異型樁研究現狀及發展前景

翟 蓮 楊瑩瑩 張竹軍 劉東輝

（吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130118）

0 引言

管樁因單樁承載力高，工程性能好，制作簡易，質量檢測方便，施工周期短，機械設備易改造，較好的經濟效益及較強的適應性等優點而被廣泛應用于各類工程中。但隨著現代科學技術的不斷進步和經濟的不斷提高，建筑結構對結構基礎的要求也愈來愈高，從而促進了管樁的廣泛應用，在工程實踐中，為滿足管樁樁基更高的承載力及變形要求，常常需要加大單樁樁長和樁徑，一方面研究表明當樁長和樁徑達到一定尺寸后對承載力的提高較小，另一方面造成混凝土用量變大、施工效率降低、經濟成本增加的局面，為了節約成本，順應時代發展潮流，異型樁越來越受到青睞。

1 異型樁簡介

1.1 異型樁定義

基礎按構造形式可分為：條形基礎、獨立基礎、滿堂基礎和樁基礎。本文主要介紹其中的一種，即樁基礎。而對于異型樁，顧名思義，異型樁是相對于普通的等截面樁，是指沿著樁身豎向發生截面形狀或尺寸變化的樁。總體而言，它有兩種：一種是通過改變樁身軸向截面形狀而形成的變截面異型樁；另一種是經過改變樁橫截面幾何形狀而形成的異型樁。

1.2 異型樁種類

本文著重從樁的構造形式方面進行分析。在構造形式方面，目前較為常見的異型樁可分為如下幾類：階梯型變截面樁、楔型樁、分段變截面變徑樁、多級擴徑樁、擴底樁和組合型樁等。本文將從楔型樁、階梯型、竹節型異型樁進行總結。

2 異型樁研究現狀

2.1 楔型樁的研究現狀

楔型樁具有承載力高，沉降小，可以縮短工期，在提高樁基安全性和減少工程造價等方面己取得了許多成果。近年來，國內外有關學者對楔型樁進行了研究，并取得了顯著的成果。研究表明在豎向荷載作用下楔型樁沉降量隨荷載增加而增大，其承載力大于圓柱型樁，在水平作用下楔型樁隨著錐角增大變形減小。基于文克爾的地基模型建立的水平荷載作用下楔型樁的樁身變形和內力理論計算方法，推導出計算公式，通過有限元軟件分析其受力特性。為了研究楔型樁的單樁和群樁的非線性荷載-沉降關系，根據楔型樁樁側與樁端的受力特點，提出了楔型單樁在均質土和分層土的荷載-沉降曲線計算方法，并據此提出了剛性和柔性承臺下楔型樁群樁的荷載-沉降計算方法，并與模擬試驗和現場試驗進行對比，能夠較好的吻合提出的計算方法。以擴底楔型樁在不同地質條件下荷載作用對擴底楔型樁的承載試驗，表明[1]擴底楔型樁的單樁豎向承載力、水平承載力、側阻力和端阻力都優于直徑圓樁，而高柳[2]通過修正后的阻抗函數遞推的方法求解微元樁段的動力平衡方程，進一步驗證楔型樁具有優良的承載性能。

2.2 階梯型樁的研究現狀

階梯型樁最早是被希臘工程研究人員研究出來的。階梯型樁的豎向極限承載力比等截面樁有較大提高。通過對同土質條件下的變截面和等截面鉆孔灌注樁在豎向荷載作用下的有限元模擬，得出變截面樁可以提高單樁的極限承載力，減少沉降量。而后通過室內對比試驗研究階梯型與等截面管樁，同樣證明了階梯型管樁在水平荷載作用下可以提高單樁單位體積的承載力，并與其直徑的大小有關，且變截面比越大，材料利用率越高。當在樁頂沉降量相同時，階梯型管樁與等截面管樁的樁側摩阻力合力相比，有了較大的提高，可以充分發揮樁側摩阻力。經過對模型試驗、數值模擬以及理論分析，方燾[3]建立了豎向荷載與水平荷載作用下的階梯型樁單樁承載理論，對階梯型變截面樁在實際工程中的應用具有積極作用。為進一步研究階梯型變截面樁與等截面樁在復合基礎下的性能，通過兩者在大型室內模型對于復合地基承載力進行分析，表明階梯型變截面樁可以充分利用淺層土的承載能力，改善單樁的荷載傳遞性狀，提高單樁和復合地基的承載能力。王景梅[i]基于Winkler 假設以及有限元模擬，推導出了變截面樁基水平受力的理論公式和計算方法，并通過現場試驗驗證其合理性，為以后設計使用提供可靠依據。

2.3 竹節管樁的研究現狀

預應力混凝土竹節樁是在節樁的基礎上沿樁身外側每隔一定距離設置環向凸肋，與節樁的不同在于，竹節樁樁壁外側對稱加設了縱肋用以連接環向凸肋。1999年，Madan[5]在不同的地質條件下對PHC 竹節樁進行了靜載試驗，提出了豎向承載力的估算方法，并對極限狀態承載力公式進行了可靠性的分析，驗證其是合理的。當在樁主軸直徑相同的情況下，增加節肋，雖然會增大混凝土的用量，但較相同直徑下的樁，承載力會提高1.5 倍，也會減少樁端的沉降，同時增大節樁的主軸的直徑會使“節”的這種效果更為明顯。朱國煊通過對實際工程中的樁體外徑和環狀凸肋直徑為500mm，縱向凸肋厚度為20mm，環狀肋間距為1000mm 的機械連接預應力竹節樁和預應力圓管樁進行靜荷載試驗，分析其荷載-沉降的變化規律，發現與圓管樁相比，預應力竹節樁曲線相對平緩，在相同荷載作用下，沉降更小，證明預應力竹節樁承載力大，并提出了影響承載力且有待于進一步研究的問題：環狀凸肋的最佳厚度、最佳間距。其后利用現場靜載荷試驗，得出了肋部不同厚度和肋距對新型帶肋管樁承載性能的影響。通過實驗和有限元模擬的方法分析對比，采用 ABAQUS 有限元計算對帶肋竹節樁的承載特性進行研究，分析竹節數、樁土模量比、肋徑比、摩擦系數等參數對帶肋竹節樁豎向抗壓承載力影響，王忠瑾[ii]提出了最優竹節樁數、最優肋徑比。

3 異型管樁發展前景

通過對上述文獻的閱讀，總結出：楔型樁是適應性良好的樁型，在很多方面具有優越性，如提高承載力、控制沉降、縮短工期、減少工程成本等；階梯型變截面樁適用于對沉降比較敏感的工程，很多復雜情況下，階梯型樁較等截面樁承載性能高，因此它可以應用在更多的工程實例中，尤其在多地震的地區；竹節樁因能增加樁身的摩阻力，所以更好的應用于軟土地層中，也有效地減少了混凝土的用量。竹節樁在多年的實踐應用中，技術較為成熟，具有良好的經濟效益，而相應的規范也在相繼推出，為這項新的技術在實際應用推廣中奠定基礎。為發展綠色經濟，應繼續探索新型的、可行性高的、可在實際工程中使用的異型樁，加強對異型樁群樁的研究，為其在實際工程中的推廣奠定理論基礎。