徐紹俊，楊成斌，陳　可，周兆弟

預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁在杭州地區(qū)抗拔工程中的應(yīng)用分析

徐紹俊1，楊成斌1，陳可1，周兆弟2

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.浙江天海管樁有限公司，浙江 杭州 310024）

介紹了一種預(yù)應(yīng)力混凝土異型樁，即預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁。分別從外形、接樁方式、樁頂與承臺(tái)的連接方式闡述了竹節(jié)樁與管樁的主要差異；并通過(guò)杭州地區(qū)抗拔工程中竹節(jié)樁與管樁的抗拔試驗(yàn)，對(duì)它們豎向抗拔極限承載力進(jìn)行了對(duì)比研究。試驗(yàn)表明：竹節(jié)樁總體抗拔性能優(yōu)于管樁，其豎向抗拔極限承載力相比管樁平均提高了約52%；且在相同荷載作用下，上拔位移不大于管樁；竹節(jié)樁在該區(qū)域抗拔工程中的應(yīng)用，取得了良好的效果。

預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁；抗拔極限承載力；抗拔試驗(yàn)；上拔位移

0　引 言

隨著城市建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展，地下空間的利用因此成為新的發(fā)展方向，然而隨之出現(xiàn)的工程難題也越來(lái)越多，目前工程領(lǐng)域最為突出的一個(gè)問(wèn)題便是地下結(jié)構(gòu)的抗浮問(wèn)題。在地下水位較高的地區(qū)，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)荷重不能平衡地下水浮力時(shí)，結(jié)構(gòu)的整體或局部將會(huì)受到向上的浮力。目前工程領(lǐng)域普遍采用的抗拔方法是設(shè)置抗拔樁，常用的樁型有管樁，其按混凝土強(qiáng)度等級(jí)可分為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PC管樁）和預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（PHC管樁）[1]。

普通預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（簡(jiǎn)稱管樁）在我國(guó)經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，目前已得到廣泛應(yīng)用，其具有單樁抗壓承載力高、綠色環(huán)保、質(zhì)量可靠、施工方便快捷以及單位承載力造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)[2]。但管樁作為抗拔樁，其抗拔力主要由樁側(cè)阻力和樁身自重組成，其抗拔能力十分有限，并且管樁抗震性較差；接頭易松動(dòng)、開(kāi)裂；焊接費(fèi)時(shí)及耐腐性較差，針對(duì)管樁作為抗拔樁存在的這些問(wèn)題，巖土工程界興起了異型樁。通過(guò)改變樁身截面，來(lái)提高樁側(cè)阻力，從而提高樁的承載能力。異型樁不僅能極大提高樁身抗拔能力、豎向抗壓承載力，而且節(jié)省了混凝土用料，在巖土工程中，相比傳統(tǒng)管樁，更加安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的先張法預(yù)應(yīng)力混凝土異型樁的形式多種多樣，其中機(jī)械連接先張法預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁（以下簡(jiǎn)稱竹節(jié)樁），是一種新型預(yù)應(yīng)力混凝土異型樁[3]。

1　竹節(jié)樁與管樁的主要區(qū)別

1.1外形差異

管樁屬等截面樁，其作為抗拔樁主要依靠樁身與樁側(cè)土之間的側(cè)阻力來(lái)抵抗上拔力，單樁抗拔極限承載力不高。因此，管樁應(yīng)用于抗拔工程中經(jīng)濟(jì)效益并不顯著。竹節(jié)樁屬變截面樁，沿樁身外壁每隔一至三米設(shè)置一節(jié)環(huán)向凸肋，并在樁周外側(cè)對(duì)稱均勻設(shè)置了四條縱肋[4]。竹節(jié)樁的獨(dú)特構(gòu)造增大了樁身與樁周土的接觸面積[5]，有利于側(cè)阻力的充分發(fā)揮，從而在抗拔工程中可大大減少抗拔樁的使用數(shù)量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2接樁方式不同

傳統(tǒng)管樁兩端采用端板和樁套箍，接樁采用電焊連接，會(huì)造成端板的材質(zhì)、墩頭強(qiáng)度、耐久性能大大降低，并且接頭易松動(dòng)、開(kāi)裂；焊接費(fèi)時(shí)及耐腐性較差[6]。竹節(jié)樁采用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的機(jī)械式接樁技術(shù)[7]，該技術(shù)采用的連接件構(gòu)造如圖1所示，該連接件由大螺母（內(nèi)設(shè)卡臺(tái)）、彈簧、基墊、環(huán)形卡片（由四塊卡片拼接組成）、中間螺母、插桿、小螺帽及鋼棒組成，其中大螺母內(nèi)裝有防腐作用的環(huán)氧樹(shù)脂；彈簧和基墊用于保證卡片平整到位；插桿的球形設(shè)計(jì)能夠保證卡片順利到位；片的兩面設(shè)置有一定的角度，可以達(dá)到越拉越緊的的效果；中間螺母旋接在頂拉螺帽內(nèi)，定位卡片上移。連接接頭下插時(shí)，彈簧的反作用力上頂接頭，中間螺母限定卡片上移，于是卡片在彈簧反作用力的作用下緊緊抱箍接頭，同時(shí)由于縱向鋼筋端部的墩頭與彈簧相觸，保證了荷載的傳遞。管樁抗拉破壞截面均發(fā)生在連接接縫處，而竹節(jié)樁通過(guò)采用機(jī)械式接樁技術(shù)，大大提高了連接接縫處的抗拉強(qiáng)度，其抗拉破壞形態(tài)表現(xiàn)為樁身拉斷破壞。

在接樁時(shí)，在樁的端面安放由環(huán)氧樹(shù)脂、丙酮、二丁脂等組成的密封材料，提高了樁端的耐久性。采用該連接技術(shù)不僅有效提高了多節(jié)樁連接后整體的抗拉強(qiáng)度、提高了連接處的耐久性，而且大大提高了樁基施工效率，節(jié)約了工期。

圖1　機(jī)械連接竹節(jié)樁第十代連接件構(gòu)造圖

1.3樁身與承臺(tái)連接方式不同

管樁與承臺(tái)連接方法是通過(guò)樁芯灌漿并內(nèi)插鋼筋與承臺(tái)連接，其預(yù)應(yīng)力筋必須錨入承臺(tái)。采用這種方式樁身與承臺(tái)的連接質(zhì)量難以保證。竹節(jié)樁與承臺(tái)的連接方式有兩種：（1）不截樁時(shí)，承臺(tái)通過(guò)下端經(jīng)熱墩頭、后滾絲工藝處理后的錨固鋼筋與樁體連接（見(jiàn)圖2a）；（2）截樁時(shí)，承臺(tái)通過(guò)錨固螺母與竹節(jié)樁頂鋼棒連接（見(jiàn)圖2b）。

圖2　竹節(jié)樁樁頂與承臺(tái)連接圖

2　竹節(jié)樁抗拔承載力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

2.1工程實(shí)例1

2.1.1工程概況

余杭區(qū)第一人民醫(yī)院配套用房工程位于余杭區(qū)臨平南苑街道，該工程場(chǎng)地地層分布情況具體見(jiàn)表1.

表1　工程1場(chǎng)地地質(zhì)條件

該工程采用樁基礎(chǔ)，試樁選用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁各3根，其中管樁試樁徑為500 mm，壁厚100 mm，有效樁長(zhǎng)26 m，樁號(hào)分別為99#、151#、177#；竹節(jié)樁試樁最大外徑（帶肋）為500 mm，最小外徑為460 mm，壁厚100 mm，有效樁長(zhǎng)26 m，樁號(hào)分別為85#、155#、160#，試樁設(shè)計(jì)樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80。

2.1.2抗拔靜載試驗(yàn)方案

試驗(yàn)加載方式：專用的安裝法蘭盤(pán)和連接小梁與放置在大橫梁的千斤頂上的小橫梁通過(guò)螺桿機(jī)械連接形成反力架（無(wú)須電焊），啟動(dòng)千斤頂下壓主梁而將上拔力傳遞給試樁。千斤頂選用上海千斤頂廠生產(chǎn)的FQS-320型油壓千斤頂。

試驗(yàn)通過(guò)千斤頂自動(dòng)加壓，采用精度為0.01 mm，最大量程為50 mm的百分表測(cè)定上拔量；采用Y-150A0.4級(jí)精度油壓表顯示測(cè)控測(cè)定上拔力，按照國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106－2014）中關(guān)于慢速維持荷載法的規(guī)定進(jìn)行。

2.1.3試驗(yàn)結(jié)果

如表2及圖3~圖6所示

表2　工程1試樁試驗(yàn)結(jié)果

圖3　抗拔試驗(yàn)U—δ曲線

圖4　85# 抗拔試驗(yàn)δ-lgt曲線

圖5　155# 抗拔試驗(yàn)δ-lgt曲線

圖6　160# 抗拔試驗(yàn)δ-lgt曲線

2.1.4試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

由圖3可知，三根竹節(jié)樁試樁的U-δ曲線為緩變型曲線，各級(jí)上拔增量幅值并不大；再?gòu)乃鼈兊摩?1gt 曲線分析，各級(jí)荷載上拔間隔較均勻，上拔位移均隨荷載增加，上拔位移增量不大，曲線斜率均隨荷載升級(jí)沒(méi)有發(fā)生較大的變化，曲線尾部均未出現(xiàn)下彎趨勢(shì)，因此，竹節(jié)樁試樁的單樁抗拔極限承載力可確定為不小于1160 kN。三根管樁試樁的U-δ曲線均為陡變型曲線，其中99#樁在試驗(yàn)加載至最大荷載812 kN時(shí)，樁帽與樁身拉開(kāi)，因此其單樁抗拔極限承載力取上級(jí)荷載，即為696 kN。151#、177#試樁在試驗(yàn)加載至最大荷載696 kN時(shí)，樁帽與樁身拉開(kāi)，確定它們單樁抗拔極限承載力為580 kN。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，竹節(jié)樁抗拔效果更顯著，三根竹節(jié)樁單樁抗拔極限承載力均不小于1160 kN，相比于管樁，抗拔承載力提升了66%以上。

2.2工程實(shí)例2

2.2.1工程概況

杭州臨平經(jīng)建·英郡商住小區(qū)位于杭州臨平蘇家村，該工程場(chǎng)地地層分布情況見(jiàn)表3。

表3　工程2場(chǎng)地地質(zhì)條件

該工程采用樁基礎(chǔ)，試樁選用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁各3根，其中管樁試樁徑為600 mm，壁厚110 mm，有效樁長(zhǎng)30 m，樁號(hào)分別為KB1、KB2、KB3；竹節(jié)樁試樁最大外徑（帶肋）為600 mm，最小外徑為560 mm，壁厚100 mm，有效樁長(zhǎng)30 m，樁號(hào)分別為KB4、KB5、KB6。

2.2.2抗拔試驗(yàn)結(jié)果

如表4及圖7~圖8所示

表4　工程2試樁試驗(yàn)結(jié)果

圖7　抗拔試驗(yàn)U—δ曲線

圖8　KB5抗拔試驗(yàn)δ-lgt曲線

2.2.3試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

從圖7可知，六根試樁的U-δ曲線為陡變型曲線，按規(guī)范取其發(fā)生明顯陡增的起始點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的的荷載為抗拔極限承載力。據(jù)此，可知KB1、KB2、KB3、KB4、KB6試樁單樁抗拔極限承載力分別為1800 kN、1600 kN、1800 kN、2400 kN、2400 kN。KB5為竹節(jié)樁，其U-δ曲線為緩變型曲線，鄰級(jí)的δ-1gt曲線間隔均勻，各級(jí)δ-1gt曲線間隔逐級(jí)增大，最后一級(jí)的δ-1gt曲線尾部未出現(xiàn)明顯上彎，因在2400 kN荷載下此級(jí)上拔量相對(duì)明顯，終止試驗(yàn)，可確定該樁單樁抗拔極限承載力不小于2400 kN。

從圖7可知，KB1、KB2、KB3試樁在達(dá)到各自抗拔極限承載力時(shí)，所對(duì)應(yīng)的上拔位移分別為32.19 mm、21.88 mm、34.75 mm；KB4、KB5、KB6試樁在達(dá)到各自抗拔極限承載力時(shí)，所對(duì)應(yīng)的上拔位移分別為36.77 mm、38.55 mm、25.83 mm，與管樁相比，極限狀態(tài)下兩者上拔位移相差并不大，然而在1800 kN荷載條件下，竹節(jié)樁KB4、KB5、KB6的上拔位移分別為20.89 mm、20.56 mm、14.93 mm，上拔量相對(duì)減少。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，竹節(jié)樁抗拔效果更顯著，竹節(jié)樁抗拔承載力相對(duì)于管樁提高了至少34%。在0-1000 kN荷載范圍內(nèi)，竹節(jié)樁與管樁上拔量隨荷載變化趨勢(shì)基本一致，1000-2000 kN竹節(jié)樁上拔位移增量明顯小于管樁；在達(dá)到各自抗拔極限承載力時(shí)，竹節(jié)樁和管樁上拔位移相差不大，然而，當(dāng)管樁到達(dá)其抗拔極限承載力時(shí)，竹節(jié)樁抗拔承載力并未充分發(fā)揮，且此時(shí)竹節(jié)樁上拔量明顯少于管樁，上拔量減少約43%。

3　結(jié)論

竹節(jié)樁通過(guò)沿樁身外壁每隔一至三米設(shè)置一節(jié)環(huán)向凸肋，并在樁周外側(cè)對(duì)稱均勻設(shè)置了四條縱肋[4]，從而使其增大了與樁周土的接觸面積與粗糙程度，有利于側(cè)阻力的充分發(fā)揮。不僅如此，由于其樁身凹凸不平的構(gòu)造，竹節(jié)樁打入土體后，樁側(cè)土體將樁身凹處填滿，在上拔過(guò)程中，竹節(jié)樁的抗拔承載力一部分由側(cè)摩阻力組成，另一部分由樁身凸起處上部土體受擠壓變位時(shí)所引起的土抗力組成，并且這兩者的發(fā)揮是不同步的，正是因?yàn)檫@部分土體抗力的存在，使得竹節(jié)樁的抗拔性能優(yōu)于管樁。

從杭州地區(qū)的兩個(gè)抗拔工程中竹節(jié)樁與管樁的抗拔承載力對(duì)比試驗(yàn)中，不難看出，竹節(jié)樁在該區(qū)域抗拔工程中的應(yīng)用，取得了良好的效果。在直徑、樁長(zhǎng)相同的情況下，在抗拔初期，竹節(jié)樁與管樁的抗拔效果差別不大，但隨著上拔力的增加，竹節(jié)樁上拔位移隨荷載變化仍呈緩變趨勢(shì)，后勁更足，總體抗拔性能優(yōu)于管樁，其抗拔極限承載力相比管樁平均提高了約52%；并且在相同荷載作用下，上拔位移不大于管樁。

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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

合肥工業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研校企合作資助項(xiàng)目（W2014JSFW0415）

徐紹?。?992－），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閹r土工程。