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1、摘要工程预制管桩是一种技术可靠，施工简单，造价低廉的预制桩型，工程中被广泛应用。国内环保意识抬头，生活质量之提升，对于桩基础之施工，皆须考虑噪音、震动、污染之影响。全套管管桩施工具有低噪音、低振动与低污染等特性，常用于各类工程桩基础之施作。以一般桥梁基础工程动辄需进行上百根管桩之施作，而相同的施作循环便不断重复的进行。因此，若能以系统化方法针对管桩施作流程之步骤顺序，以及各施作项目所使用多种人员、机具与材料之配置进行妥善规划安排，对提升整体作业产能与施工质量将有莫大助益。首先，本文通过查阅管桩文献资料得到的最新研究成果和资料，提出研究本课题所用的方法及研究内容。其次，对等截面管桩和变截面管桩进
2、行室内模型沉桩对比试验，得到其桩入土深度和沉桩贯入阻力的关系，土塞高度随桩入土深度的变化，总结变截面管桩和等截面管桩的不同点。再次，采用基于Vesic理论和圆孔扩张理论来分析变截面管桩沉桩效应问题，并得到了变截面管桩沉桩端阻力和的沉桩贯入阻力理论推导计算公式，再加上土芯与管桩内壁的侧摩阻力的计算方法，并用试验数据与推导公式计算值对比分析,验证推导计算公式的正确性,从而完善了变截面管桩的设计理论。最后，基于室内大比例模型试验，对比研究了两类管桩在竖向荷载作用下承载性能，包括：桩身应力、荷载-沉降、端阻力和桩侧摩阻力的差异。研究结果表明：在桩身平均直径相同的情况下，阶梯型变截面管桩的承载力比等截面
3、管桩大，且平均直径越大、变径比越高，单桩承载力、单位体积承载力和桩身材料的利用率越高；阶梯型管桩在变截面处出现桩身轴力突变，并使下部管节桩身轴力衰减速度加快。关键字：预制混凝土管桩，沉桩挤土效应，土塞高度，贯入阻力，承载性能AbstractConstruction of precast pile is a reliable technique, simple construction, low cost of the type of precast concrete pile is widely used in engineering. The rise of the domestic env
4、ironmental protection consciousness, improve the quality of life, for the construction of pile foundation, must consider the impact of noise, vibration and pollution. With low noise, low vibration and low pollution characteristics of Benoto pile construction, commonly used in all kinds of pile found
5、ation engineering construction. In general the bridge foundation engineering need hundreds of hundreds of root pile construction, and the same as they repeat the cycle. Therefore, if a systematic method for pile foundation construction process steps, as well as the construction projects using equipm
6、ent and materials, a variety of personnel allocation plan properly, there will be a great help to enhance the overall operational capacity and quality of construction.First of all, the latest research results and data, through access to literature from pile, put forward the content of research metho
7、ds used in this paper and the research.Secondly, the equal cross section pile and tapered pile pile indoor model tests, the pile depth and pile penetration resistance, soil height changes with the depth of the pile, summarizes the different variable cross-section pile and equal section pile.Thirdly,
8、 based on the Vesic theory and the cavity expansion theory to the analysis of variable section pile pile effect, and obtained the calculation formula of variable section pipe pile end resistance and penetration resistance of the theoretical derivation of the calculation method of pile side friction
9、resistance, coupled with the core and the inner wall of the pipe pile and soil, and the value was compared with test data with the derived formula, formula derivation correctness verification, in order to improve the design theory of variable section pile.Finally, based on the indoor large scale mod
10、el test, comparative investigation of two types of pile bearing capacity under vertical load, including: the difference in the stress of pile, the load settlement, pile tip resistance and side friction. The results of the study show that: in the condition of the same pile diameter, pile bearing capa
11、city with stepped cross sections than the equal diameter pipe pile, and the average diameter of the variable diameter ratio, the higher the bearing capacity of single pile, the bearing capacity of unit volume, and the pile body material rate is high; the ladder type in the variable cross-section pil
12、e emergence of axial force of pile and the lower part of the pipe section mutation, pile axial force attenuation speed.Keywords: Precast concrete pile, soil compaction effect, pile soil height, penetration resistance, bearing capacity第一章 绪论1.1研究背景及意义随着我国的桥梁工程、高层建筑以及高速铁路等一些大型公共基础设施的兴建，对管桩基础的需求日益增大。尤其
13、是在珠三角和长三角区域，对于该区域的工程条件特征来说，更适合管桩的使用：1)管桩对持力层起伏变化比较大的地质适应性强，一般情况下，全风化类型岩石，砂土、粉土、粘性土、软土等地层均可采用；2) 管桩的工作性状与钢管桩比较类似，且抗腐蚀能力有更大提高；3)管桩施工更方便、工期更短，且不受季节、环境等限制便于工业化生产；4)对施工现场几乎无污染，尤其是静压式沉桩近乎无噪音，所消耗的混凝土比实心桩节省达30%60%。由于这些特征，促使管桩的需求量猛增。据相关机构的不完全统计，截止2013年底，全国已有800多家管桩生产企业共计生产各类型管桩约8.0亿米，产值高达1000多亿。混凝土预制管桩的高效迅速发
14、展，在高层建筑、道桥工程、隧道高铁甚至海运码头等基础建设中都得到了广泛的发展，并发挥着日益巨大的作用。因此一些海上观光游憩活动、蓝色海洋公路规划便应运而生。其中考虑到游客便利性与安全性的基本设施要求，采用一船一泊席浮码头渔港新兴的浮码头便是一例。锁着建材料成本不断攀升，在工程方面我国引进新技术、新工法对超高楼建筑和深基础开挖不断屡创新高破世界记录，然而这些高机械化与系统化施工方法，其技术性与复 杂性所考虑工程界面繁多，使得设计与施工方面困难度增高，而我国又处地震频繁地区，对于设计与施工增加不少变动因素；从传统到新式工法， 工程技术迈向机械化与自动化发展，为了兼顾质量与安全性等各项机能必 须确保
15、的条件下，成本控制的考虑因此便越形重要，如何提升施工技术、降低成本与缩短工期，成为工程界重要思考方向。 工法的选择直接与工程成本具有密切关系，除了材料本身具有市场价格外，技术、机具、人员、时程等变动形成直接或间接的影响，对于连续壁 工程完成后，直接使用原有的机器、设备、技术人员及工法施作管桩与目 前普遍化的反循环桩及全套管管桩做比较及各式管桩运用于超高层建筑与深开挖逆打工法选择乃为本研究动机。为避免这些状况，国内外学者与工程技术人员在保证施工安全的基础上，通过对桩基理论、技术创新等研发了目前大家所熟知的多级扩径桩、支盘桩、阶梯型桩、节点桩、锥形桩、扩底桩、钉形桩、楔形桩等变截面类型的桩基础，但
16、是其中绝大多数的试验及理论研究成果并未得到完整的理论数据支持与现场系统完善，这也给该类型桩在目前的设计、施工及推广应用等方面带来了极大的困难。本研究是针对管桩工程运用于超高层建筑的载重前与载重后成本效益分析，透过本研究成本模式，对管桩有更深切的认识，并藉由一种经过 验证确实可以执行，并可消除不必要成本支出的管理技术，找出能够在最 低成本下达成最佳执行效果的工法，让后续采用本工法的业主，在工程效益上能做更深一层的分析，在不降低质量及安全下让成本、技术、工期达到最高效益为本研究目的。阶梯型变截面桩要遵从实践优先于理论，早在1985年，广东省公路勘察规划设计院的总工程师上官兴就倡议并指导了这样的项目
17、，他们为了避免2000t船泊的碰撞，将广东九江大桥的通航孔边墩由2根变截面(3m/2.5m/2m)无承台桩替代了6根等截面(1.5m)钻孔嵌岩桩，这样的设计不仅节省了高达4822m3混凝土，而且只用了3个月就顺利完成了施工。2007年九江大桥的非通航孔不幸遭受3000t砂船撞击险些跨塌，但主航道桥却几乎没受到任何影响。在世界上，苏通大桥作为世界第一大跨度的斜拉桥，巧妙运用了131根直径(2.2m/ 2.8m)长约120m的主墩基础变截面钻孔灌注桩，这样完美解决了在深厚软土地区基础承载力深大桩的变形问题。 在国内自从近年来年引进全套管管桩施工技术，已成为桩基础施工普遍使用工法。全套管管桩施工相较
18、于传统打击工法具有低噪音、低震动与低污染等特性，可以有效减低打击式管桩施工所造成的噪音污染与邻房危害等问题，能够满足民众对居住环境质量要求日高的趋势发展，施工容易且精度容易控制，不论地质是砂性或卵砾土壤皆可使用，已成工程管桩施工所广泛采用的工法。一般桥梁工程随着结构型式及地质环境条件的不同，而设计桩基础，动辄每墩基础需数十根管桩的布设，整座桥梁工程则需上百或千根管桩的施作，于是相同的施作模式便重复循环的进行数十次、数百次，其管桩循环作业中施作项目涉及人员、机具与材料的使用，因此各类资源彼此间使用是否能够配合得宜，对于施工作业及工程进度的顺利进行，以及整体生产力的表现有着决定性的影响。另一方面，
19、管桩作为一种常见的挤土桩，具有较大的挤土效应，对管桩沉桩和周边环境均有不利影响。阶梯型管桩首先将小直径管节沉入地层，然后再利用变截面接头将逐节增大的管节同已压入土层中的管节连接为一体实现沉桩。由于先行管桩直径较小，相应挤土效应较低，对于后续管桩而言，先行小直径管桩起到引孔的作用，从而降低后续管桩的沉桩效应，有利于管桩施工，确保管桩桩身质量和减小对周围环境的影响。综和以上所述，阶梯型变截面桩虽然在大型桥梁工程领域内得到了一定程度的应用，也成功地解决了桩基础承载力、变形及经济等方面的问题，但由于目前涉及静压闭口阶梯型变截面管桩承载性状和设计计算理论方面的研究仍然很少，用现行的规范公式确定阶梯型变截
20、面管桩的承载力明显不符合实际。静压闭口阶梯型变截面与等截面管桩在荷载传递规律、承载性状、变形及经济方面有何异同，使设计者在设计时依旧无据可依，只能根据经验确定。理论及实践证明，阶梯型变截面桩在提高耐久性能、承载力及减少沉降等方面较等截面管桩具有一定的优势。我国目前正兴建高速铁路和大型桥梁，阶梯型变截面管桩基础就将被优先采用。借此契机，本文将通过室内模型对比试验，对静压闭口阶梯型变截面管桩单桩承载性状进行研究，在丰富和完善变截面管桩设计理论和计算方法领域都有一定的价值，对阶梯型变截面桩在高速铁路和大型桥梁工程中的应用取得了较好的推动作用，而且在节约大型桥梁基础工程费用等方面都会具有重要的工程实际
21、意义。1.2国内外研究现状就目前现状，国内外在有关静压闭口阶梯型管桩单桩承载及变形性状领域的研究依然很少，但等截面管桩与阶梯型管桩及其它变截面桩在承载和变形性状方面都具有许多共同点。例如，对于静压桩基础而言，无论是阶梯型桩，还是等截面桩，其成桩机理在基本上都可以概括为：目前建筑工程、桥梁工程、挡土墙工程等桩基础施工大部分已采用场铸管桩为施工方式，且以低噪音、低震动与低污染全套管管桩为施工主流，在国内基础工程已随处可见，但相关研究发展文献少又少，其中2001 年黄荣尧等人利用模拟分析技术配合CYCLONE 理论，建立反循环管桩施工作业计算机模型，做为各类工程反循环管桩作业规划分析使用，并以武汉市
22、华江桥改建工程4050M反循环管桩测试分析，进行产率与成本可行性与敏感度分析，经其分析得以下结果（1）由于施作空间受限制，必须在一根管桩施作完全结束后方可继续下一根管桩作业循环，该限制条件使作业产能受限。（2）在施作空间受到限制情况下，唯一能提升系统生产力的方式是另增加工作面，让另外其他组人员及机具设备同时施作以增加产量，但此改善方案将无助于机具设备利用率提升及系统单位生产成本的降低（3）在空间不受限制下，作业产率将由每小时完成0.045 根增加至0.075 根管桩，生产成本由每根管桩126200 元下降到76200 元。因此，研究等截面管桩及其他变截面桩单桩承载及变形性状就什么重要，以下将从
23、竖向荷载作用下等截面桩单桩竖向承载力、变形性状以及变截面桩等方面综述国内外的研究现状。1.2.1单桩竖向极限承载力研究现状单桩竖向极限承载力的定义是指单桩在竖向荷载作用下，桩和桩周土体均能维持自身的稳定，且变形在容许范围内，能够满足于建筑物正常使用要求所承受的最大荷载，与桩的类型、截面尺寸、材料、桩端进入持力层深度、成桩施工方法、入土深度及成桩后休止时间等因素有关。为了考虑因地震力所引致桩土互制反应，桩土系统采用梁在动态温氏基础模式（Beam on Dynamic Winkler Foundation Mode，BDWF）来分析，利用BDWF 的方法来了解管桩与土壤间的互制行为，并针对土壤非线
24、性行为加以考量。于桩土界面上互制行为，采用BoucWen 模式模拟弹簧非线性迟滞行为，并以依频幅射阻尼来发散迟滞行为以外的能量。此外，描述混凝土管桩受弯矩而破坏行为表现，仍以BoucWen 模式来模拟管桩受反覆荷重时弯矩转角行为，并考虑强度损失及劲度衰减的效应。然而，对于因混凝土裂缝生成而使管桩刚度与强度折减，则随时更新桩身刚度来考虑裂缝对管桩行为影响。此外，利用 Cyclic1D 软件模拟土壤受地震时激发超额孔隙水压，引用Kagawa 等人（1997）及Yao 等人（1992）对超额孔隙水压影响分析，除修正土壤的迟滞力与阻尼力外，亦考虑土壤劲度与强度的衰退现象，以分析液化对管桩行为影响。最后
25、以本研究模式对RPI 的震动台试验及Tokimatsu（2003）研究中所提的现地案例做分析比较。国内外公认的竖向荷载作用下单桩极限承载力的方法主要有静载荷试验分析法、理论计算法和经典经验公式法。(1) 理论计算法单桩竖向极限承载力可以根据桩端总极限阻力、桩侧总极限摩阻力和桩体自重按照静力学原理计算得到，可按下列公式计算确定：(1-1) 式中：和为极限荷载作用下桩侧极限摩阻力和桩端土极限阻力，单位kPa；为桩端面积，单位；为桩体外径值，单位。其中和可以通过静力触探试验，借助于探头的传感器测出，但由于桩体的极限状态和参数值和难于准确地确定，用该公式计算单桩竖向极限承载力就显得较为困难，计算结果误
26、差也会较大。因此，用理论计算方法来确定单桩竖向的极限承载力一般只用于理论研究，而不太适合实际工程应用。(2) 静载试验法公认的最基本、最直接的确定单桩竖向承载力的方法是静载荷试验方法，其可靠性也较高。该法不仅能确定桩的极限承载力，还可以通过埋设相关测试元件来有效地探讨桩的桩身轴力分布特性，荷载传递机理，荷载与沉降关系，桩端阻力以及桩侧摩阻力发挥状况等。按照桩的静载实验结果绘出桩顶沉降与荷载关系曲线，按照曲线特性来正确选出曲线出现明显转折点、曲线通过荷载增量比值和下沉量或与桩顶下沉量来确定桩的极限承载力。根据静载实验，也可以通过桩顶下沉量随时间发展的规律(曲线)、桩顶残余下沉量、弹性变形的有关指
27、标及变换曲线的坐标等方式确定单桩竖向极限承载力。例如，ISSMFE(国际土力学及基础工程协会)5和FHWA(美国联邦公路管理局)6分别采用桩顶沉降量等于桩端直径的10%与5%所对应的桩顶竖向荷载值作为单桩极限承载力。蔡健等7通过在管桩的钢筋笼里面预先埋设带应变计的附加钢筋，对深厚软土地基中超长PHC管桩进行单桩竖向静载试验，探讨深厚软土地基中超长PHC管桩竖向荷载传递机理及承载特性。邢皓枫等8依托PHC管桩处理深厚软土地基，通过在桩身预先埋设光纤传感器，并采用静载荷试验、标准贯入试验、高应变和静力触探等现场测试手段，探讨了PHC管桩在不同级别的荷载作用下桩身轴力与桩侧摩阻力分布特征及规律。由于
28、单桩竖向极限承载力的确定受到时间效应、抽样调查、土质勘测、现场试验、荷载效应和试验室测试等非客观因素的影响，因此产生了血多失效准则，用于确定桩基的极限承载力。表1-1给出了10种钻孔灌注桩失效准则9-12。表1-1 确定桩基极限承载力的失效准则Table 1-1 Failure criteria to determine the ultimate bearing capacity of the pile失效准则相应的极限承载力取值规定法取曲线尾部陡降的前一级荷载为极限承载力曲线法取曲线相应于陡降段起点的荷载为极限承载力取曲线出现陡降直线段的起始点所对应的荷载为极限承载力沉降稳定时间法取沉降相对
29、稳定时间超过8 h的前一级荷载为极限承载力波兰规范法桩顶的设计荷载FHWA准则失效荷载对应的沉降量ISSMFE准则失效荷载对应的沉降量AS-2159准则1.5倍设计荷载时沉降量s=50 (mm),卸载时的沉降量s= 30 (mm);正常使用极限状态时沉降量s=15(mm),卸载时的沉降量s= 7(mm).Davission准则(mm)FDOT准则(mm),(m).注：为失效荷载对应沉降；为桩顶荷载值；为修正系数；为桩的设计承载力；为桩径；表示桩长；表示杨氏模量；表示失效荷载；表示桩的横截面积。国内目前习惯把桩出现明显增大的塑性贯入荷载定义为破坏荷载，把破坏荷载的前一级荷载定义为极限承载力，即J
30、GJ942008建筑桩基技术规范13采用的失效准则。(3) 经验公式法将桩侧的物理力学性能指标、静载试验结果与桩端土层进行数理统计分析是经验公式法的基本思路，分别建立桩端土层、桩侧土层物理力学性能指标与桩端阻力与桩侧阻力物理力学性能指标间的经验关系，来计算单桩承载力。本方法简单，经济、不过由于各区域土质变异性较大，而且成桩质量也具有一定的变异性。基于这些原因，采用经验法估算单桩承载力的可靠度就显得相对较低，通常只适用于一般工程和初步设计阶段，以及其他方法综合对比来确定单桩竖向极限承载力。不过国家公布的地区性规范经验法在该地区的可靠度还是较高的。JGJ942008建筑桩基技术规范在大量资料积累及
31、工程经验的基础上，针对不同的常用桩型，给出了推荐使用的单桩竖向极限承载力估算公式。王离14-15根据广东地区近十年来预应力混凝土管桩的推广和应用情况，并结合工程实例，提出了适用于估算静压桩承载力的经验公式，同时给出了静压桩设计时端阻力及极限侧阻力标准值参考表。李连营16等则是考虑了管桩桩端的土塞效应作用，分别对JGJ942008建筑桩基技术规范和DB 29202000天津市岩土工程技术规范提供的单桩极限承载力计算公式进行修正，并通过工程实例进行验证。另外，周国林17，郭大兵18，罗战友19，戚科骏20，冯伟21等基于灰色系统理论进一步预测了单桩极限承载力，预测结果大大满足了工程实际需求。荀东亮
32、22，诸伟琦23，郑永保24，曾明华25，史永强26等从另一方面采用神经网络模型方式预测了单桩极限承载力，并通过工程实例进行了无数次验证，结果表明，采用该方法预测单桩极限承载力是可行的。杨磊27则是采用最小二乘支持矢量机( LSSVM )回归分析法研究预测单桩竖向极限承载力，研究表明，LSSVM预测方法也是合理有效的。赵春风28采用完整指数函数拟合了单桩荷载沉降曲线，周清29采用双曲线模型对单桩竖向极限承载力进行拟合预测分析，研究结果表明，拟合曲线与实测曲线吻合程度较高，采用完整指数函数及双曲线函数预估单桩极限承载能力完全可行，且对确定单桩极限承载力具也有一定的指导意义。1.2.2竖向荷载作用
33、下单桩沉降计算方法研究现状2.1.1 管桩承载力分析【2】 管桩在设计方面不外是依照内政部民国 90 年建筑物基础构造设计 规范 2001规定，单桩极限垂直支承力包含由桩周表面提供摩擦阻力 及由桩底端点提供支承力，分别可依静力学公式、标准贯入实验公式、 桩载重实验、动态分析等方法推估。单桩极限垂直支承力与容许垂 直支承力得依下列公式估算： Qu= Qs +Qb= fsAs + qbAb (2-1)。Qa= Qu/FS = Qs/FS1 + Qb/FS2 (2-2)。QU= 单桩极限垂直支承力(tf)。Qa= 单桩容许垂直支承力(tf)。Qs= 桩表面摩擦阻力(tf)。Qb= 桩底端点支承力(t
34、f)。FS，FS1，FS2 = 桩总垂直支承力、表面摩擦阻力与端点支承力安全系数。fs= 桩表面摩擦阻力(tf/m2)。As= 桩身表面积(m2)。qb= 桩端极限支承压力(tf/m2)。Ab= 桩端断面积(m2)。2.1.2 管桩抗拉拔力分析【2】 当结构物受侧向力，例如风力、地震力，或结构物承受偏心载重及上 浮水压力结构重量不足时，常使基础底下局部管桩受到拉拔作用，而壁 桩或管桩所提供容许拉拔力可根据建筑物基础构造设计规范(2001)由 下式估算： Ta = Wp + Qs/Fs (2-3) 。 Ta = 容许拉拔力。 Wp = 有效桩重。 Qs = 桩表面摩擦阻力，即 Fs = 安全系数
35、，短期采用 3，长期采用 6。 2.1.3 管桩与圆型桩承载力、拉拔力分析【3】 本研究以新板特区桥峰工程地质为条件，以管桩及圆型桩为对象作承载 力及拉拔力分析。 表 2.1.3a 圆型桩承载及拉拔力分析数据源: 林庚铃(2004.02)表 4.1.3b 管桩承载及拉拔力分析数据源: 林庚铃(2004.02)2.1.4 管桩与管桩材料强度【2】 管桩容许承载力应不超出其材料所容许强度，即 Qam = fm Ab (2-4) 。 式中: Qam = 管桩材料容许承载力(ton)。 Fm = 混凝土容许强度(ton/)。 Ab = 桩断面积()。 根据建筑物基础构造设计规范(内政部，2001)对场
36、铸混凝土管桩材料 强度的规定，于水中或泥水中打设混凝土时其容许压应力不得大于混凝 土规定压力强度(fc)百分二十二，且不得大于 60kg/c ，表 2.1.4 为不同壁闲及桩径下桩体材料最大容许承载力。 表 2.1.4a 单位宽度管桩桩体材料最大容许承载力 管桩厚(cm)桩体材料容许承载力，Qam(ton/m)Fc=210kg/cFc=245kg/cFc=280kg/c6027732336080370430490100460530610120550640730表2.1.4b 场铸桩(圆形)体材料最大容许承载力桩径(cm)桩体材料容许承载力，Qam(ton/m)Fc=210kg/cFc=245k
37、g/cFc=280kg/c1508169521060180117513711526200145116931884220175620482280250226726452945 (5) 其他方法除上述方法以外，用于确定竖向荷载作用下单桩沉降量方法还包括灰色系统理论法44，神经网络法45，能量法46，等。1.2.3变截面桩研究现状随着大型桥梁等基础建设的迅猛发展，深基础对桩基础的变形能力、承载及降低工程造价都提出了更高的要求。因此，桩基的承载力、变形及经济问题也逐渐成为工程领域内工程技术人员和广大学者关注的焦点。在这种背景下，为了使进度、质量及造价等能够同时满足桩基工程应用的要求，工程技术人员和广大
38、学者对桩基础的理论与实践进行了进一步的研究与改进，提出了多种新桩型。变截面桩就是其中典型的一种。变截面桩是在传统的等截面桩形式基础上研究发展起来的一种新型结构的桩型。它与常规桩型有所异同，变截面桩是指桩身横截面尺寸或形状大小沿着桩身轴向不断发生变化的桩体。一旦增大了桩身横截面积也就改变了横截面的几何特性，这有利于达到提高承载力的效果；同理，一旦缩减了桩身的横截面积，桩体材料成本就会降低，工程造价也相应降低，从而将会获得更好的经济效益。事实上，在我国的远古时期，木桩基础就是以倒置的树干作为主要支撑结构而存在的，这也是目前发现的最早的变截面桩基础。然而真正定义变截面桩体则是在混凝土的运用以后，现代
39、意思的最早变截面桩是一种具有波纹状刚壳的RAYMOND阶梯锥形桩。随着桩基础施工技术的及工程材料的不断提高，变截面桩的构造形式与施工技术都得到进一步完善。目前工程中较为常用的变截面桩主要有以下几种类型：(1) 按材料可分类为：组合桩、混凝土桩、钢筋混凝土桩、水泥土桩；(2) 按构造形式可分类为：扩底桩和组合型桩多级扩径桩、阶梯型变截面桩、楔形桩(锥形桩)、分段变截面(变径)桩等；(3) 按施工方法可分类为：钻孔挤扩桩、挖孔扩底桩、混合型桩、沉管大头桩、沉管夯扩桩和钻孔削扩桩等。变截面桩具有经济效益好、工程性能高和机械设备易改造等优点在各类工程中的应用日渐增多。但是变截面桩大多还是属于新桩型，工
40、程造价、承载特性及工作机理与常规桩型相比还有巨大的差别。因此，对变截面桩的设计理论与承载性状作进一步研究就显得十分必要。变截面桩的种类十分繁多，限于在模型试验中所采用的闭口阶梯型变截面管桩以及本文本文将重点介绍楔形桩、型变截面桩的国内外研究现状。(1) 锥形桩 锥形桩(又称楔形桩)是一种即能提高桩单位体积承载力而且施工简单且节省材料优越桩型。楔形桩巧妙利用了桩的楔形侧面，如同楔子楔入地基土中，充分发挥了土桩体间的相互作用。除桩侧摩阻力F(切向抗力F)外，土体还对楔形侧面产生一支承力R，即法向抗力R(如图1-1所示)，这就极大提高了楔形桩单桩承载力。理论实践证明，楔形桩相比其它桩型具有很多优点：
41、1) 同等条件下，楔形桩的楔形侧面有利于发挥桩土间的相互作用，比等长度同体积等截面桩的单位体积承载力大；2) 楔形桩在打入成桩过程中，有利于改善桩周土的物理力学性质，改变桩周土的天然结构状态，并在桩周形成土体挤密区(如图1-1所示)；3) 在提供同等承载力条件下，在深厚软土地区中，使用楔形桩作为深基础可获得较好的经济效益。楔形桩可节省大量混凝土，而能够有效地降低工程造价。1-锥形桩体 2-被压缩地基的边界-锥角 R-土体对桩身侧面的反力 F-土体对桩身侧面的摩阻力P-作用于桩顶的垂直荷载 Pg-土体对桩尖的反力-隆起区-压密区-松散区图1-1 楔形桩基本工作原理简图Fig.1-1 The ba
42、sic principleof tapered piles尽管楔形桩在降低工程造价，减小沉降，提高桩基承载力，缩短工期和提高桩基安全性等方面己取得了较为显著的经济效益，但目前关于楔形桩承载机理及性状的研究成果仍然相对较少，且未形成完整的理论系统，致使其在实际工程中无法得到广泛应用。近年来，国内外有关学者对楔形桩进一步进行了一些试验和理论研究，也取得了一些有意义的成果。Rybnikov47通过现场试验分析时发现，楔形灌注桩的承载力要比等长度同体积的等截面桩高了20%30%。Mahmoud Ghazavi48从另一个角度研究了楔形桩的地震动力反应特性，发现楔形桩在与等长度同体积的等截面桩相比下具有
43、更大的柔韧性，并且其柔韧性随侧壁倾角的增加，长径比的增加，地震频率的降低及刚度比减小而不断增加。Mohammed M Z等49则是通过模型试验对比研究了楔形桩与等截面桩在砂土中的承载特性，并改进了楔形桩竖向承载力的简化计算方法，发现了楔形桩的荷载传递规律，为研究侧壁倾角对楔形桩抗拔性能和在循环荷载作用下楔形桩承载性状的影响做出了重大贡献。20世纪的70年代末，我国在石家庄、保定和南京等地区的一些工程中相继试用过楔形桩，并且获得了较好的技术经济效果。但目前由于缺乏对楔形桩模具开发、承载机理及施工工艺的研究，仍然形成完善的理论系统，因此楔形桩在国内应用较少。邵立群50对四川德阳地区的膨胀土基地中采
44、用的冲击成孔楔形灌注桩应用情况进行了研究与分析，发现楔形桩具有沉降量小、承载力高及经济效果显著等特性，并提出了估算楔形桩竖向极限承载力的经验公式及楔形灌注桩的工作原理。刘杰等51为探讨楔形桩在天津地区的应用是否具有可行性，他通过静载实验研究了楔形桩在竖向荷载作用下时的承载性状，发现了单桩侧摩阻力、极限承载力及端阻力的发展规律，在与相同条件下等截面桩进行对比分析时发现，楔形桩的平均单位体积承载力较等截面桩大约提高了80%。蒋建平等52通过现场的竖向静载对比试验研究了等截面桩、楔形桩和扩底桩在同一场地土层中承载性状的不同，试验结果表明，楔形桩较等截面桩在减少桩顶沉降量和提高竖向极限承载力方面都具有
45、明显优势。钱大行等53分析了锥形短桩：桩土间相互作用的特性，对比分析了竖向及水平荷载作用下锥形桩与普通预制桩在设计施工、承载能力及技术经济方面的差异，发现锥形短桩相比普通桩型在降低工程成本、加快施工进度、土地的合理使用、提高单位体积承载力及可持续开发方面都具有显著的优势。成立芹54等则是通过单桩静载实验研究了锥形桩在竖向荷载作用下的承载性状，并分析了竖向极限承载力、桩端阻力以及桩侧摩阻力的发展规律，并与相同条件下的等截面桩进行了进一步对比分析，结果发现楔形桩的承载力竟然为等截面桩的1.83倍。曹文贵等55采用最小势能原理，推导了楔形桩屈曲临界荷载的计算公式。根据大量计算结果与分析发现，在相同情
46、形下，锥形桩较普通等截面桩稳定性大大提高，且存在一最不利桩长。崔灏等56主要是利用静载实验研究了三种不同侧壁倾角的锥形桩在冻土中的承载力性能，并有效分析了温度和桩型对承载力的影响，将其与等截面桩进行对比分析发现，冻土条件下锥型桩单位体积极限承载力较等截面桩提高约为60%。(2) 阶梯型变截面桩阶梯型桩是一种桩身截面沿着深度方向呈阶梯形逐段减小的变截面桩，故又称为倒台阶形变截面桩。从桩体的受力性状来看，尤其是对层状土层而言，阶梯型桩高效率的降低工程造价，桩身轴力分布符合轴力沿桩身向下呈现上大下小的特征。阶梯型变截面桩能够使地基中各层土的承载潜力得到充分的发挥。在设计时，适当的将将处于良好持力层以
47、上的深度范围内的桩端截面尺寸增大，就能较好地发挥该持力层土的承载能力。阶梯型变截面桩近几年在国内一些桥梁基础工程中得到了合理的应用，并且取得了较好的经济及社会效益，我国的大直径变截面桩在桥梁基础工程中的主要应用如表1-21-5所示。表1-2 大直径变截面钻孔桩桥梁Table 1-2 Bridges with large variable bored piles桥名上部结构形式基础结构形式说明韶关五里亭大桥120m系杆拱25.6/3.5/3m单排无承台江西湖口大桥318m双塔斜拉桥5.3/5/3.5m有承台湘潭湘江二桥90m连续梁5/3.5m单排无承台铜陵长江大桥423m斜拉桥4.6/4/2.8m单排无承台武汉天心州大桥504m公铁两用斜拉桥4.5/4m有承台南昌八一大桥（南）160m斜拉桥4.4/4m有承台沅陵沅水大桥85m连续梁4/3.5m单排无承台广东九江大桥50m顶推连续梁3/2.5/2m单排无承台表1-3 大直径变截面挖孔桩桥梁Table 1-3Bridges with large variable
