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摘要：本文通过对装配式透水薄壁锥形桩的形状和受力特點的分析，推导出该桩的极限承载力的计算方法，并与普通锥形桩和筒桩经行比较，得出装配式透水薄壁锥形桩的承载力得到很大的提高以及影响装配式透水薄壁锥形状承载力的因素。
关键词：装配式透水薄壁锥形桩；榫体；锥形管体；承载力
中图分类号：TU312文献标识码： A 文章编号：
Assembly type permeable thin wall tapered pile bearing capacity analysis
WANG Guo-ti1, HUANG Xing2
(1. HeFei University of Technology HeFei 2300002. HeFei University of Technology HeFei 230000)
Abstract: This article through to the assembly type permeable thin wall tapered pile shape and stress characteristics of the piles is deduced, the calculation method of the limit bearing capacity, and the taper pile and pipe pile by comparison, draw assembly type permeable thin wall tapered pile bearing capacity has been greatly improved and the influence of assembly type permeable thin wall cone shape factors of the bearing capacity.
Key words: assembly of permeable thin wall cone pile；tenon body；cone-shaped tube；carrying capacity
0引言
随着建筑、道路、桥梁、市政等行业的快速发展，经常会遇到很多软地基处理的问题，经常用到的一种处理和加固软地基的方法就是采用桩的形式，普遍的运用桩型在制作方法上主要有灌注桩和预制桩等，但是灌注桩在成桩过程中控制质量上非常的困难，成桩易产生塌孔至桩身离析、断桩；预制桩对沉桩机械动力、长度制作、运输受限等。装配式透水薄壁锥形桩[1]就是一种新的桩型，其特征是采用装配式结构，由桩帽、桩身和桩头组成；桩身为锥形管体，锥形管体为分段设置，相邻的锥形管体是以嵌套在锥形管体内的榫体形成榫接；在各段锥形管体的侧壁上设置有透水孔；桩头连接在桩身的底部，桩头的前端为锥尖，桩头的尾部以凸起的桩头榫与桩身榫接；桩帽为一扣接在桩身顶部的平台（如右图所示：1，桩帽、2，桩身、3，桩头、4，榫体）。这样会使得桩施工方法、桩长选择更加灵活，使得桩截面变化形式也多样化，与现行的单一桩径和桩长相比极大地提高单桩承载力、挤密桩间土体、加速桩间土的排水固结，在摩擦桩中次桩是最优的一种桩型；同时桩身内嵌管桩榫体的榫接形式加强了整体联系和抗弯抗剪性能，使桩身的整体受力、抗力特性更好；同时提高对基础沉降的可控性、缩短施工工期和工程费用。
图1装配式透水薄壁锥形桩结构图
1装配式透水薄壁锥形桩承载力计算
当桩顶受竖向荷载时，桩向下发生沉降，桩端刺入土体。桩与桩侧土接触面上发生滑动．承载力计算方法可以参照《建筑地基基础设计规(GB50007-2002)》[2]，按土的 物理指标与承载力参数之问的经验关系来确定．取桩的单位长度为例，计算时还需考虑桩在竖向荷载作用下．会沿桩土接触面的法线产生对土的分力F．从而使土对桩产生一个摩擦力的增量△f，将△f船竖向分解可得到土体对桩的另一个竖向反力△p，同时由于是薄壁桩也要加上桩内空心部分的混凝土和钢筋的自重 G。
图2装配式透水薄壁锥形桩受力图
由力的分解得：
（1）
整理可得
（2）
因此我们可以得到次桩的竖向承载力表达公式：
（3）
依据单桩承载力计算规范公式可得：
（4）
由于装配式透水薄壁锥形桩的锥角比较小，取桩的单元长度计算：
（5）
将（4）式和（5）式带入（3）式得：
（6）
2挤土效应及榫体分析
实际上由于装配式透薄壁锥形桩在沉桩和受荷过程中会对桩周土产生压力．使土在一定范围内挤压密实，根据库伦定律这里不考虑内摩擦和粘聚力的变化（其实在挤压密实后，内摩擦角也会提高的）。取挤密土体的范围分别是桩径的3倍和6倍，取长度为5m桩底半径为0.6m的不同锥角透水薄壁锥形桩比普通桩的强度提高比（这里的d是桩的半径）。
表1不同锥角和挤密范围土体强度提高比
从表（1）看出要比等截面桩的局部强度提高要高，但是在上述公式的推导中是没有体现的．考虑到这一点．给上述（1）乘上一个挤密系数应该比较合理这个系数，根据胡向奎等人在一般的黏性土层进行了楔形桩和相同体积的等截面桩的单桩静载荷试验[4]和刘杰等人在天津的粉质粘土、粉土楔形桩和等直径桩的单桩静载荷试验[5]。并考虑此桩的特点，这个系数我们去1.2~1.8之间
由于计算的是短桩的承载力，在计
算长桩的时候装配式透水薄壁锥形桩是由几个锥形管体构成的，锥形管体之间是考榫体想榫接的，榫体的强度要比桩的高，所以在同等长桩与普通的锥形桩或者等截面桩相比在受到水平荷载或者是偏压荷载时，抗剪扛距都比锥形桩或筒桩的要强，这个在上面（1）也没有体现出来，所以承载力要相对的提高，所以在计算有榫体的锥形桩时要乘上一个榫体系数，我们取1.2左右。
3算例计算
这里选取理论计算时，锥角的角度选取三个不同的角度、桩长选取15000mm，装配式分段按等长分成三种不同长度的分段的桩，薄壁的厚度我们选取120mm，桩底的半径取300mm，这里的榫体考虑的是实体的且强度比桩的高，所以不考虑内侧阻力以及土塞效应，桩型的选取和计算结果具体见下表（3）同时土体的参数见表（2）。
表（2）土体参数系数取值
表（3）不同桩型承载力计算结果及比较结果
从图3可以看出装配式透水薄壁锥形桩的承载力比等截面桩的提高很高，虽然在节省材料上不高，甚至是更多，但是要是在受到同等承载力的情况下，装配式透水薄壁锥形桩要比等截面桩节省材料有的高达60%左右，和锥形桩相比虽然提高的承载力只是百分之十几（考虑榫体强度提高更多），但是今天节省的材料是非常的高的，这将对造价的节省是非常的高的。
同时对从上述對桩极限承载力的理论
分析可以看出．如何选择楔形桩的角度也是选择楔形桩的关键,从表7我们可以看出角度越大承载力就越大 ．它随着锥角的增加而增加。但是．并不是在任何地方都可以使用大角度桩，因为，在密实土中，大角度楔形预制桩的下桩是十分困难的，并且如果是长桩的情况下稍微大点的角度会是桩顶的截面积非常大，并不利于下桩的控制和材料的节省，所以在角度选取的时候要是短桩控制在10°以下，要是长桩最好控制在6°一下，
图3不同锥角承载力变化值
榫体数的选着也是关键装配式透水薄壁锥形桩的关键问题，这里我们取装配式透水薄壁锥形桩A号来计算其三个不同的锥形管体的承载力见表8我们知道长桩在土体中会受到不同方向的力，锥形管体越长在受到水平力或者是弯矩的时候越不利，而榫体可以加大锥形管体的刚度和强度，但是榫体多的话会加大预制的复杂和下桩的复杂，同时也影响桩的整体性，所以榫体的选取最好是可以让锥形管体成为锥形短桩，就是3~6米之间选取比较好。从表8我们也可以看出在有榫体数的时候各个锥形管体的承载力不一样，这样在预制的时候只要满足最小的承载力即最下端的锥形管体就可以了，这样就可以节约钢材的用量优化施工，同时也节约成本。
表（4）同一桩不同锥型管体的承载力值
4结论与说明
（1）装配式透水薄壁锥形桩的受力机理不同于一般桩基，其形状构造改变了桩周土的受力状态．改善了土的物理力学性质，同时透水孔也加剧了桩土的共同作用，榫体的出现可以解决长锥形桩的问题，装配式的可以有利于质量控制，有利于提高桩的承载力。
（2)装配式透水薄壁锥形桩的承载力不仅和桩周土的性质有关，而且和桩的锥角、锥形管体和榫体个数及榫体质量长度有关。
（3）锥角大小、榫体数量及质量对锥型桩承载影响的问题上有待于进一步探索。锥型桩的承载力随着锥角的增大而增大，但超过一定的角度后，承载力反而减小。
(4)桩在实际工程中的应用，常以群桩形式出现，承台——群桩——土体形成相互影响和共同作用的体系，这里只考虑了单桩的承载力，没有考虑群桩效应以及裙装效应系数K>1和K<1情况，使群桩的工作性状较单桩更为复杂。
（5）本文只考虑了竖向极限承载力的计算，没有考虑水平荷载、动荷载及地震荷载等荷载的共同作用，同时本文中所有数据都是理论计算，缺乏实际工程和实验基础。
5参考文献：
[1] 王国体、王轶昕；装配式透水薄壁锥形桩实用性专利.
[2] JCJ94一94。建筑桩基技术规范[s]．
[3] 胡向奎，秦峰．楔形刚性桩复合地基在工程中的应用煤炭工程，2001；
[4] 刘杰、王忠海楔形桩承载力的试验研究天津大学学报，2002，35(2)：257—260．
关键词：装配式透水薄壁锥形桩；榫体；锥形管体；承载力
中图分类号：TU312文献标识码： A 文章编号：
Assembly type permeable thin wall tapered pile bearing capacity analysis
WANG Guo-ti1, HUANG Xing2
(1. HeFei University of Technology HeFei 2300002. HeFei University of Technology HeFei 230000)
Abstract: This article through to the assembly type permeable thin wall tapered pile shape and stress characteristics of the piles is deduced, the calculation method of the limit bearing capacity, and the taper pile and pipe pile by comparison, draw assembly type permeable thin wall tapered pile bearing capacity has been greatly improved and the influence of assembly type permeable thin wall cone shape factors of the bearing capacity.
Key words: assembly of permeable thin wall cone pile；tenon body；cone-shaped tube；carrying capacity
0引言
随着建筑、道路、桥梁、市政等行业的快速发展，经常会遇到很多软地基处理的问题，经常用到的一种处理和加固软地基的方法就是采用桩的形式，普遍的运用桩型在制作方法上主要有灌注桩和预制桩等，但是灌注桩在成桩过程中控制质量上非常的困难，成桩易产生塌孔至桩身离析、断桩；预制桩对沉桩机械动力、长度制作、运输受限等。装配式透水薄壁锥形桩[1]就是一种新的桩型，其特征是采用装配式结构，由桩帽、桩身和桩头组成；桩身为锥形管体，锥形管体为分段设置，相邻的锥形管体是以嵌套在锥形管体内的榫体形成榫接；在各段锥形管体的侧壁上设置有透水孔；桩头连接在桩身的底部，桩头的前端为锥尖，桩头的尾部以凸起的桩头榫与桩身榫接；桩帽为一扣接在桩身顶部的平台（如右图所示：1，桩帽、2，桩身、3，桩头、4，榫体）。这样会使得桩施工方法、桩长选择更加灵活，使得桩截面变化形式也多样化，与现行的单一桩径和桩长相比极大地提高单桩承载力、挤密桩间土体、加速桩间土的排水固结，在摩擦桩中次桩是最优的一种桩型；同时桩身内嵌管桩榫体的榫接形式加强了整体联系和抗弯抗剪性能，使桩身的整体受力、抗力特性更好；同时提高对基础沉降的可控性、缩短施工工期和工程费用。
图1装配式透水薄壁锥形桩结构图
1装配式透水薄壁锥形桩承载力计算
当桩顶受竖向荷载时，桩向下发生沉降，桩端刺入土体。桩与桩侧土接触面上发生滑动．承载力计算方法可以参照《建筑地基基础设计规(GB50007-2002)》[2]，按土的 物理指标与承载力参数之问的经验关系来确定．取桩的单位长度为例，计算时还需考虑桩在竖向荷载作用下．会沿桩土接触面的法线产生对土的分力F．从而使土对桩产生一个摩擦力的增量△f，将△f船竖向分解可得到土体对桩的另一个竖向反力△p，同时由于是薄壁桩也要加上桩内空心部分的混凝土和钢筋的自重 G。
图2装配式透水薄壁锥形桩受力图
由力的分解得：
（1）
整理可得
（2）
因此我们可以得到次桩的竖向承载力表达公式：
（3）
依据单桩承载力计算规范公式可得：
（4）
由于装配式透水薄壁锥形桩的锥角比较小，取桩的单元长度计算：
（5）
将（4）式和（5）式带入（3）式得：
（6）
2挤土效应及榫体分析
实际上由于装配式透薄壁锥形桩在沉桩和受荷过程中会对桩周土产生压力．使土在一定范围内挤压密实，根据库伦定律这里不考虑内摩擦和粘聚力的变化（其实在挤压密实后，内摩擦角也会提高的）。取挤密土体的范围分别是桩径的3倍和6倍，取长度为5m桩底半径为0.6m的不同锥角透水薄壁锥形桩比普通桩的强度提高比（这里的d是桩的半径）。
表1不同锥角和挤密范围土体强度提高比
从表（1）看出要比等截面桩的局部强度提高要高，但是在上述公式的推导中是没有体现的．考虑到这一点．给上述（1）乘上一个挤密系数应该比较合理这个系数，根据胡向奎等人在一般的黏性土层进行了楔形桩和相同体积的等截面桩的单桩静载荷试验[4]和刘杰等人在天津的粉质粘土、粉土楔形桩和等直径桩的单桩静载荷试验[5]。并考虑此桩的特点，这个系数我们去1.2~1.8之间
由于计算的是短桩的承载力，在计
算长桩的时候装配式透水薄壁锥形桩是由几个锥形管体构成的，锥形管体之间是考榫体想榫接的，榫体的强度要比桩的高，所以在同等长桩与普通的锥形桩或者等截面桩相比在受到水平荷载或者是偏压荷载时，抗剪扛距都比锥形桩或筒桩的要强，这个在上面（1）也没有体现出来，所以承载力要相对的提高，所以在计算有榫体的锥形桩时要乘上一个榫体系数，我们取1.2左右。
3算例计算
这里选取理论计算时，锥角的角度选取三个不同的角度、桩长选取15000mm，装配式分段按等长分成三种不同长度的分段的桩，薄壁的厚度我们选取120mm，桩底的半径取300mm，这里的榫体考虑的是实体的且强度比桩的高，所以不考虑内侧阻力以及土塞效应，桩型的选取和计算结果具体见下表（3）同时土体的参数见表（2）。
表（2）土体参数系数取值
表（3）不同桩型承载力计算结果及比较结果
从图3可以看出装配式透水薄壁锥形桩的承载力比等截面桩的提高很高，虽然在节省材料上不高，甚至是更多，但是要是在受到同等承载力的情况下，装配式透水薄壁锥形桩要比等截面桩节省材料有的高达60%左右，和锥形桩相比虽然提高的承载力只是百分之十几（考虑榫体强度提高更多），但是今天节省的材料是非常的高的，这将对造价的节省是非常的高的。
同时对从上述對桩极限承载力的理论
分析可以看出．如何选择楔形桩的角度也是选择楔形桩的关键,从表7我们可以看出角度越大承载力就越大 ．它随着锥角的增加而增加。但是．并不是在任何地方都可以使用大角度桩，因为，在密实土中，大角度楔形预制桩的下桩是十分困难的，并且如果是长桩的情况下稍微大点的角度会是桩顶的截面积非常大，并不利于下桩的控制和材料的节省，所以在角度选取的时候要是短桩控制在10°以下，要是长桩最好控制在6°一下，
图3不同锥角承载力变化值
榫体数的选着也是关键装配式透水薄壁锥形桩的关键问题，这里我们取装配式透水薄壁锥形桩A号来计算其三个不同的锥形管体的承载力见表8我们知道长桩在土体中会受到不同方向的力，锥形管体越长在受到水平力或者是弯矩的时候越不利，而榫体可以加大锥形管体的刚度和强度，但是榫体多的话会加大预制的复杂和下桩的复杂，同时也影响桩的整体性，所以榫体的选取最好是可以让锥形管体成为锥形短桩，就是3~6米之间选取比较好。从表8我们也可以看出在有榫体数的时候各个锥形管体的承载力不一样，这样在预制的时候只要满足最小的承载力即最下端的锥形管体就可以了，这样就可以节约钢材的用量优化施工，同时也节约成本。
表（4）同一桩不同锥型管体的承载力值
4结论与说明
（1）装配式透水薄壁锥形桩的受力机理不同于一般桩基，其形状构造改变了桩周土的受力状态．改善了土的物理力学性质，同时透水孔也加剧了桩土的共同作用，榫体的出现可以解决长锥形桩的问题，装配式的可以有利于质量控制，有利于提高桩的承载力。
（2)装配式透水薄壁锥形桩的承载力不仅和桩周土的性质有关，而且和桩的锥角、锥形管体和榫体个数及榫体质量长度有关。
（3）锥角大小、榫体数量及质量对锥型桩承载影响的问题上有待于进一步探索。锥型桩的承载力随着锥角的增大而增大，但超过一定的角度后，承载力反而减小。
(4)桩在实际工程中的应用，常以群桩形式出现，承台——群桩——土体形成相互影响和共同作用的体系，这里只考虑了单桩的承载力，没有考虑群桩效应以及裙装效应系数K>1和K<1情况，使群桩的工作性状较单桩更为复杂。
（5）本文只考虑了竖向极限承载力的计算，没有考虑水平荷载、动荷载及地震荷载等荷载的共同作用，同时本文中所有数据都是理论计算，缺乏实际工程和实验基础。
5参考文献：
[1] 王国体、王轶昕；装配式透水薄壁锥形桩实用性专利.
[2] JCJ94一94。建筑桩基技术规范[s]．
[3] 胡向奎，秦峰．楔形刚性桩复合地基在工程中的应用煤炭工程，2001；
[4] 刘杰、王忠海楔形桩承载力的试验研究天津大学学报，2002，35(2)：257—260．