广州瀚华建筑设计有限公司
摘要：钢管桩是一种比较常见的用于基础加固的桩型。本文结合工程实例，详细阐述了钢管桩的设计，并提出了一种新的钢管桩连接做法，可以提高钢管桩的接桩速度，减少焊接等因素引起的成桩质量问题。并通过抗拉试验验证了该做法的可靠性。适合在地下室等层高较矮而桩又比较长的位置使用。
关键词：钢管桩、丝扣连接、基础加固
1.工程概况：
汉溪某项目位于广州市番禺区钟村街汉溪村，汉溪大道以南，效果图见图1。该项目分为一期和二期，一二期共用一个地下室，一期已经投入使用。二期在地下室完成施工后，进行了方案调整，导致已经施工的地下室及基础需要进行加固，才能满足新方案的荷载需要。
该项目设有两层（局部一层）地下室，地下层高为3.6~3.8m。地下室底板位于软弱土层。原基础采用灌注桩或预应力管桩基础。灌注桩持力层为中、微风化岩，预应力管桩持力层为强风化岩层。设计采用钢管桩对基础进行加固，桩基础布置图见图2。为减少钢管桩施工洞口对楼板的受力影响，钢管桩除个别人防门位置外，均在地下室底板施工。由于层高的限制以及桩长较长，需要多次接桩。若采用常规的焊接连接，将增加施工周期，影响整体的工期。故本工程采用钢管丝扣连接进行接桩。该方法可以加快施工速度，保证接桩质量。丝扣连接可采用改造后的钻孔桩基直接进行接桩。
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图1 项目效果图 图2 桩基础布置平面图
2 钢管桩承载力计算：
本工程采用钢管桩对承载力不足的基础进行加固，钢管桩以中、微风化花岗片麻岩做为持力层，仅考虑进入中、微风化岩的侧阻力。与原管桩基础采用不同的持力层。可以不考虑新增钢管桩与原桩基础的距离对桩承载力的影响。
选取④3中风化花岗岩层做为钢管桩桩端持力层。钢管桩直径为d1=250mm，钢管桩间距≥3d1=750mm。本工程采用强度≥C30的混凝土，钢管采用Q345B级钢，钢管尺寸为φ180x8.0mm无缝钢管。钢管桩承载力特征值取Ra＝1000kN。要求中风化岩天然湿度单桩抗压强度≥15MPa，桩端进入连续中风化岩中不少于3.5m。根据地质报告，钢管桩进入或穿越中风化岩层每米的摩阻力特征值为450kN，钢管桩的端承载力为220kN。有关验算如下：
（1）、钢管桩桩身验算：
φ180x8.0钢管截面积Sy1=4320mm2；钢管桩扣除钢管后的混凝土截面积Sc1=44742mm2；混凝土抗压强度标准值fck=20.1 MPa；钢管屈服强度fy=345MPa。
则钢管桩竖向极限承载力标准值
Quk=Sc1fck+ Sy1fy=（44742×20.1+4320×345）=2388 kN
单桩承载力特征值需满足Ra≤
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Quk=1194kN
钢管考虑2mm腐蚀余量，则钢管有效截面积Sy2=3202mm2；仅考虑钢管内混凝土截面积Sc2=21113mm2；混凝土抗压强度设计值fc=14.3 MPa；钢管抗压强度设计值f=305MPa。
在竖向荷载与地震作用效应标准组合工况下，Ra需满足
1.25Ra≤Sc2fc+ Sy2f=（21113×14.3+3202×305）=1278kN
（1.25为考虑实际的恒载活载的设计值组合与标准值组合的比值）
（2）、钢管桩入岩深度计算：
根据广东省《地基基础设计规范》（DBJ15-31-2016）中的嵌岩桩相关计算公式计算单桩承载力特征值。以中风化、微风化花岗岩做为桩端持力层，单桩竖向承载力特征值可按下式估算：
Ra =Rra +Rpa=1000 kN
钢管入中风化每米的侧阻力
Rra=upC2frshr =3.14×0.25×0.03×15000×1=353kN/m
钢管桩与岩石间的端阻力
Rpa=C1frpAp = 0.3×15000×3.14×0.25²=220kN
经计算，桩端进入中微风化岩深2.2m即可满足要求。
其中：
Rra—桩侧岩总摩阻力特征值；
Rpa—持力岩层总端阻力特征值；
up—桩嵌岩段截面周长（m）；
hr—嵌岩深度（m），当岩面倾斜时以低点起计。
Ap—桩身截面积（m2）。
frs、frp—分别为桩侧岩层和桩端岩层的岩样天然湿度单轴抗压强度。
C1、C2—系数。根据持力层基岩完整程度及沉渣厚度等因素而定。
3.丝扣受力计算
钢管连接采用丝扣连接（图3~5），每个接头完整丝扣圈数不少于20个，上下段完整丝扣圈数各不少于10个丝，连接套管厚度为12mm，长度不小于150mm（现场实际做了200mm）。丝牙深度t为2mm，丝牙的宽度L1为2mm，丝牙间距L2根据实际加工工艺确定。套管采用外径194mm，内径为170mm，厚度12mmQ345B无缝钢管。
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图3 钢管丝扣示意 图4 钢管丝扣 图5 丝扣连接件
钢管尺寸为180x8，钢管桩直径为250mm，砼等级C30，钢管桩中钢管截面
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和混凝土截面
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分别为：
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，
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MPa
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，
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MPa
其中钢管占钢管桩承载力的比值为
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，混凝土占比60.8%。
钢管桩竖向承载力为1000kN，则钢管分担的荷载为400kN。
牙底抗剪
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牙底抗弯
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综上所述，丝扣受力满足要求。
4.钢管丝扣连接接头抗拉强度试验
为检测丝扣连接的实际受力性能，采用钢管的抗拉试验来模拟验证钢管丝扣连接的抗压。试验采用穿心千斤顶，通过反力架对钢管接头进行拉力加载（图6、图7），验证接头的承载力。试验采用ZB4-500型电动油泵进行加载。
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图6 丝扣连接试验设备 图7 丝扣连接试验示意图
试验共准备一组三个试件。试验加载最大荷载取钢管的屈服承载力
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表1 丝扣连接试验拉力荷载
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注：压力表换算公式
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各试件加载情况详表1。第一个试件由于连接位置焊缝强度不足，导
致试件较早破坏，试验承载力较低。第一个试件试验完后，对剩余的两个试件的焊缝进行了加强处理。试件均为钢管端头焊缝破坏，丝扣连接位置无明显的变形，均可以用手拧下来。通过该连接件的抗拉试验，可以验证连接件的设计满足受力要求。
8.结论
本文通过工程实例，对钢管桩加固基础的设计过程进行了阐述，并提出了丝扣连接这种新的钢管桩连接做法。丝扣连接的抗拉试验验证了该做法的可靠性。丝扣连接可以提高钢管桩的接桩速度，减少焊接等因素引起的成桩质量问题，加快施工速度，节省工期，适合层高较矮而桩长较长的地下室使用。
参考文献：
1.钢管混凝土结构技术规程（GB50936-2014）；
2.广东省标准《地基基础设计规范》（DBJ15-31-2016）