李 锋 李 婷 隐德辉 孙佳秋 刘伟生
(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)
论一种双向压旋抗拔桩的设计新方法
李 锋 李 婷 隐德辉 孙佳秋 刘伟生
(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)
以提高桩的抗拔能力为前提，设计了一种新型的钢筋混凝土双向压旋抗拔预制桩，阐述了该桩的设计要点和运行流程，指出该桩构造具有压入旋进、抗拔的功能，适用于独立结构物的抗拔桩基础。
双向抗拔桩，地基，混凝土，承载力
普通钢筋混凝土预制桩一般为方形，可设计成端承桩和摩擦桩，以承担结构上部的荷载作用；打拔管桩与预制桩的施工方法相同，打桩需要用到大型打桩机械，噪声大，机械工耗费较高，桩入土困难，对土体的挤密作用较大，地基应力分布不均匀。人工挖孔桩工作量大，且与土体的摩擦作用小。螺丝桩抗拔承载力较高，但施工十分复杂，需要成孔和拧入等大型特殊设备。抗拔桩越来越多的被选为风力发电设备基础等。螺丝桩具有比较好的抗拔性能，但由于螺丝构造上的缺陷，丝与杆之间刚度变化较大，容易产生应力集中，导致破坏，其他桩的抗拔能力均不理想。
1 相关技术简介
总结各种桩基的工程实用情况，在应用高强混凝土材料的基础上提出了一种采用压装设备，相对降低设备能力要求，抗拔能力较高，施工方便，功能优异的双向压旋抗拔桩设计方法。用高强混凝土制作，由四个空间旋转曲面围成，四条空间旋转曲线韧角具有60°切土角度，在静压力作用下，旋转钻入地基土体。按照目前的模板技术和混凝土技术，在工厂内通过曲线模板制作结构构件，同时结合高强自密实混凝土的应用是完全可以实现的。
2 总体设计
2.1 设计目的
该设计新方法是设计一种双向压旋抗拔桩，首先以提高桩的抗拔能力为前提，设计一种新型的钢筋混凝土预制桩，具有新的功能和作用。使用静力压桩设备，最大限度的降低机械能的消耗，避免施工机械噪声。在压桩入土的过程中，桩体按照设计的旋转方向，通过螺旋曲线边韧角的作用，切削土壁的同时旋转进入土体，通过桩承台固定。该桩在一定程度上具备了螺丝桩抗拔能力强的优点，同时又减少了大型机械能耗，可适当地增强土体的挤密效应。不仅可以用于端承桩、也可以用于摩擦桩的设计与工程施工。
2.2 设计要点
1)一种新型钢筋混凝土桩，设原方桩的边长为b，在离开角部0.08b的位置，截面中部凹进去0.1b，按照圆弧曲线连接这三个点，形成实线表示的断面。把上截面沿纵轴旋转，一个角点旋转90°时的新位置为相邻下一个交点原位置。控制上下相邻截面的高度为1.732b，也就是韧角曲线切线的角度为60°，这个角度对切削土体作用效果较好。由于高强度混凝土的强度比较高，对于软弱地基土来说，旋进效果比较强。
2)制作静力压旋的钢筋混凝土桩，且切土角度设定为60°左右，采用静力压桩的施工工艺，与边长为b的方桩相比，当桩的实体长度为L时，增加的端承面积为0.333bL，同时减少混凝土体积为0.284 8b2L，减少1/4左右。
3)将方形截面改成扭曲截面桩，并根据土力学原理，形成60°切土韧角；利用边部韧角切土作用，通过强力压桩，将桩压入软土地基中；承载过程中的内扭矩，通过桩的对称布置，在桩承台内取得自平衡；当土体较硬时，可钻略小于桩外径的孔，然后再行压入，以均匀分布土体的挤密作用；其桩有效截面面积可以按照内接圆的面积计算；压桩时采用带有平面铰的压桩加载头，在旋压过程中由土体的抵抗力推动桩旋转入土；此双向压旋抗拔桩可作为端承桩设计，也可作为摩擦桩设计，其桩头、桩尖、桩身的配筋，根据内接圆的截面核算，并按照现行桩基础的设计规范进行设计。
2.3 设计优点
该双向压旋抗拔桩，与传统的预制钢筋混凝土桩不同，该桩呈螺旋曲面外形，有四条螺旋曲面韧角，同时具有端承桩和摩擦桩的功能，也具有螺丝桩的抗拔能力，双向对称的群桩布置，加载时地基土反力形成的旋转扭矩，可以通过承台上的约束实现自平衡。在比较小的静压力作用下，加载头装置平面铰，可以使桩体旋转下切，达到指定的标高位置，相对减少了机械功率消耗。由于旋转曲面的承压作用相同，因此具有一定的抗拔能力。
该钢筋混凝土桩，施工时采用静力压桩旋转钻入地基土、具有较完善的承载功能和较低的机械消耗、端承面积大的特点，利于综合承载能力的发挥，桩承台将桩牢牢的固定在地基土中，由于承台的约束作用，承载时桩体不能旋转，因此保证了桩的抗拔能力，增大了桩的摩擦承载力和端面承载力，简化了施工方法、降低了静力压桩机械的能量能耗、避免了一般预制桩打桩机械的噪声、相对减少了混凝土的用量。
3 设计实现与运行
如图1所示为双向压旋抗拔桩基础结构图，在承台上对称布置，加载时由于地基土的反力作用，桩体产生的力矩在承台的约束下取得自平衡。顺时针旋转桩和逆时针旋转桩对称布置，其上端与桩承台固定连接，桩尖与桩体在桩的下端连接。如图2所示为在桩的水平剖面图中，根据桩的实际长度L，外接圆在一个单元长度内，形成空间斜曲面，一个单元高度水平投影的外接圆的面积减去正方形的面积为0.333bL。图3为顺时针和逆时针旋转的桩单元体和单元体的控制高度为1.732b，b表示方桩的边长。图4为桩尖的透视图，桩尖的高度取1.3b～1.5b，由于桩头较短不再设计成扭转面。
4 结语
这种双向压旋抗拔桩的新方法是当今社会一种比较新型的抗拔桩设计方法，用高强混凝土制作，采用双数布置，在抗拔能力
方面具有优越性。其内接圆作为配筋截面有效设计截面。由于最有效的切土角度，使得静力压桩设备的机械功率消耗最低，是一种适用于工厂化生产的预制钢筋混凝土功能性桩。桩体的制作采用高强自密实混凝土，同时需要制作复杂的模具，根据目前的技术能力，工厂化生产是完全可以实现的。这种双向压旋抗拔桩经济效益和社会效益比较显著，我们认为双向抗拔桩的设计是抗拔桩的发展方向，我们期待大家对这种双向压旋抗拔桩的关注。
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Abstract: With the premise of improving the anti-floating capacity of the piles, the paper designs a new reinforced concrete two-direction spinning anti-floating precast pile, illustrates its design points and operation procedure, and indicates its functions of spinning and anti-floating, so it can be adopted in the anti-floating pile foundation of the individual structural buildings.
Key words: two-direction spinning anti-floating pile, foundation, concrete, loading capacity
On new design methods for two-direction spinning anti-floating pile
Li Feng Li Ting Yin Dehui Sun Jiaqiu Liu Weisheng
(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)
2016-03-12
李 锋(1989- )，女，在读硕士； 李 婷(1992- )，女，在读硕士
1009-6825(2016)15-0061-02
TU473.1
A
