异型钢管桩研究概况与发展综述

翟 莲*常文凯 刘东辉 田 伟 蒋 鑫 鲍硕超

吉林建筑大学土木工程学院（130118）

0 引言

随着我国科学技术的不断提升，国民经济的快速发展，建筑工程领域对结构的基础功能也提出了较高的要求，管桩由于承载能力比较高，稳定性好，施工简便，在基础工程建设中有很好的发挥，而且有很好的适应环境的能力，因此在当前工程建设中被广泛的应用，当今，为了进一步的提高管桩的承载能力、变形能力、抗震要求以及经济效益，需要变更桩身和桩长的尺寸，又要考虑到混凝土的用量、工程造价等等，建筑基础工程领域就诞生了异型桩，异型桩不仅提高了桩基的承载能力，而且大大的降低了混凝土的用量，从而获得了较大的工程效益，因此，异型桩是当今基础工程领域发展起来的一种新型桩型。

1 异型桩概况

1.1 异型桩简介

桩基础按照基础的受力原理可分为摩擦桩、端承桩、预制桩、灌注桩，文章介绍的异型桩是用一种传统的等截面桩基础发展起来的一种新型桩型，其是一种沿着桩身纵向或横向截面发生形状或尺寸变化的桩型，也俗称变截面桩型，是一种特殊的桩种类型，这种异型桩不仅能最大程度上发挥地基岩土和桩自身的潜能，而且还可以节约原材料的用量，降低工程造价等，这种异型桩目前已经适应了当今桩基工程发展的需要，并被建筑工程领域广泛的关注，是桩基研究发展领域关注的热点之一。

1.2 异型桩类型

异型桩是一种比较特殊的变截面桩型，异型桩大体上从截面形状可分为两个大类，纵截面异型桩、横截面异型桩。从构造形式方面来看，又可以分为以下几种：楔型桩、竹节管桩、挤扩支盘桩等，这些异型桩都是通过改变桩身纵横向截面形状而形成的桩型，因此，文章将通过这些异型桩进行总结和概述。

2 异型桩研究简介

2.1 楔型桩

楔型桩在基础工程当中是一种新型桩，其起源于前苏联，楔形桩巧妙的运用了桩基与土体之间的相互作用，使土体对桩的倾斜侧壁产生法向抗力和切向力，从而增加了土体与桩的斜侧壁之间的摩擦力，使桩基承载力大幅度提高。这种桩还有很多的优点，如可以节约材料，降低造价，施工简便，从而可以缩短施工工期，充分改善了桩基周围土体的物理力学性能，发挥了桩的倾斜侧面与土体的共同作用，而且这种新型桩承载能力较高，减少了地基沉降，提高了桩基的整体安全性[1]。前苏联从20世纪初期就开始了楔型桩的一系列研究，我国是从20世纪80年代对楔型桩的承载力以及倾角对楔型桩的影响做了系统的研究，在建筑工程领域取得了显著成果。研究表明在相同竖向或水平荷载作用下，楔型桩的单位体积承载力要大于传统的普通等截面桩，楔型桩斜侧壁的倾角越大，单位体积的承载力提高就越大[2]。基于楔型桩荷载沉降关系以及荷载传递桩身轴力分布规律进行了理论分析，刘杰[3]建立了荷载在桩身的传递规律，当荷载作用在楔型桩的顶端为桩的极限承载力的2/3以下时，顶端的荷载传递到楔型桩端的荷载不到10%，当达到全部加载阶段时，呈现楔型桩比圆形桩更加刚性，而且随着不同楔型桩楔角的增大，桩与土体之间的相互作用也越明显，承载力也逐步提高。王幼青[4]通过对楔型桩挤土效应的理论分析，建立了楔型桩受力分析的计算模型，又考虑到挤土效应对桩基土体物理力学性能的影响，经过和楔型桩静载试验的对比，提出了楔型桩承载力的计算方法。而高柳[5]通过拉普拉斯变换法，再结合桩基交界面上的位移变换和应力平衡条件，研究得到了阻抗函数，并对楔型桩阻抗函数的修正，利用函数递推的方法求解微元桩段动力平衡方程，并把这些和已有的楔型桩理论分析进行对比，进一步的验证了楔型桩的承载能力。

2.2 竹节管桩

预应力混凝土竹节管桩主要是通过对普通的预应力混凝土管桩的基础上加以改造，从而形成的一种新型桩，这种新型桩是在原有的预应力混凝土管桩桩身的外侧每隔一段距离设置一条向外凸的混凝土肋环，由于常规的预应力混凝土管桩承载能力较低，而这种方式主要是为了增加竹节桩侧身的摩阻力，提高桩的承载能力[6]。郦亮[7]分别对3个不同的桩间距和桩身，在正方形的竹节桩复合地基基础上，进行了地基承载变形和桩土应力比的试验研究，通过地基进行了单桩的静荷载试验，测定了竹节桩复合地基基础的沉降，试验结果表明，三个不同管桩的复合地基承载力以及单桩的地基承载力均符合120 kPa的设计要求，静载试验所测得的桩土应力比主要分布在4.0~6.0之间，这些所测得的桩应力比差异较大，且随着桩间距的增大而减小，因此，竹节桩在软土地区具有良好的承载能力。黄晟[8]通过分别对预应力混凝土管桩和预应力混凝土竹节桩进行现场抗压承载能力试验研究，并对以上两种管桩进行了对比和分析。试验结果表明，常规的预应力混凝土管桩在施工过程中对桩基周围土体扰动很大，且承载能力随时间的变化较为显著，不能有效提高桩基的承载能力，而预应力混凝土竹节桩在试验研究的过程中，桩的荷载-位移曲线较为平稳，更有利于发挥桩基的抗压承载能力。通过ABAQUS有限元软件分别对预应力混凝土竹节桩以及常规的预应力混凝土管桩抗压承载能力的模拟计算，试验结果表明，随着软土地基的土体强度的增加，桩的侧身摩阻力不断增大，抗压承载能力也不断增大，而竹节管桩可以承担大部分的荷载，从而有效的提高桩基承载能力，同时，竹节的形式、直径、竖向间距也对带肋管桩承载能力有一定的影响，且竹节管桩的抗压承载能力随着竹节直径的增大而增加，随着竹节竖向间距的增大而减小[9]。

2.3 挤扩支盘桩

挤扩支盘桩是近些年出现的一种新结构桩型，其是一种带有多分支具有承力盘结构的桩，通过挤扩工艺或设备来发挥支盘承载力的作用，其中支结构和盘结构可以充分发挥桩基周围土体的特性，使承载能力增大，减小变形[10]。该桩型具有承载能力较高、沉降量小、施工简便等特点，在工程领域界得到了广泛的应用并得到了一致的认可，对挤扩支盘桩进行了各方面的深入调研，并且产生了诸多研究结果[11]。王光凯[12]通过探究挤扩支盘桩的构造特征及施工工艺特点等，并结合该桩型的优缺点、桩基周围土体和设计施工要求等，得出了以下结论，挤扩支盘桩是由桩身、支盘结构和桩身周围土体共同作用使桩基的承载能力提高，若同等强度条件下的该桩型，混凝土的用量要比常规的钻孔灌注桩混凝土用量要少的多，从而降低了工程造价。研究表明，承力盘之间的间距要控制在一定的范围内才能充分发挥该桩型的承载能力。钱德玲[13]通过载荷试验发现该桩型荷载的传递状况发生改变，试验得出结论，由于挤扩支盘桩的桩身多个支或盘的数量位置设置的不同，荷载的传递发生了不同改变，因此该桩型的地基承载能力及沉降状况也会发生改变，基于荷载传递的改变并分析了挤扩支盘桩的影响因素，提出了经验公式并计算了该桩型在极限荷载作用下的修正系数，结果表明，试验所测得计算值与该桩型在工程中的实测值基本吻合。

3 异型桩发展综述

通过对以上文献的阅读，总结出以下桩型，楔型桩从20世纪初期就开始了一系列的研究，其可以通过楔角的增大来加强与土体之间的相互作用来增加桩身与土体之间的摩擦力，从而提高地基承载能力，而且该桩型还可以减少地基沉降，降低造价；竹节管桩主要应用于预应力混凝土当中，该桩型是在桩身外侧设置一圈混凝土外环，来增加桩侧身之间的摩擦力，从而在软土地区也能有效的提高复合地基承载能力；挤扩支盘桩是一种多支承力盘的新型桩，该桩型施工简便、沉降量小、工程造价低等特点，是通过挤扩工艺或一些设备来发挥支盘承载力的作用，从而充分发挥桩身周围土体的特性，提高承载能力。异型桩已在多年实践过程中应用，为继续探索更加经济，更加环保、绿色的新型桩奠定了坚实的基础。为推进工程桩基领域的发展，还要不断创新，探索和研究异型桩，不断的在实际应用中推广，才能真正的用于工程实践中。