挤扩支盘灌注桩承载力分析及其应用

　　摘要:对多支盘钻孔灌注桩的工作性状和承载力进行了分析，并根据计算和载荷试验分析计算了挤扩支盘灌注桩与普通灌注桩的优缺点，在此基础上探讨了多支盘钻孔灌注桩的适用条件。
　　关键词:多支盘灌注桩，承载力，适用条件
　　挤扩支盘灌注桩是上世纪90年代初在传统灌注桩基础上发展起来的新型桩基础。它是一种多端承、多段侧摩阻共同作用的变截面多支点摩擦端承桩，通过发挥桩身长度范围内各较硬地层的潜力，发挥桩土共同承载的作用，提高桩的端承阻力和桩侧摩阻力，使单桩承载力大幅度提高。采用这种桩型，有利于提高单桩竖向承载力、提高抗震性、减小沉降变形、减少桩长和桩径及桩数、节约成本、缩短工期。
　　挤扩支盘灌注桩从1992年开始在建筑工程中使用。二十年来已在北京、天津、河北、河南、安徽、山东、江苏、黑龙江、湖北、广东、海南、福建、内蒙等十多个省市的上百项工程中采用。在提高桩基承截力、减少沉降、增加桩基安全性、降低工程造价和缩短工期等方面都取得了显著效果。本文通过理论分析，并结合工程实际分析挤扩支盘桩的作用机理、桩基特点、承载力特点。
　　1挤扩支盘灌注桩的作用机理
　　挤扩支盘灌注桩作为一种新型桩基，其作用机理可概括为以下几点。
　　1.1灌注桩的特点
　　灌注桩按其成桩过程对桩侧土体的影响程度，可分为非挤土灌注桩（普通灌注桩）、部分挤土灌注桩（挤扩支盘桩）和挤土灌注桩（沉管灌注桩）等三大类。主要有以下特点：（1）除沉管灌注桩外；（2）各种灌注桩在施工过程中无大的噪声和振动；（3）可根据土层分布情况任意变化桩长；（4）可根据同一建筑物的荷载分布与土层情况采用不同桩径或桩型；（5）对于承受侧向荷载的桩可设计成有利于提高水平承载力的异型桩、变截面桩。（6）可穿过各种软硬层将桩端置于坚实土层和嵌入基岩，还可扩大桩底以充分发挥桩身强度和持力层的承载力。（7）桩身钢筋可根据荷载大小与性质及荷载沿深度的传递特征，以及土层的变化配置，配筋率远低于预制桩。
　　1.2挤扩支、盘可充分利用高承载力土层
　　挤扩支盘灌注桩是采用普通钻机成孔，通过专用装置液压挤扩成支或承力盘，属于部分挤土灌注桩。在所需挤扩支或盘的土层，支盘成型设备施加较大的油缸压力(10-28Mpa)，最大挤扩压力可达300T，对土强力挤密成分支或承力盘。因此不仅加大了桩侧、桩端承载面积(以直径600mm支盘桩为例，一个挤扩成1.6m承力盘的面积是桩身截面面积的7倍)，同时还对分支或承力盘上下的桩周土进行了挤密加固，提高了地基土的承载力和桩侧摩阻力。
　　1.3挤扩支盘灌注桩具有广泛的适用性
　　挤扩支盘桩不仅可以作为承载桩，也可作为支盘桩、抗拔桩和承受较大水平荷载的桩、复合地基等。特别是对于水下难于成孔的砂砾土层，此种挤扩可形成理想的规则的扩大头，以及在挤扩过程对持力土层进行加固挤密。
　　1.4挤扩支盘桩比普通灌注桩更优越
　　由于挤扩支盘的有效作用，挤扩支盘灌注桩和普通灌注桩相比具有明显的优越性。
　　1.5挤扩支盘灌注桩的破坏形式
　　灌注桩的破坏形式可分二种情况：第一为置于软弱土层中的摩擦桩或一般土层中的小直径桩，为桩尖刺入破坏模式。桩端阻力分担的荷载比例较小，Q-S曲线呈徒降型。第二为大直径扩底桩。由于桩端有较大的支承面积，以基底土的压密变形为主，伴有少量的侧向挤出。支承于砾、砂、硬粘性土、粉土上的扩底桩，由于端阻破坏所需位移量过大，端阻所占比例较大，其中Q-S曲线呈缓变形。
　　挤扩支盘灌注桩的破坏机理类似于大直径扩底桩基础，当桩顶受荷较小时，桩底承力盘下部土体被挤密，当荷载继续加大，承力盘底下土层被压密。由于施工时通过液压装置挤扩成孔，对桩底土压密，故盘底土承载力高于原状土，如在适宜土层处设多个持力盘，则挤扩支盘桩的极限承载力会明显高于大直径桩基础，而且可以解决水下砂土不易形成扩大头的困难。
　　1.6桩侧摩阻力的分析
　　桩侧摩阻力及支承力的发挥与受荷状态下桩的位移有密切关系：桩侧土阻力在受荷初期就发挥作用，桩顶位移主要由桩身弹性变形和桩土相对位移引起，上部桩身与土体发生相对位移，使桩侧摩阻力得以发挥，随荷载的增加侧摩阻力的发挥逐渐向下转移，在分支或盘处荷载传递重新分配，尽管在盘附近可能失去部分摩阻力，但是，盘可以起到类似端承的支承作用，所以最终承载力仍可大幅度提高。
　　1.7桩的沉降变形
　　挤扩支盘灌注桩的承载能力，既要考虑桩的承载能力因素，更应考虑桩的沉降因素，过大的沉降即使地基还没有发生塑性破坏，往往会导致上部结构的开裂和损坏。因此桩基承载力和桩的下沉变形是控制挤扩支盘桩承载能力的双重条件。尤其沉降变形更是首要条件。挤扩支盘灌注桩的破坏模式，应通过现场压桩试验，按桩许可的沉降量，选定桩的承载力，以便根据设计要求选择合理桩长、支盘数、支盘间距的挤扩盘的大小尺寸等。
　　2挤扩支盘灌注桩工作性状分析
　　如图1所示，多支盘钻孔灌注桩在竖向荷载的作用下，首先桩身上部的侧阻力发挥出来，随荷载的增大上部第一个支盘的端阻力发挥作用，而后是支盘间侧阻力及第二个支盘端阻力发挥作用，依次直到最下部的支盘端阻力及桩端阻力发挥作用。
　　图1挤扩支盘钻孔灌注桩示意图
　　3挤扩支盘灌注桩特点：
　　3.1可以利用沿桩身不同部位的硬土层来设置承力盘及分支，将摩擦桩改为变截面的多支点摩擦端承桩，从而改变了桩的受力机理。这样的桩基础会使建筑物更稳定，抗震性好，沉降变形更小。
　　3.2对不同土质的适应性强，在内陆冲积和洪积平原及沿海、河口部位的海陆交替层及三角洲平原下的硬塑粘性土、密实粉土、粉细砂层或中粗砂层等均适合作支盘桩的持力层。而且不受地下水位高低的限制。
　　3.3成桩工艺适用范围广，可用于泥浆护壁成孔工艺、干作业成孔工艺、水泥注浆护壁成孔工艺和重锤挤扩成孔工艺等。
　　3.4由于单桩承载力较大，在负荷相同的情况下，可比普通直孔桩缩短桩长，减小桩径或减少桩数，作为高层建筑及重要构筑物的基础，可供设计灵活使用，既可作桩下单桩方案以减少承台施工量，又可沿箱基墙下或筏基柱下布桩以减少底板厚度及配筋量。这不仅能节省投资，而且施工方便、工期短、造价低、质量优。
　　3.5对环境保护有利，与打入式预制桩相比，施工噪声低、无振动；与普通泥浆护壁直孔桩完成等值承载相比，泥浆排放量显著减少。
　　4桩基承载力分析
　　挤扩支盘灌注桩作为一种新型深基础，在适宜土层条件下可取代目前工程上使用最多的预制桩、钻孔灌注桩以及大直径桩墩基础。虽然挤扩支盘桩与大直径扩底桩变形均为渐近压密形，但由于挤扩支盘桩对分支和承力盘周围土体进行挤密加固，且可根据土层情况，选择较好土层挤扩成数个分支或承力盘，所以挤扩支盘桩的受力机理和承载力性状比普通钻孔桩要复杂。现根据内蒙某氧化铝项目单桩载荷试验对挤扩灌注桩的单桩承载力进行分析。
　　4.1工程概况
　　该项目位于内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗，内蒙古自治区的西南部，黄河中游的南岸，鄂尔多斯高原北端，为库布其沙带，土壤属沙壤土，宜林宜牧，水土流失特别严重。
　　4.2地质情况
　　该场地地层以第四系河湖相地层为主，主要以粘性土、砂类土为主，根据其沉积年代、岩性及物理力学性质自上而下分可分为6层，①层粉砂，松散～中密，风成沉积，厚度2.0～7.0m；②层粉质粘土，可塑～硬塑状态，厚度1.0～7.7m；③层粉土混粉砂，中密～密实，厚度1.0～8.7m；④层粉质粘土，硬塑状态，厚度0.9～6.9m；④1层粉砂，中密～密实，厚度1.8～7.6m；⑤1层粉质粘土，可塑～硬塑状态，厚度1.9～6.1m；⑤2层粉质粘土，可塑～硬塑状态，厚度0.9～7.5m；⑥层粉细砂，密实，揭露厚度20.5～25.8m，未揭穿；⑥1层中粗砂：密实，厚度1.1～5.8m。该建筑场地类别为Ⅱ类，中硬土，属抗震有利地段。
　　4.3设计施工参数
　　根据工程建筑场地地基土的特性，结合建筑物的结构荷载特征，该工程采用了多种设计参数的挤扩支盘灌注桩，并进行了载荷试验，其设计参数见下表，桩身混凝土强度等级为C35：
　　载荷试验桩基设计参数表1
　　序号 桩顶标高(m) 桩径d
　　(mm) 桩长L
　　(m) 承力盘径D(mm) 承力盘高度h
　　(mm) 承力盘及桩端所在土层号 设计单桩承载
　　力（KN） 压桩个数（根）
　　      承力盘1 承力盘2 承力盘3 桩端  
　　1 -1.60 650 30.0 1400 700 ④ ⑤1 ⑤2 ⑥ 2600 2
　　2 -1.60 800 26.0 1600 700 ④ ⑤1 ⑤2 ⑥ 2600 1
　　3 -2.90 800 32.0 1600 700 ③ ④ ⑤1 ⑥ 4000 3
　　4 -3.90 800 22.5 1600 700 ③ ④1 ⑤1 ⑥ 3300 3
　　5 -2.90 800 22.5 - - - - - ⑥ 2200 3
　　本次静载荷试验，均按设计单桩承载力的2倍进行控制，均未出现破坏状态，根据静载荷试验，绘制出的Q～ｓ曲线形态来看，均为缓变型曲线，且最终沉降均未大于40mm，根据规范取最大试验荷载值为对应试验桩的竖向抗压极限承载力值。承载力特征值均满足设计要求。通过计算分析多支盘桩比不支盘桩的单桩承载力能提高30%～50%。
　　5结语
　　1．挤扩支盘桩是通过改进成桩工具，以达到改善桩受力和作用机理为目的的新型桩基，是桩基工程一项重要新技术、新成果，这一工法的出现弥补了普通灌注桩，预制桩等多种缺欠，使桩基技术大大向前发展。
　　2.挤扩支盘桩一般可应用于建（构）筑构承载桩基、抗拨桩基、基坑支护桩以及建筑物增层改造桩基、复合地基处理以及桥梁桩等工程领域。
　　3.适用多种地基土质，填土、粘性土、粉土、淤泥与粘土及粉土交互层地基，砂土或砂卵石地基等。采用挤扩支盘桩都可取得较好效果。可在水下砂土中挤扩成扩大桩头
　　4.挤扩支盘桩受力机理明确，竖向承载能力高，受荷变形小，抗震性能良好，使结构设计方案忧化；由于其独特的技术形式，有效缩短工期，节省原材料30-70，能提高单桩承载力30%～50%，致使工程造价大幅度降低，改良施工作业环境，降低劳动强度，且工程质量稳定、结构工作安全度高。
　　总之，挤扩支盘灌注桩技术，为桩基工程提供一种新手段、新方法，能适应更复杂的建筑工程要求，是我国桩基工程技术的一枝新秀，一种更为合理的桩型，为桩基的“武器库”中，增添一个新成员。今后必将得到更广泛的应用与发展。

《挤扩支盘灌注桩承载力分析及其应用》

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