挤扩支盘灌注桩技术特性与工程应用

秦 楠

1 概述

挤扩支盘桩是在原有等截面钻孔灌注桩的基础上发展而来的,其专用液压挤扩设备与现有桩基机械配套使用,产生了桩体、承力盘和分支。根据地质情况在适宜土层中挤扩成型承力盘及分支、承力盘直径较大,如桩身直径600mm的桩体,其承力盘直径可达1500mm～1600mm,如表1所示。

表1 桩径与承力盘直径关系表 mm

挤扩支盘灌注桩从20世纪90年代开始在建筑工程中使用,多年来已在北京、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。

挤扩支盘灌注桩的出现,对于解决灌注桩的许多技术欠缺,提高和改进灌注桩的承载性状有着重大的影响和改进,是一项重要的新技术成果。目前,挤扩支盘灌注桩已由国家权威部门编制了详细的设计规程、施工规程以及施工质量检测和验收评定标准。为此项技术的全面推广使用提供了科学理论依据。

2 挤扩支盘灌注桩的作用机理

挤扩支盘可充分利用承载土层: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密成支或承力盘,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(10mPa～28MPa),最大挤扩压力可达300 t,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。

水电科学研究院关于《多分支承力盘成型装置支盘成型压密效果试验报告》的试验研究结论指出:1)多分支承力盘成型挤密的效果是明显的,成型挤密的影响范围水平方向在距桩孔外边1.0m以内,垂直方向在0.5 m以内,干密度的提高幅度量大可达15%～20%左右。2)分支或盘成型挤密的作用,对支或盘下方土体的影响比对上方土体的影响要大。由于桩的承载力主要取决于支盘下部土的性质,因此该特点对提高桩的承载力是有利的。

3 挤扩支盘桩的主要特征

挤扩支盘桩由桩柱(桩身)、底盘、中盘、顶盘及整个分支所组成。按照土质情况,在硬土层中设置分支或承力盘。分支和承力盘是在普通圆形钻孔中用专用设备通过液压挤扩而形成的。在支、盘挤成空腔同时也把周围的土挤密。经过挤密的周围土体与腔内灌注的钢筋混凝土桩身、支盘紧密的结合为一体,发挥了桩土共同承力的作用,提高了桩的侧摩阻力和支承阻力,从而使桩承载力大幅度增加。经测算,承力盘的面积约为主桩截面的4倍～7倍,如把各盘和各分支的面积加起来,其总和约为主桩截面的10倍～20倍。

与其他桩型相比支盘桩具有明显优点: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,沉降变形更小。2)抗拔性能好,具有良好的抗震性能及承受活荷载的能力。3)有显著的经济效益。其单方混凝土承载力为相应普通灌注桩的2倍以上。4)对不同土质的适应性强。5)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。6)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。7)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 工程实例

4.1 高层建筑

实例:天津市和平区新文化花园。

新文化花园位于天津市和平区南市荣业大街,一期工程3个组团建筑面积约30万m2,为层高15层～24层不等的高级商住区,采用挤扩支盘桩,其中占总桩数60%的是直径φ=650mm,桩长 L=19 m的承载桩,沿桩设2个承力盘,盘径1600mm,1组十字分支,单桩承载力设计值 Rd=2700 kN;φ=450mm,L=19.5 m的承载桩,沿桩身设2个承力盘,盘径960mm,1组十字分支,单桩竖向承载力设计值 Rd=1250 kN,这部分桩占总桩数的20%。另外20%的挤扩支盘桩为抗拔桩,这是由于挤扩支盘桩的特殊造型和成型时的静力挤土作用使桩体能更紧密地和桩周土结合,形成良好的桩土共同工作体系,能有效地提高桩的承载能力和嵌固效果,从而提高桩的水平承载力和抗拔承载力,新文化花园中抗拔桩设计为φ=450mm,L=21 m,2个承力盘,盘径960mm,抗拔800 kN。

采用挤扩支盘桩比普通灌注桩节约投资30%。

4.2 多层建筑

实例:北京发展大厦管理楼。

北京发展大厦有限公司投资兴建的管理楼工程,位于北京东三环北路五号,为4层框架结构,1层为停车场,本大楼位于原22层大厦南侧,地面标高38 m～39.05 m,场地窄小,中部有5 m×8 m×9 m的化粪池。

工程地质情况较为复杂,地表下10.6m为原大厦回填土,这层土不计侧阻力。埋深17.5 m及22.7 m分别为⑤层粉细砂层和⑦层中细砂,其他为粘性土或粉质粘土层。

本工程由北京市建筑设计院设计,原桩径为600mm,桩长23.5 m的泥浆护壁成孔的混凝土灌注桩,单桩承载力标准值为800 kN,总桩数70根,但因场地狭小,地下管网密布,给设计布桩及施工带来极大困难,本楼基础经多次研究最后决定改用承载力大、沉降小、工期短且经济的挤扩支盘桩。

布桩方案基本上为单桩单柱,共设1号桩17根,φ 0.7×23.5 m,三盘二支,单桩承载力标准值3500 kN,⑦层为度盘持力层;2号桩6根,φ 0.7×16.5 m,单盘方案。单桩承载力标准值为1700 kN,⑤层为持力层,若遇⑤层缺失时,可增加一盘。总桩数由70根减少到23根。

本技术施工工艺简单,常规工法成孔后,下入支盘成型机械形支盘,再进入下一道工序,即下钢筋笼、导管及灌注水下混凝土。

本工程提前70%工期,节约30%投资。普通灌注桩混凝土完成极限承载力438 kN/m3,挤扩支盘桩大于1174 kN/m3。现场整洁,做到文明施工。工程质量优良,获得国家建筑质量监测中心、投资方、设计单位及监理公司的一致好评。

4.3 工业厂房

实例:北京四环制药厂。

北京四环制药厂新建分厂位于良乡镇南关开发区。首期工程项目为合成车间、锅炉房及食堂,基础工程均采用挤扩支盘桩基础,由核工业部第二设计院设计,完成挤扩支盘桩558根,主桩径400mm,设1个底承力盘及 1组十字分支。盘径960mm,有效桩长7.0m,单桩承载力标准值450 kN,桩身混凝土强度等级C20,主筋6φ 14。由于该桩桩径小,盘径大,使底盘承载力充分发挥。工程用混凝土量约640m3,折合混凝土完成承载力比较如下:

普通钻孔灌注桩为80.15 kN/m3,支盘桩为394.7 kN/m3。

若采用普通钻孔灌注桩耗用混凝土3100m3,约需造价240万元。

桩基工程采用挤扩支盘桩新技术后,取得了良好效果,节约投资约50%。由于该地区地下水位较低,采用螺旋钻成孔施工速度快,每日完成40根～50根柱,工期提前一个月。桩的盘位调节性能好,竖向承载力、抗拔力大、稳定性好,抗震性能良好,结构工作安全度高。由于首期工程采用支盘桩效益显著,二期工程桩基700余根仍全部使用挤扩支盘桩。

5 结语

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,预制桩等多种欠缺,使桩基技术大大向前发展,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。

[1]姚 成,宋吉录,谢 波.支盘桩与等截面桩承载性能对比试验[J].山西建筑,2009,35(20):88-89.