H型长钢桩尖在密实土层中的应用

孟晓宁，于云山

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州510230）

H型长钢桩尖在密实土层中的应用

孟晓宁，于云山

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州510230）

在钢筋混凝土桩基施工时，如果遇到工程区域地质持力层较密实且埋藏较浅或者持力层上面有较密实的覆盖层的情况，往往会造成沉桩困难、桩的入土深度不能满足使用要求等问题。结合具体工程的实践经验对此类工程问题进行分析，提出钢筋混凝土桩组合H型长钢桩尖的解决方案，并与普通钢筋混凝土桩基方案进行对比、通过计算及试桩试验对方案进行验证、对方案优点及适用性进行总结。

H型；钢桩尖；密实土

在钢筋混凝土桩的设计与施工中，为了减小施工的难度，满足桩基的入土深度，通常要在桩端设置钢桩尖。目前常用的桩尖有圆锥型桩尖和H型钢桩尖，钢筋混凝土管桩也经常采用钢管桩尖。常规的桩尖长度都较小，只是作为对混凝土桩尖的一种加强措施，并不能增加桩基的承载能力。在某些特定的地质条件下，这种桩尖对增加桩的入土深度、提高桩基承载力尤其是桩的抗拔能力，作用有限。

如果能对常规的钢筋混凝土桩的桩尖进行优化，使其不但能增加桩基的入土深度，还能参与结构的受力，将能有效地提高桩基承载能力。本文将结合具体工程实例，对这一设想展开论述。

1 工程实例

天津地区某5万t级石化码头工程方案采用顺岸连片式布置，码头总长300 m，宽为25 m，顶高程为6.0 m，新建引桥长20 m。码头采用高桩梁板式结构，桩基采用65 cm×65 cm预应力钢筋混凝土方桩。本工程码头港池需要开挖至-13.4 m。

1.1地质土层情况

本工程区域地质泥面高程为-1.75～-3.90 m，土层从上到下依次为①1淤泥、①2淤泥质粘土、②1粉质粘土混碎贝壳、②2粉质粘土、③1粉质粘土、③2粉土、④粉砂、⑤粉砂。

根据勘察资料分析:第④层粉砂，其层顶标高-19.9～-24.76 m；第⑤层粉砂，其层顶标高-27.05～-31.93 m。第④层粉砂和第⑤层粉砂均分布连续，层厚相对稳定，标贯击数高（约为50～100击），砂层密实均可作为桩端持力层。

1.2难点分析

在本码头工程区域，存在密实的砂层，可以作为桩端持力层，但是且埋藏较浅（该层顶标高为-19.9～-31.93 m），并且由于港池按照5万t级船舶开挖至-13.4 m，因此持力层上覆盖层厚度较小（尤其是海侧的部分桩基）。而普通混凝土预制桩打入密实的砂层的深度有限，使得桩入土深度不能满足弹性长桩条件，且单桩的抗拔承载能力很小。而在类似地质条件的大型码头也可以采用钢管桩。但是钢管桩比较昂贵，且钢管桩的维护要求较高，大量使用钢管桩会使工程造价大幅上升。

因此，如何在此类工程地质条件下使用混凝土预制桩，将是本工程需要解决的问题。

1.3桩基方案

本工程基础采用65cm×65cm预应力混凝土方桩。初步设计方案见图1。

图1 码头结构断面图（采用普通预应力钢筋混凝土方桩）Fig.1Sectional drawing of wharf structure(common squared prestressed reinforced concrete pile)

（1）弹性长桩条件判断［1］。

根据《港口工程桩基规范》（JTS167-4-2012），当采用m法计算水平力或力矩作用下的单桩承载力时，桩的入土深度应不小于相对刚度系数的4倍，即Lt≥4T。

式中：m为地基土水平抗力系数的比例系数，kN/m4，10 000；Ep为桩材料弹性模量，kN/m2，3.90×107；d为桩宽，m，0.65；b0为桩的换算宽度，m，1.30；T为桩的相对刚度系数，m。

经计算，T=2.2 m。

在距离码头前沿线较近的桩覆盖层较薄，桩的入土深度较浅，Lt≈7.1 m＜4T，不满足弹性长桩条件。

（2）桩基方案优化。

为了解决桩基不满足弹性长桩条件及桩基抗拔承载力不足这两个问题，设计对桩基进行了优化，并通过试沉桩试验对普通65 cm×65 cm预应力钢筋混凝土方桩和65 cm×65 cm预应力钢筋混凝土方桩组合H型长钢桩尖两种方案进行对比。调整后的方案见图2，H型长钢桩尖结构见图3。

图2 码头结构断面图（采用预应力钢筋混凝土方桩组合H型长钢桩尖）Fig.2Sectional drawing of wharf structure(squared prestressed reinforced concrete pile with long H⁃type steel pile tip)

图3 桩尖结构图Fig.3Structural drawing of pile tip

调整后，压桩力设计值Q=2 786 kN，拉桩力设计值T=-990 kN；根据《港口工程桩基规范》（JTS167-4-2012）计算，侧摩阻力值为1 005 kN，持力层端阻力值为3 200 kN，桩基抗压承载力Qd=2 950 kN，抗拔承载力Td=-1 056 kN。

（3）试沉桩［2］。

在两座引桥根部各选2根上述桩型进行试沉桩及高应变试验。试验根据《港口工程桩基动力检测规程》（JTJ249-2001）进行，采用CASE法和CAPWAP法进行试验。试验桩采用D100柴油锤打入，高应变完成试桩初打4根，复打4根。试桩结果见表1。

试桩结果表明：如果采用普通混凝土桩，在沉桩过程中由于桩对密实砂层的挤土效应，桩尖无法打入持力层，单桩承载能力很小；而采用H型长钢桩尖，混凝土部分和普通桩可沉到的标高基本一致，H型长钢桩尖可以打入密实砂层，加了桩基入土深度，组合桩满足弹性长桩条件，同时，提高了桩基侧摩阻力，对增大单桩抗拔承载能力效果显著［3］。

表1 码头试验桩工程高应变试验结果表Tab.1Results of high strain dynamic test of test piles

2 钢筋混凝土桩组合H型长桩尖的结构分析

本工程实例采用了钢筋混凝土桩+H型长桩尖的组合桩和普通的钢筋混凝土桩进行对比，通过试桩结果及计算分析可以看出，组合桩综合了H型钢桩和钢筋混凝土桩的优点，综合分析，其在结构上具有以下优点:

（1）穿透密实土层的能力强［4］。

因组合桩下段的H型钢桩尖的断面积比钢筋混凝土桩断面积小很多，故在同样的锤击荷载作用下，H型钢桩尖有很强的穿透密实土层的能力，本项目实例的打桩试验表明，使用H型长钢桩尖的混凝土桩较一般钢筋混凝土桩穿透硬层能力大大提高，因此对一般钢筋混凝土桩基结构，若需穿透密实土层、增加桩的入土深度，采用组合桩结构是适宜的。

（2）抗腐蚀性能好。

钢筋混凝土桩可以通过增加混凝土保护层厚度、提高混凝土标号、密实度，降低水灰比等措施增强桩身的抗腐蚀能力，与钢管桩相比有较强的防腐蚀性能。组合桩暴露在空气和海水中的部分为钢筋混凝土段，而桩身下段的H型钢已处在泥面下一定深度的土中，土中的环境对钢材的腐蚀较轻微，因此，组合桩仍具有钢筋混凝土桩抗腐蚀的优点［5］。

（3）抗压和抗拔承载力高。

当H型钢桩桩尖进入持力层时，桩侧极限摩阻力可按H型钢桩尖外围表面积乘以该处地基的单位面积桩侧极限摩阻力，钢筋混凝土桩部分的桩侧摩阻力按常规计算［6］。

组合桩不但保留了钢筋混凝土桩承载力高的特点，而且由于H型钢桩尖穿入较硬的土层，并且钢桩尖自身有一定的长度，能充分发挥硬土层桩侧摩阻力的作用，有效提高桩基的承载能力，所以组合桩的抗压和抗拔承载力较一般的钢筋混凝土桩更高。

3 结语

目前，本工程沉桩已经全部完成，实际沉桩结果完全满足设计要求，本设计桩基方案达到预期效果。通过本工程实践证明，对于持力层为密实的土层且埋藏较浅的工程地质，使用预应力钢筋混凝土方桩组合H型长钢桩尖的桩基方案，能充分发挥H型长钢桩尖段的作用，可以显著减小桩身对密实砂层的挤土效应，减小桩基施工难度，增加桩的入土深度，增大单桩承载能力，特别是抗拔承载能力显著提高，从而避免使用造价较高的钢管桩，节省工程费用［7］。

本文工程实例是采用预应力混凝土方桩组合H型长钢桩尖，希望这一方法可以在同类项目中得到推广，也可以推广至钢筋混凝土管桩使用［8］，从而可以减少钢筋混凝土桩的施工难度。

［1］JTS167-4-2012，港口工程桩基规范［S］.

［2］JTJ249-2001，港口工程桩基动力检测规程［S］.

［3］曹燕，谢卫平，钟建龙.浅谈预制方桩桩尖设计［J］.广东土木与建筑，2000（4）：15-16. CAO Y，XIE W P，ZHONG J L.Discussion of the design of prefabricated quadrate piles′pile tip［J］.Guangdong Architecture Civil Engineering，2000（4）：15-16.

［4］张志明.H型钢桩的应用及其承载力的确定［J］.水运工程，1994（11）：43-49. ZHANG Z M.The application and limit bearing capacity of H⁃beam pile［J］.Port&Waterway Engineering，1994（11）：43-49.

［5］林瑞肇，李勇谦.H型钢与钢筋混凝土组合桩的设计与施工［J］.水运工程，1997（7）：8-11. LIN R Z，LI Y Q.The design and construction of the composite pile combined with h⁃section steel and reinforced concrete［J］.Port&Waterway Engineering，1997（7）：8-11.

［6］林拾庆.H型组合桩在湄洲岛3000吨级对台客运码头结构上的应用［J］.港口科技动态，1995（9）：16-18. LIN S Q.The application of H⁃type composite pile in wharf structure of Meizhou island 3000⁃tons passenger terminal to Taiwan［J］. Ports s science&technology trends，1995（9）：16-18.

［7］黄焕清，许传新.H型钢与钢筋混凝土组合桩在风化岩地基中的应用［J］.水运工程，1995（7）：37-39. HUANG H Q，XU C X.The application of the composite pile combined with H⁃section steel and reinforced concrete in weathered rock foundation［J］.Port&Waterway Engineering，1995（7）：37-39.

［8］谈维汉，李法尧.管桩钢桩尖的正确选用［J］.混凝土与水泥制品，2002（1）：25-26. TAN W H，LI F R.Proper usage of pipe⁃pile steel tip［J］.CHINA concrete and cement products，2002（1）：25-26.

Application of long H⁃type steel pile tip in compact soil layer

MENG Xiao⁃ning,YU Yun⁃shan
（CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 510230,China）

During the reinforced concrete pile foundation construction process,when the bearing stratum of engineering region is more compact and shallow buried or be covered by dense layer,the problems are tend to hap⁃pen,such as pile⁃sinking difficultly or embedded depth of pile cannot meet operating requirement.Combined with specific engineering practice experience and the analysis of such problems,the solution of reinforced concrete pile with long H⁃type steel pile tip was mentioned in this paper.The advantage and applicability of this solution was summarized by contrast with common reinforced concrete pile foundation,and it was verified by calculation and test piles.

H⁃section;steel pile tip;compacted soil

TU 473

A

1005-8443（2016）02-0177-04

2015-06-09；

2015-07-12

孟晓宁(1983-)，男，江苏省徐州市人，工程师，主要从事港口工程设计和项目管理工作。

Biography：MENG Xiao⁃ning（1983-），male，engineer.