机械连接竹节桩在沿海软土地基中的应用

　　[摘要] 分析、总结了管桩在沿海软土地基工程应用中出现的主要问题，介绍了机械连接竹节桩的特点，并通过工程实例，对机械连接竹节桩在软土地基中用作抗压工程桩和抗拔工程桩时,其与普通预应力管桩的承载性能进行对比分析。从现场静载试验所得的Q-s曲线可以看出，普通预应力管桩的Q-s曲线均出现明显拐点，而机械连接竹节桩Q-s曲线的属于缓变型。机械连接竹节桩的环状凸肋使得其抗压承载力和抗拔承载力明显优于普通预应力管桩，相比普通预应力管桩，它的抗压承载力、抗拔承载力可提高约20%以上。
　　[关键词] 机械连接竹节桩；软土地基；静载荷试验；环状凸肋

　　1 概述
　　预应力混凝土管桩（以下简称管桩）经过我国近20多年的发展，无论是品种还是产量上，都已取得显著成效。目前，管桩生产量基本上以10%～15%的年增长率上升[1，2]。相比于传统预制桩，它可以解决桩身混凝土开裂问题，且又安全环保，具备工厂生产标准化、质量可靠、施工方便快捷、检测简单及成本低廉等特点，因此在实际工程中得到很好的推广和应用。管桩按混凝土强度等级可分为预应力混凝土管桩(即PC管桩)和预应力高强混凝土管桩（即PHC管桩）。
　　管桩是通过桩侧阻力和桩端阻力来承受上部荷载的。为了提高单桩竖向承载力，大都通过提高桩侧阻力或桩端阻力的途径来实现。增加桩端阻力的措施有桩端扩底和桩底注浆等；增加桩侧阻力的措施则有桩侧注浆和采用变截面桩等。目前国内生产的先张法预应力离心混凝土异型桩的形式有很多种，机械连接预应力混凝土竹节桩（简称机械连接竹节桩）是在传统混凝土预制桩基础上经过改进，于2003年研制成功的一种新型异型桩（图1），它属于变截面桩[3]。
　　2 管桩在软土地基应用中存在的主要问题
　　2000年前后在浙江省快速出现了40多家管桩厂，4年之后又迎来第2个发展高潮，新出现了30多家规模较大的管桩厂[4]。采用管桩施工工期短，可带来显著的经济效益，但它的抗震性较差，接头易松动、开裂，焊接费时及耐腐性较差，抗拔效果差，在软土地基工程应用中，除了偏位、折断外[5]，还存在以下主要问题：
　　（1） 复杂的地质条件导致成桩困难。软土地基常常使管桩的持力层太深，然而当桩长超过40m时，其经济效果将明显降低；遇到孤石、老基础及地下障碍物多的地层，或者地层中存在坚硬的夹层，而该夹层又不能作为管桩的持力层时，会增加管桩的施工难度，降低其成桩质量。
　　（2） 桩身混凝土开裂。在上拔力的作用下，由于桩身混凝土呈拉伸状态，桩身混凝土在凝结硬化过程中存在着众多微裂缝，内部结构极不均匀；随着荷载的增大，内部的微裂缝容易扩展、串通而导致桩身开裂。桩身开裂后其承载力虽然没有明显减小，但钢筋锈蚀速度加快，对抗拔桩的承载性能造成极大的隐患[2]。
　　（3） 桩身接头难以满足耐久性要求。预应力管桩接头主要采取焊接方式，焊接工艺虽然简单却比较严格，在施工现场往往得不到有效执行，焊接质量不够稳定，使管桩接头处成为桩体的薄弱环节。而接头焊缝在打桩过程中需承受上千次的拉压交变应力，任何焊接缺陷都是隐性裂纹源，有可能直接导致接头金属组织撕裂。在众多管桩工程质量事故中，由于管桩接头焊接质量而导致的事故占了相当大的比例[6]。
　　为了弥补传统焊接接头工艺的不足，提高施工效率，保证施工质量，不少厂家通过实践经验，发明了一种新型的接头技术——机械连接接头技术，用来替代焊接接头。地基规范[7]规定：当普通预应力管桩作为抗拔桩使用时，宜采用单节管桩，采用多节管桩时可考虑通长灌芯，另行设置通长的抗拔钢筋。江苏、天津、福建等地均明确规定，管桩用于抗拔时必须采用机械连接接头技术。
　　（4） 桩身与承台的连接质量难以得到保证。承台是上部结构与桩基之间的传力体，桩与承台的连接做法直接影响到管桩的承载性能。管桩的预应力筋必须锚入承台。常见连接方法是通过桩芯灌浆并内插钢筋与承台连接。
　　（5） 在生产过程中偷工减料致使桩身质量不达标。如采用高强钢丝代替钢棒，采用铸造工艺、地条钢代替Q235B钢作为桩端板的用材等。
　　3 机械连接竹节桩的发展与特点
　　为了解决传统预应力管桩焊接接头存在的问题以及作为抗拔桩应用受限的现状，同时也为了节省管桩生产制作成本、提高单桩承载力、增强沿海软土地区所应用的管桩的耐久性，浙江天海管桩有限公司研发出一种改良创新的桩型——机械连接竹节桩，并相应开发了其在沿海软土地区应用的制作和施工成套技术。
　　机械连接竹节桩沿桩体的外壁每隔1~3m设置一节环状凸肋，并在桩周外侧均匀加设数条纵肋以连接环状凸肋。环状凸肋不仅能有效增强桩身摩擦性能，也扩大了桩体的有效截面积，进一步提高了桩的承载能力，节省了生产成本。机械连接竹节桩的中部桩径为恒定值，上部与中部之间的桩径及下部与中部之间的桩径则呈线性增加。第十代机械连接竹节桩（产品名为“天桩”）如图1所示。
　　与相同直径和相同桩长的预应力管桩相比，机械连接竹节桩的竖向抗压、抗拔承载力提高约20%以上；不但其承载性能好，且可节约混凝土材料15%以上，可降低生产成本10%左右[8]。此外，机械连接竹节桩因取消端板、采用特定防腐机械连接装置使其耐久性得到提高，可直接节省管桩制造成本，达到节省资源的目的。
　　3.1 连接接头
　　为了克服传统管桩焊接连接及桩头存在的不足的问题，现已成功研发出第十代连接技术[9]，其连接件见图2，其中大螺母内装防腐用的环氧树脂；基垫和弹簧用于保证卡片平整到位；卡片两面设置一定的角度起到越拉越紧的效果；插杆设计成球形，保证卡片能顺利到位；中间螺母旋接在顶拉螺帽内，将卡片上移定位，以确保连接坚固顺利。连接接头在下插时，弹簧的反作用力将接头上顶，中间螺帽限定了卡片的上移，这时卡片在弹簧反作用力的作用下将接头紧紧地抱箍，同时由于纵向钢筋端部的镦头与弹簧相触，从而保证了荷载的传递。
　　桩连接接头剖面构造如图3所示。接桩时在桩端面安放由环氧树脂、固化剂等组成的密封材料，以提高桩端耐久性。
　　3.2 与承台（或基础梁）的连接
　　抗拔桩主要通过填芯混凝土及插筋与承台连接。图4和图5分别为机械连接竹节桩作为抗拔桩截桩和不截桩时其桩顶与承台的连接方式，两者的区别在于截桩时需要通过专用锚固螺母与机械连接竹节桩的钢棒相连接，这可减少混凝土浇筑量，不截桩时通过预置螺母将锚固钢筋直接与桩体连接。抗拔桩截桩时，若机械连接竹节桩的钢棒完好无损，可将钢棒直接连接到基础承台，但应保证其锚固长度应满足规范[7]要求，否则尚须在基础承台内另增设锚固钢筋，并利用螺母将钢棒与之连接，详见图4。当外露钢棒不能利用时，必须采用锚固螺母与专用卡片进行锚固连接，锚固螺母安装在桩身。不截桩时锚固钢筋下端需要进行热墩头、后滚丝工艺处理，滚丝尺寸必须与桩的螺母型号、规格相吻合，这样才能确保锚固钢筋与桩身连接牢固。
　　表1列举了部分机械连接竹节桩工程应用情况。根据混凝土有效预压应力值，桩型可分为A型、AB型、B型和C型，对应的有效预压应力值分别为4.0，6.0，8.0，10.0MPa。机械连接竹节桩的桩径主要以400，500，600mm为主，用作抗压桩和抗拔桩时，桩长均在20m以上，最长目前用到了36m。表2中广厦天都城项目中机械连接竹节桩主要用于抗压，而金帝海泊雅苑项目中其用于抗压和抗拔。 　　注:1)桩型号中的T代表机械连接，PHC表示高强预应力，PC表示预应力，A，B，AB表示桩型；数字的含义以桩型号T-PHC-A600-560(100)为例来说明，其中600代表最大外径，560代表最小外径，100代表壁厚，其单位均为mm。2）第4列中“/”前的数字表示抗压桩承载力特征值；“/”后的数字表示抗拔桩承载力特征值。
　　4.1 广厦天都城项目
　　在广厦天都城项目中，分别选用3根机械连接竹节桩和普通预应力管桩进行基桩竖向抗压静载破坏性对比试验。忽略地下室开挖范围以上的杂填土、耕土和塘泥3个土层后场地范围内土层的土工参数如表2所示，⑧-2土层下方为中风化泥质粉砂岩。管桩持力层为⑧-2层强风化泥质粉砂岩，机械连接竹节桩型号为T-PHC-A600-560（100），桩长度依次为24.0，26.5，24.0m，桩身混凝土强度等级为C60；普通预应力管桩的桩径为600mm，桩长依次为18.0，25.0，30.0m，桩身混凝土强度等级为C60。
　　图6为管桩静载荷试验的荷载-沉降（Q-s）曲线，由图可以看出，普通预应力管桩的Q-s曲线均出现了明显拐点，而机械连接竹节桩的Q-s曲线属于缓降型，各级沉降增量变化幅值不大。根据试验得到的各管桩承载力极限值如表3所示。普通预应力管桩S2-2桩长为25.0m，与机械连接竹节桩S1-2的桩长较为接近，二者的承载力极限值分别为3500kN和4400kN。因此，机械连接竹节桩承载力提高了约25.7%。 　　4.2 金帝海泊雅苑项目
　　项目所在地质土层以淤泥质黏土和粉质黏土为主，采用直径为500mm和600mm的机械连接竹节桩和边长为450mm的预应力离心混凝土空心方桩作为工程试验桩，试桩长度均为36.0m，混凝土强度等级均为C80。其中抗拔桩做了4根，桩型及承载力特征值如表4所示。 　　注：T-PHC-AB500-460(100)，T-PHC-B500-460(100)，T-PHC-B600-560(110) 为机械连接竹节桩；PHS-AB450(250)为预应力离心混凝土空心方桩。
　　抗拔桩的试验结果如图7所示。试桩KBSZ1在荷载从1600kN增至1700kN过程中其上拔量突然增加，因此取Q-s曲线发生明显陡升的起点(1600kN)作为极限承载力。同理试桩KBSZ2的极限承载力取为1760kN。试桩KBSZ 3在加载至2240kN的过程中，桩帽与桩头突然拉开，整个桩帽拉出，终止试验，取上一级荷载（2080kN）作为极限承载力。而方桩KBSZ4加载至800kN时桩帽与桩身分开，取上一级荷载（640kN）作为其极限承载力。从试验结果可以看出，机械连接竹节桩由于增强了侧壁与土体之间的摩擦性能，因此抗拔承载力有大幅提升。
　　5 结语
　　针对管桩在软土地基工程应用中存在的问题，在开发机械连接竹节桩的过程中相应地采取了有效措施。设置的环状凸肋不仅可有效增强了桩身摩擦性能，还扩大了桩体的有效截面积，进一步提高了桩的承载能力，节省了生产成本。开发的新型机械连接方式确保该桩的连接坚固可靠、快速顺利；同时接桩时在桩端面安放由环氧树脂、固化剂等组成的密封材料，提高了桩端接头处的耐久性。
　　机械连接竹节桩已广泛用于沿海软土地基工程中。现场静载荷试验结果表明，机械连接竹节桩的抗压和抗拔承载力均高于普通预应力管桩，其中抗压承载力和抗拔承载力均可提高约20%以上。
　　参考文献
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