異型鋼管樁研究概況與發展綜述

翟 蓮*常文凱 劉東輝 田 偉 蔣 鑫 鮑碩超

吉林建筑大學土木工程學院（130118）

0 引言

隨著我國科學技術的不斷提升，國民經濟的快速發展，建筑工程領域對結構的基礎功能也提出了較高的要求，管樁由于承載能力比較高，穩定性好，施工簡便，在基礎工程建設中有很好的發揮，而且有很好的適應環境的能力，因此在當前工程建設中被廣泛的應用，當今，為了進一步的提高管樁的承載能力、變形能力、抗震要求以及經濟效益，需要變更樁身和樁長的尺寸，又要考慮到混凝土的用量、工程造價等等，建筑基礎工程領域就誕生了異型樁，異型樁不僅提高了樁基的承載能力，而且大大的降低了混凝土的用量，從而獲得了較大的工程效益，因此，異型樁是當今基礎工程領域發展起來的一種新型樁型。

1 異型樁概況

1.1 異型樁簡介

樁基礎按照基礎的受力原理可分為摩擦樁、端承樁、預制樁、灌注樁，文章介紹的異型樁是用一種傳統的等截面樁基礎發展起來的一種新型樁型，其是一種沿著樁身縱向或橫向截面發生形狀或尺寸變化的樁型，也俗稱變截面樁型，是一種特殊的樁種類型，這種異型樁不僅能最大程度上發揮地基巖土和樁自身的潛能，而且還可以節約原材料的用量，降低工程造價等，這種異型樁目前已經適應了當今樁基工程發展的需要，并被建筑工程領域廣泛的關注，是樁基研究發展領域關注的熱點之一。

1.2 異型樁類型

異型樁是一種比較特殊的變截面樁型，異型樁大體上從截面形狀可分為兩個大類，縱截面異型樁、橫截面異型樁。從構造形式方面來看，又可以分為以下幾種：楔型樁、竹節管樁、擠擴支盤樁等，這些異型樁都是通過改變樁身縱橫向截面形狀而形成的樁型，因此，文章將通過這些異型樁進行總結和概述。

2 異型樁研究簡介

2.1 楔型樁

楔型樁在基礎工程當中是一種新型樁，其起源于前蘇聯，楔形樁巧妙的運用了樁基與土體之間的相互作用，使土體對樁的傾斜側壁產生法向抗力和切向力，從而增加了土體與樁的斜側壁之間的摩擦力，使樁基承載力大幅度提高。這種樁還有很多的優點，如可以節約材料，降低造價，施工簡便，從而可以縮短施工工期，充分改善了樁基周圍土體的物理力學性能，發揮了樁的傾斜側面與土體的共同作用，而且這種新型樁承載能力較高，減少了地基沉降，提高了樁基的整體安全性[1]。前蘇聯從20世紀初期就開始了楔型樁的一系列研究，我國是從20世紀80年代對楔型樁的承載力以及傾角對楔型樁的影響做了系統的研究，在建筑工程領域取得了顯著成果。研究表明在相同豎向或水平荷載作用下，楔型樁的單位體積承載力要大于傳統的普通等截面樁，楔型樁斜側壁的傾角越大，單位體積的承載力提高就越大[2]。基于楔型樁荷載沉降關系以及荷載傳遞樁身軸力分布規律進行了理論分析，劉杰[3]建立了荷載在樁身的傳遞規律，當荷載作用在楔型樁的頂端為樁的極限承載力的2/3以下時，頂端的荷載傳遞到楔型樁端的荷載不到10%，當達到全部加載階段時，呈現楔型樁比圓形樁更加剛性，而且隨著不同楔型樁楔角的增大，樁與土體之間的相互作用也越明顯，承載力也逐步提高。王幼青[4]通過對楔型樁擠土效應的理論分析，建立了楔型樁受力分析的計算模型，又考慮到擠土效應對樁基土體物理力學性能的影響，經過和楔型樁靜載試驗的對比，提出了楔型樁承載力的計算方法。而高柳[5]通過拉普拉斯變換法，再結合樁基交界面上的位移變換和應力平衡條件，研究得到了阻抗函數，并對楔型樁阻抗函數的修正，利用函數遞推的方法求解微元樁段動力平衡方程，并把這些和已有的楔型樁理論分析進行對比，進一步的驗證了楔型樁的承載能力。

2.2 竹節管樁

預應力混凝土竹節管樁主要是通過對普通的預應力混凝土管樁的基礎上加以改造，從而形成的一種新型樁，這種新型樁是在原有的預應力混凝土管樁樁身的外側每隔一段距離設置一條向外凸的混凝土肋環，由于常規的預應力混凝土管樁承載能力較低，而這種方式主要是為了增加竹節樁側身的摩阻力，提高樁的承載能力[6]。酈亮[7]分別對3個不同的樁間距和樁身，在正方形的竹節樁復合地基基礎上，進行了地基承載變形和樁土應力比的試驗研究，通過地基進行了單樁的靜荷載試驗，測定了竹節樁復合地基基礎的沉降，試驗結果表明，三個不同管樁的復合地基承載力以及單樁的地基承載力均符合120 kPa的設計要求，靜載試驗所測得的樁土應力比主要分布在4.0~6.0之間，這些所測得的樁應力比差異較大，且隨著樁間距的增大而減小，因此，竹節樁在軟土地區具有良好的承載能力。黃晟[8]通過分別對預應力混凝土管樁和預應力混凝土竹節樁進行現場抗壓承載能力試驗研究，并對以上兩種管樁進行了對比和分析。試驗結果表明，常規的預應力混凝土管樁在施工過程中對樁基周圍土體擾動很大，且承載能力隨時間的變化較為顯著，不能有效提高樁基的承載能力，而預應力混凝土竹節樁在試驗研究的過程中，樁的荷載-位移曲線較為平穩，更有利于發揮樁基的抗壓承載能力。通過ABAQUS有限元軟件分別對預應力混凝土竹節樁以及常規的預應力混凝土管樁抗壓承載能力的模擬計算，試驗結果表明，隨著軟土地基的土體強度的增加，樁的側身摩阻力不斷增大，抗壓承載能力也不斷增大，而竹節管樁可以承擔大部分的荷載，從而有效的提高樁基承載能力，同時，竹節的形式、直徑、豎向間距也對帶肋管樁承載能力有一定的影響，且竹節管樁的抗壓承載能力隨著竹節直徑的增大而增加，隨著竹節豎向間距的增大而減小[9]。

2.3 擠擴支盤樁

擠擴支盤樁是近些年出現的一種新結構樁型，其是一種帶有多分支具有承力盤結構的樁，通過擠擴工藝或設備來發揮支盤承載力的作用，其中支結構和盤結構可以充分發揮樁基周圍土體的特性，使承載能力增大，減小變形[10]。該樁型具有承載能力較高、沉降量小、施工簡便等特點，在工程領域界得到了廣泛的應用并得到了一致的認可，對擠擴支盤樁進行了各方面的深入調研，并且產生了諸多研究結果[11]。王光凱[12]通過探究擠擴支盤樁的構造特征及施工工藝特點等，并結合該樁型的優缺點、樁基周圍土體和設計施工要求等，得出了以下結論，擠擴支盤樁是由樁身、支盤結構和樁身周圍土體共同作用使樁基的承載能力提高，若同等強度條件下的該樁型，混凝土的用量要比常規的鉆孔灌注樁混凝土用量要少的多，從而降低了工程造價。研究表明，承力盤之間的間距要控制在一定的范圍內才能充分發揮該樁型的承載能力。錢德玲[13]通過載荷試驗發現該樁型荷載的傳遞狀況發生改變，試驗得出結論，由于擠擴支盤樁的樁身多個支或盤的數量位置設置的不同，荷載的傳遞發生了不同改變，因此該樁型的地基承載能力及沉降狀況也會發生改變，基于荷載傳遞的改變并分析了擠擴支盤樁的影響因素，提出了經驗公式并計算了該樁型在極限荷載作用下的修正系數，結果表明，試驗所測得計算值與該樁型在工程中的實測值基本吻合。

3 異型樁發展綜述

通過對以上文獻的閱讀，總結出以下樁型，楔型樁從20世紀初期就開始了一系列的研究，其可以通過楔角的增大來加強與土體之間的相互作用來增加樁身與土體之間的摩擦力，從而提高地基承載能力，而且該樁型還可以減少地基沉降，降低造價；竹節管樁主要應用于預應力混凝土當中，該樁型是在樁身外側設置一圈混凝土外環，來增加樁側身之間的摩擦力，從而在軟土地區也能有效的提高復合地基承載能力；擠擴支盤樁是一種多支承力盤的新型樁，該樁型施工簡便、沉降量小、工程造價低等特點，是通過擠擴工藝或一些設備來發揮支盤承載力的作用，從而充分發揮樁身周圍土體的特性，提高承載能力。異型樁已在多年實踐過程中應用，為繼續探索更加經濟，更加環保、綠色的新型樁奠定了堅實的基礎。為推進工程樁基領域的發展，還要不斷創新，探索和研究異型樁，不斷的在實際應用中推廣，才能真正的用于工程實踐中。