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，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、樁頂與承臺的連接方式闡述了竹節(jié)樁與管樁的主要差異；并通過杭州地區(qū)抗拔工程中竹節(jié)樁與管樁的抗拔試驗(yàn)，對它們豎向抗拔極限承載力進(jìn)行了對比研究。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)的工程難題也越來越多，目前工程領(lǐng)域最為突出的一個(gè)問題便是地下結(jié)構(gòu)的抗浮問題。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（簡稱管樁）在我國經(jīng)過近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、開裂；焊接費(fèi)時(shí)及耐腐性較差，針對管樁作為抗拔樁存在的這些問題，巖土工程界興起了異型樁。通過改變樁身截面，來提高樁側(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、開裂；焊接費(fèi)時(shí)及耐腐性較差[6]。竹節(jié)樁采用國內(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）、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樁身與承臺連接方式不同

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

圖2　竹節(jié)樁樁頂與承臺連接圖

2　竹節(jié)樁抗拔承載力現(xiàn)場試驗(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，該工程場地地層分布情況具體見表1.

表1　工程1場地地質(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26 m，樁號分別為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26 m，樁號分別為85#、155#、160#，試樁設(shè)計(jì)樁身混凝土強(qiáng)度等級為C80。

2.1.2抗拔靜載試驗(yàn)方案

試驗(yàn)加載方式：專用的安裝法蘭盤和連接小梁與放置在大橫梁的千斤頂上的小橫梁通過螺桿機(jī)械連接形成反力架（無須電焊），啟動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)通過千斤頂自動加壓，采用精度為0.01 mm，最大量程為50 mm的百分表測定上拔量；采用Y-150A0.4級精度油壓表顯示測控測定上拔力，按照國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基樁檢測技術(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，各級上拔增量幅值并不大；再從它們的δ-1gt 曲線分析，各級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沒有發(fā)生較大的變化，曲線尾部均未出現(xiàn)下彎趨勢，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，因此其單樁抗拔極限承載力取上級荷載，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，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，該工程場地地層分布情況見表3。

表3　工程2場地地質(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30 m，樁號分別為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30 m，樁號分別為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，鄰級的δ-1gt曲線間隔均勻，各級δ-1gt曲線間隔逐級增大，最后一級的δ-1gt曲線尾部未出現(xiàn)明顯上彎，因在2400 kN荷載下此級上拔量相對明顯，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，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。