常武地区竹节桩应用相关问题分析及对策

蒋育敏

(常州市武进区建设工程施工图设计审查中心，江苏 常州 213161)

0 引言

桩基是常武地区(特指江苏省常州市武进区)软土地基基础设计的唯一选择。设计时合理选择桩型，准确确定单桩承载力，是确保桩基设计安全、耐久且经济的关键。目前，常武地区桩基设计中最常选用的桩型为预应力管桩，另有少量的灌注桩和预制方桩的应用，常武地区的勘察、设计、施工、检测、监管人员对这些桩型的性能均已比较了解，并积累了丰富的工程经验。

图1 竹节桩实物图

但是，近期在常武地区某办公楼项目(以下称A案例)中采用竹节桩时，桩基施工完成后的工程桩单桩承载力检测值只有设计估算值的80%左右，未能实现理论上的摩阻力增大效应，且相同桩顶荷载下沉降大于相对应的管桩。桩基完工后再补桩，增加了桩机进出场费用；有些部位承载力也许相差很少，但后补的桩需考虑筏板或承台受力均衡，需对称进行修补；局部补桩部位筏板配筋还需要作加强处理，承台需放大等。这不仅对工程造价、施工工期影响很大，而且参与项目建设的各方还会因责任问题互相推诿、扯皮。本文通过对A案例、本地区另一个竹节桩项目(以下称B案例)、与A案例相邻场地的常规管桩项目(以下称C案例)的静载荷试验数据进行统计，将竹节桩与常规管桩进行对比，重点对勘察报告及桩基设计中相关数据进行了认真梳理和研判，提出了相应对策，以期能为类似工程的设计提供参考。

1 项目概况

A案例：5层框架结构，无地下室，总建筑面积14 157 m2；场地类别Ⅲ类，抗震设防分类为标准设防类，框架抗震等级三级；采用螺锁式竹节桩基础，柱下独立承台。桩位布置图详见图2。依据图集《TH螺锁式连接先张法预应力混凝土竹节桩》(Q/320582 ZD020—2021)(以下简称《竹节桩图集》)选用竹节桩，框架柱下使用直径500-460 mm竹节桩，地坪桩使用直径400-360 mm竹节桩，采用静压方式。

图2 A案例桩位布置图

A案例层数不高，结构体型规整，柱距和荷载分布均匀，场地土层较均匀，地基条件简单。对照《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)(以下简称《地基规范》)第3.0.1条及《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)(以下简称《桩基规范》)第3.1.2条，地基基础和桩基设计等级均为丙级。根据《地基规范》第8.5.6条，桩基设计等级为丙级时，可采用静力触探及标贯试验参数结合工程经验确定单桩竖向承载力特征值，不强制要求进行设计试桩。相关规范中规定：除设计等级为丙级的建筑物外，桩基设计采用的单桩竖向承载力特征值，应采用竖向静载荷试验确定。这种设计前进行的静载荷试验即为设计试桩。因此，A案例未进行设计试桩，桩基设计采用的单桩竖向承载力特征值，是根据勘察报告提供的桩侧阻力和端阻力参数，依据《预应力混凝土异形预制桩技术规程》(JGJ/T 405—2017)(以下简称《异形桩规程》)第5.2.3条公式(5.2.3-1)、(5.2.3-2)估算而得。

B案例为某车间项目，2层局部4层框架结构，无地下室，总建筑面积43 884 m2；场地类别Ⅲ类，抗震设防分类为标准设防类，框架抗震等级三级；采用螺锁式竹节桩基础，柱下独立承台；结构体型规整，柱距和荷载分布均匀，场地土层较均匀，地基基础和桩基设计等级均为丙级，为本地区首次采用竹节桩的项目，桩直径500-460 mm，桩长22 m，前期未进行设计试桩。该项目2017年底通过施工图审查。

C案例是A案例相邻场地的住宅小区，8栋20层高层住宅，10栋7～11层的小高层住宅，均为剪力墙结构；1层地下室，桩基设计等级为乙级，场地类别Ⅲ类，抗震设防分类为标准设防类。其中7～11层的小高层住宅采用直径500 mm的预制管桩，桩长18 m，设计前先根据该项目勘察报告中提供的桩侧阻力和端阻力参数，依据《地基规范》第8.5.6条公式(8.5.6-1)估算得出单桩竖向承载力特征值，然后进行了静载荷试验，并按静载荷试验结果进行桩基设计。该项目2018年通过施工图审查。

2 工程桩检测结果

A案例在桩基施工完成后进行工程桩检测时，有6根桩做了竖向抗压静载荷试验，检测结果显示，单桩竖向承载力特征值只有设计取值的80%，如果与《异形桩规程》公式估算值进行比较，则只有69%～77%。这个检测结果与参考文献[1]至[4]及其他相关研究材料中所述相距甚远，均小于设计取值(理论估算值)，且检测数据比较接近，无明显离散性；检测桩的沉降值偏大。具体检测结果见表1。

表1 A案例工程桩抗压静载荷试验结果及相关数据汇总表

B案例工程桩施工结束后，第1次做了7根桩的竖向抗压静载荷试验，检测结果只有设计取值的80%左右，不满足设计要求。建设各方商量后扩大检测范围，第2次又做了7根桩的竖向抗压静载荷试验，仍然不满足设计要求。检测结果见表2及表3。

表2 B案例第1次工程桩抗压静载荷试验结果及相关数据汇总表

表3 B案例第2次工程桩抗压静载荷试验结果及相关数据汇总表

3 工程桩检测值小于估算值的原因分析

本文重点对勘察报告及竹节桩基础设计中的数据进行了认真梳理和研判，并与C案例管桩数据及规范要求作了对比，从竹节桩基础设计的角度对上述工程桩单桩承载力检测值只有设计估算值的80%左右的问题进行研究分析。

同时，我国应用型本科院校教育也存在一些问题。首先是教学体系不成熟，教学目标不明确，人才培养模式单一，导致毕业生难以对口输出，教育产出和实际成效不高。其次是教学中缺乏实践环节，导致课程脱离实际，课堂脱离工作环节，工程教育教师的授课方式更看重掌握理论知识的程度，依靠教材进行授课，教学和考试环节主要围绕教材进行，导致学生创新能力严重不足。最后是教师欠缺对学生的引导，仅仅是教师讲什么，学生记什么，这样严重禁锢了学生的思维，也降低了学生的自学能力。

3.1 竹节桩与管桩的异同

根据《竹节桩图集》要求，在具体确定抗压和抗拔承载力时，应根据《异形桩规程》进行计算，并按国家相关规范进行试桩。该图集编制依据中所列标准主要有《异形桩规程》和《预应力混凝土管桩技术标准》(JGJ/T 406—2017)(以下简称《管桩标准》)，其适用范围及制作、设计、施工等方面要求与预制管桩相差不大，与管桩相比，竹节桩接桩时不需焊接，采用卡扣式连接[5-6]。故竹节桩可以理解为改良版管桩，一种接头方式有差异的异形截面预制管桩，理论上可以按预制管桩思路进行设计。但由于竹节桩侧壁纵、环凸肋的存在，其沉桩时的桩土破坏机理及受力机理和管桩存在差异，这导致工程桩单桩承载力与同截面管桩竖向承载力有差异。

3.2 桩侧阻力和端阻力参数分析

勘察报告的桩基础分析评价中给出了“预制桩”和“钻孔灌注桩”两类数据。“预制桩”是非常宽泛的概念，理论上设计人员直接采用勘察报告中“预制桩”数据进行竹节桩设计是无可厚非的，但是由于各地区工程与水文地质情况存在差异，桩基设计受地域限制性较强，不同桩型的成桩工艺和施工技术经验需要在工程实践中逐步完善和积累，不宜直接套用。《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)(以下简称《基桩检测规范》)第3.1.2条第4款明确规定采用新桩型或采用新工艺成桩的桩基，施工前应进行试验桩检测并确定单桩极限承载力。

根据《桩基规范》第5.3.5条及该条条文说明和土的物理指标与承载力参数之间的经验关系计算单桩承载力时，核心问题是经验参数的收集、统计、分析。该规范的表5.3.5-1和表5.3.5-2所列各桩型的极限侧阻力和极限端阻力标准值，是根据各地区几百根试桩数据，并参考上海、浙江等省市地方标准给出的经验值经统计分析而得，具有一定的可靠性和较大适用性。如无当地经验时，可根据土的物理指标，查该规范的表5.3.5-1和表5.3.5-2取桩极限侧阻力和极限端阻力标准值。多年来，常武地区的预制管桩和灌注桩项目也验证了该规范参数的适用性。A案例勘察报告中相关土层的物理指标及参数和规范建议值详见表4，B案例勘察报告中相关土层情况详见表5。

表4 A案例勘察报告中相关土层参数及规范建议值

表5 B案例勘察报告中相关土层参数及规范建议值

从表4、表5数据来看，A案例勘察报告中所提的桩极限侧阻力和极限端阻力标准值与《桩基规范》表5.3.5-1和表5.3.5-2建议值基本相符，但略偏低。经仔细核查比对，A案例场地土层均匀，土层取样及试验数据可靠。另外，查阅了C案例勘察报告中的相关数据，与A案例数据进行比对验证。C案例场地上部土层情况与A案例土层情况基本一致，在桩极限侧阻力和极限端阻力标准值取值上，上部土层参数相差不大，下部⑥3土层参数取值稍大些，详见表6。

表6 C案例勘察报告中相关土层参数

C案例在设计前对7～11层的小高层住宅进行了静载荷试验，其单桩承载力设计估算值和检测值详见表7(该项目静载检测达到设计要求的最大加载值时停止加载，未加载至破坏)。

表7 C案例单桩承载力估算值及抗压静载荷试验结果对照表

从表7中数据来看，C案例设计估算值与检测结果基本接近，且对应的沉降量也不大，沉降值远小于表1中竹节桩沉降值，如果继续加载至土层破坏，管桩的单桩承载力应该可以再适当取大些。如果按16 m桩长计算，其估算值与A案例按管桩公式估算的承载力值非常接近。故可以认为对常规的管桩，A案例勘察报告中所提的桩侧阻力和端阻力参数是恰当的，但对竹节桩，仅按规范参数取值是不合适的，应根据本地区岩土情况作适当调整。竹节桩作为在本地区采用的新桩型，以往的经验参数只能作为初步设计时的参考值，应进行设计试桩，基础设计时的单桩承载力应以静载荷试验结果为准。

3.3 桩周土体扰动、固结、休止期与桩承载力关系分析

桩施工完成到检测开始的间隔时间称为休止期。桩在施工过程中不可避免会扰动桩周土体，降低土体强度，需要通过一定的休止期，使土体重新固结，土体强度逐步恢复提高，桩的承载力随之逐步提高。《基桩检测规范》第3.2.5条第3款明确了不同土层情况下的休止时间要求：砂土不少于7 d，粉土不少于10 d，非饱和黏性土不少于15 d，饱和黏性土不少于25 d。

竹节桩沉桩施工时，桩侧的凸肋对桩周土体扰动较大，桩土间相当于产生了刮犁式破环，短时间内很难固结，竹节间的空隙尤其是凹处形成泥浆护壁，使得桩壁凹处摩阻力损失较大。这一现象在很多参考文献中有详细阐述并得到验证。叶俊能等[7]指出：在竹节桩沉桩过程中，由于竹节间的空隙无法被周边的土体填满，从而形成多节空腔，阻碍了竹节上下2个空腔内水体的流动，对竖向超静孔隙水压力的消散产生一定的影响。徐军彪[8]指出：静压法竹节桩施工期间，土压力急剧增加，施工完成后的第11天土压力值开始下降，并趋于稳定。卢玉华等[9]指出：滨海软黏土地区预应力混凝土竹节桩沉桩施工时，对桩周土体扰动程度比管桩大。周佳锦等[10]通过一系列竹节桩和管桩的静载荷试验，得出以下结论：竹节桩施工过程对桩周土体扰动程度较大；当休止期为15 d时，竹节桩周围的土体强度未恢复，其极限承载力远低于设计值；当休止期增加到40 d时，直径350-400 mm竹节桩与直径400 mm的管桩极限承载力相同，其桩顶沉降值分别为桩身直径的9.46%和7.37%。黄晟[11]对竹节桩和管桩进行了静载荷试验，采用Abaqus有限元软件对2种桩型的抗压承载性能进行模拟计算，并对结果进行了比较分析，得出以下结论：竹节桩施工过程对桩周土体扰动程度较大，但荷载-位移曲线更为平稳；休止期40 d时，桩周土体强度仅恢复到原有强度的1/2左右。此外，他还通过耦合欧拉-拉格朗日法对竹节桩沉桩过程进行了模拟分析，研究表明竹节桩在沉桩过程中受到的贯入阻力大于管桩，竹节的存在使得桩周一定水平距离范围的土体产生应力波动。

A、B案例中场地土层主要为粉质黏土及砂质粉土，常规情况下桩基休止期在15 d左右即可进行检测。A案例桩基检测报告中显示的检测桩休止时间分别为：48#桩27 d、68#桩29 d、178#桩26 d、224#桩24 d、277#桩27 d、289#桩11 d。除了289#桩休止时间略少外，其余桩的休止时间均已符合《基桩检测规范》要求，且289#桩与224#桩检测结果一致。B案例两次检测的14根桩中，仅1根183#桩的休止期为24 d，其余13根桩的休止期均超过了25 d，有10根桩的休止期已超过了30 d；其中39#桩的休止期达到了49 d，但检测结果仍然小于估算值，且与休止期为24 d的183#桩的检测结果相同。说明对于这种土层，增加10～30 d的休止时间并未对桩基承载力产生影响。

以上研究表明：竹节桩施工过程对桩周土体扰动程度较大，土体固结时间相对较长，需要比现行规范更长的休止期才有可能达到理论计算的承载力，还需要在特定的土质条件下积累大量的对比数据方可确定相对准确的休止期。

3.4 竹节桩与管桩沉降对比分析

大部分文献中的竖向静载荷试验结果表明：相同桩顶荷载下竹节桩沉降大于相对应的普通管桩。仅个别文献中所述不太一致，如文献[4]通过对比试验的竖向静载荷试验结果得出，相同桩顶荷载下带肋预应力竹节桩桩顶沉降明显小于相对应的普通管桩。文献[1]指出，当荷载小于2 100 kN时，竹节桩的沉降比管桩大；当荷载大于2 560 kN时，竹节桩的沉降明显小于管桩。

对比A案例竹节桩和C案例管桩的静载荷试验数据可知，竹节桩桩顶载荷小于管桩桩顶载荷时，其沉降量已远大于管桩，对于需要严格控制沉降的项目，不能按理论估算值直接确定竹节桩单桩承载力，应慎重采用相关参数进行单桩承载力估算，并按静载荷试验结果进行设计。

3.5 理论和实际应用的差距

理论和实际应用的差距问题也不容忽视。按照《竹节桩图集》的说明，竹节桩外侧壁的环向和纵向凸肋可以增大桩土之间的摩阻力，故可以按《异型桩规程》第5.2.3条的公式计算抗压承载力。

根据表4、表5、表6中的土层参数，按《异形桩规程》公式(5.2.3-1)计算出土层加权平均极限侧阻力标准值均大于54 kPa，根据《异型桩规程》表5.2.3，βc=1.3，故理论上竹节桩的抗压承载力估算值远大于管桩的估算值。但从A、B案例的静载荷试验数据来看，未能实现理论上的异形截面的摩阻力增大效应。通过以上各方面的分析研究，以A案例和C案例数据为证，可以认为相同直径的竹节桩与常规管桩的端承力是相等的，其承载力差异在于侧阻力。若以A案例、B案例的静载荷试验数据，减去端承力后反推βc值，则所有桩的βc值均小于1.0，详见表8及表9。

表8 A案例检测桩的βc反推值

表9 B案例检测桩的βc反推值

由此可见，这个竖向抗压侧阻力截面影响系数βc在本地区不同土层项目中不能直接按规范采用，在未能确定竹节桩合适的休止期之前，尤其是在常规工期下，βc取0.8左右为宜。

4 结论

综上所述，由于本地区竹节桩应用项目较少，工程建设各环节经验不足，需要各方面不断磨合，逐步完善。设计人员应注意以下几点：

1)勘察报告中提供的预制桩桩侧阻力和端阻力参数通常是按常规预制管桩经验提出的，竹节桩作为在常武地区采用的新桩型，本地工程经验不足，对以粉质黏土和砂质粉土为主的土层项目，这些参数偏高，只能作为初步设计时的参考。为获得既经济又可靠的设计施工参数，前期的设计试桩非常必要，基础设计时的单桩承载力取值应以设计前进行的静载荷试验结果为准。

2)竹节桩沉桩过程对桩周土体扰动程度较大，竹节间的空隙无法被周边的土体填满，土体固结时间相对较长，需要比现行规范更长的休止期。此外还需要在特定的土质条件下积累大量的对比数据方可确定相对准确的休止期。

3)相同桩顶荷载下竹节桩沉降大于相对应的普通管桩；对于需要严格控制沉降的项目，需慎重使用竹节桩。

4)在常规工期下，对于以粉质黏土和砂质粉土为主的项目，未能实现理论上的异形截面的摩阻力增大效应，《异型桩规程》第5.2.3条中竖向抗压侧阻力截面影响系数βc宜酌情采用，βc取0.8左右为宜。