年，Madan[5]在不同的地质条件下对PHC 竹节桩进行了静载试验，提出了竖向承载力的估算方法，并对极限状态承载力公式进行了可靠性的分析，验证其是合理的。当在桩主轴直径相同的情况下，增加节肋，虽然会增大混凝土的用量，但较相同直径下的桩，承载力会提高1.5 倍，也会减少桩端的沉降，同时增大节桩的主轴的直径会使“节”的这种效果更为明显。朱国煊通过对实际工程中的桩体外径和环状凸肋直径为500mm，纵向凸肋厚度为20mm，环状肋间距为1000mm 的机械连接预应力竹节桩和预应力圆管桩进行静荷载试验，分析其荷载-沉降的变化规律，发现与圆管桩相比，预应力竹节桩曲线相对平缓，在相同荷载作用下，沉降更小，证明预应力竹节桩承载力大，并提出了影响承载力且有待于进一步研究的问题：环状凸肋的最佳厚度、最佳间距。其后利用现场静载荷试验，得出了肋部不同厚度和肋距对新型带肋管桩承载性能的影响。通过实验和有限元模拟的方法分析对比，采用 ABAQUS 有限元计算对带肋竹节桩的承载特性进行研究，分析竹节数、桩土模量比、肋径比、摩擦系数等参数对带肋竹节桩竖向抗压承载力影响，王忠瑾[ii]提出了最优竹节桩数、最优肋径比。

3 异型管桩发展前景

通过对上述文献的阅读，总结出：楔型桩是适应性良好的桩型，在很多方面具有优越性，如提高承载力、控制沉降、缩短工期、减少工程成本等；阶梯型变截面桩适用于对沉降比较敏感的工程，很多复杂情况下，阶梯型桩较等截面桩承载性能高，因此它可以应用在更多的工程实例中，尤其在多地震的地区；竹节桩因能增加桩身的摩阻力，所以更好的应用于软土地层中，也有效地减少了混凝土的用量。竹节桩在多年的实践应用中，技术较为成熟，具有良好的经济效益，而相应的规范也在相继推出，为这项新的技术在实际应用推广中奠定基础。为发展绿色经济，应继续探索新型的、可行性高的、可在实际工程中使用的异型桩，加强对异型桩群桩的研究，为其在实际工程中的推广奠定理论基础。