工程用挤扩支盘桩承载性能分析

2015-04-01孙洪宇齐秋平

吉林电力 2015年5期

孙洪宇，齐秋平

（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021）

桩基础作为一种安全可靠且经济有效的基础形式，可根据不同的工程地质条件、荷载特点和施工方法以及不同的用途发挥不同的作用。传统桩按其承载特性一般分为：摩擦桩（包括端承摩擦桩）和端承桩（包括摩擦端承桩），因此要提高单桩承载力，首先考虑的就是增大桩侧摩擦阻力（增大桩径）和桩端承载力（采用扩底桩）。为顺应降低桩基础工程造价，提高工程经济效益等形势，结合变截面钻孔灌注桩形状进行构思、研究而提出挤扩支盘混凝土灌注桩（简称挤扩支盘桩）的桩型结构。挤扩支盘桩由桩身、承力盘及数个分支组成，承力盘及分支数目可随其工程及应用领域不同而自由改变。

1 挤扩支盘桩的特点

挤扩支盘桩的桩型，从成孔方式角度分析，属于钻孔灌注桩形式的一种；从其承载特性分析，属于摩擦端承桩；从桩身直径分析，它是一种变直径桩；从承载功能方面分析，它既是一种可靠的抗压桩，也是一种理想的抗拔桩。挤扩支盘桩与其他桩型相比具有以下特点［1－3］。

a.通过沿桩身不同部位来设置支盘，改变了桩的受力机理，增加了桩身的受力支点，从而更为有效地控制了建筑物的沉降变形。

b.有效减小桩径与桩长，减少了单桩混凝土用量，具有明显的经济效益。

c.能够适应各种土质（包括黏土、亚黏土、粉土、粉砂、全风化及强风化的软岩等）的土层均适合作为支盘的持力层，而且不受地下水位高低的限制，充分利用地基土承载能力，但不适用于淤泥、液化土、中粗砂、砾石、中等风化以上硬岩及自重湿陷性黄土等土质的土层。

d.抗水平力与抗拔力性能较好。

挤扩支盘桩也存在施工时间相对较长、桩端沉渣较厚、设计参数及承载力计算公式不完善，以及对施工后桩身完整性检测要求高等缺点，但因其具有提高桩基承载力、工后沉降小、经济效果显著等优点，具有较大的使用空间和发展前景。

2 挤扩支盘桩单桩承载力计算

挤扩支盘桩的承载机理：首先是分层受荷，即利用桩周土中较好的土层，将荷载通过支盘传递到土层上去；其次是挤扩结果，在形成支盘的过程中，使支盘上下端土体得到压密，提高土体的压缩模量和内摩擦角，故使土的物理力学性质必然要优于原状土［4］。在承力时，由于支盘周边土体预先受到压密，类似于结构中“预应力”作用，化被动受力为主动受力，使土体的竖向承载力有所提高，进而提高了单桩承载力。在桩顶竖向荷载作用下，挤扩支盘桩的受力状态见图1。支盘下斜面既有正压力N的作用，又有摩阻力f的作用，挤扩支盘桩的单桩承载力由桩侧摩阻力、桩端阻力和支盘阻力三部分组成。

图1 挤扩支盘桩受力示意图

式中：Qk为单桩竖向极限承载力标准值；Qsk为单桩总侧摩阻力；Qpk为桩端阻力；Qzk为支盘总端阻力；u为桩身周长；li为桩侧第i层土平均有效厚度；Ap为桩端面积；ξ为摩擦阻力修正系数；η为支盘端阻力修正系数；qski为第i段桩的极限摩阻力标准值；qzkj为第j个支盘所在位置的土层极限端阻力标准值；qpk为桩端极限承载力标准值；Azi为支盘在水平面上的投影面积。

摩擦阻力修正系数ξ是考虑到在荷载的作用下，支盘上端土体处于脱空状态，而下端土体受荷被压密，支盘的上下端一定范围内的土体摩阻力会有不同程度的降低；端阻力修正系数η主要考虑以下因素：挤扩支盘时对支盘周围土的挤密效应；多支盘时土应力叠加效应；多支盘时的“架空”效应。文献［4］对两个修正系数进行了分析，得出无论乘以承载力修正系数与否，计算得出的承载力与实测值均较吻合。

DJGJ（2000）《火力发电厂支盘桩暂行技术规定》根据土的物理性质指标与承载力参数之间的经验关系，提出支盘桩单桩竖向承载力标准值Quk采用公式（2）计算：

式中：qsik为桩第i层土的极限侧摩阻力标准值；qpik为桩第i层土的极限承载力标准值；Api为扣除主桩桩身截面面积的支盘的水平投影面积；Ψpi为支盘极限端阻力标准值的修正系数，可按表1取值。

表1 支盘极限端阻力标准值修正系数Ψpi

式（2）中未考虑支盘对主桩上下端侧摩阻力的影响，li计算时仅减去盘根高度，但类似于公式1，公式2仍对支盘端阻力进行了修正，支盘端阻力标准值的修正系数Ψpi≤1。

以上两种公式均是根据工程实践总结得出，不同之处在于公式中对桩侧摩阻力和主盘端阻力的修正给出了不同的修正系数；相同之处是单桩承载力的组成部分均未考虑支盘外形尺寸和施工质量等对支盘端阻和侧阻的影响。

影响挤扩支盘桩承载性能的支盘外形尺寸参数主要为支盘直径和与桩身接触部分支盘截面高度。前者会直接影响到桩的抗压承载力，后者的合理取值则可保证支盘与桩身接触部分截面在桩顶荷载与支盘端阻力差值作用下不发生剪切破坏。桩基工程作为隐蔽工程，施工质量控制尤为关键。挤扩支盘桩应对施工质量提出更高要求，主要基于如下考虑：桩外形尺寸及截面较其他桩型复杂，对施工方法、器械及其他技术条件的要求更为严格；从单桩承载力计算公式中可以看出，支盘承载力作为单桩承载力重要组成部分，其施工质量（包括成形、注浆密实度和施工时孔底沉渣清理效果等）的优劣会对桩承载性能造成显著影响。

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建议在单桩承载力计算中考虑支盘外形尺寸和施工质量的影响，针对支盘外形尺寸对桩承载力的影响可定义一个新的参数，对桩承载力进行修正，参数定义时应考虑不同外形尺寸支盘的施工工艺与质量，也可以根据支盘外形尺寸及施工工艺的不同分类给出。

3 工程实例

哈萨克斯坦某电厂锅炉基础设计所采用的桩基础，受地质条件及施工机械等因素影响，桩型采用挤扩支盘桩，桩径820mm，有效桩长20.70m，桩中心距2 460mm，设有两个直径1.6m，高0.8m 的支盘，桩示意图、支盘位置以及土层情况见图2。

图2 挤扩支盘桩示意图

挤扩支盘桩的施工过程：先压入直径为820 mm 的钢质套筒，压入一定深度便进行钻孔取土，直至达到设计桩长；然后拔出套筒并由下至上进行扩盘，最后放入绑扎好的钢筋笼并浇筑混凝土。

施工方委托当地检测单位对施工后的桩进行了桩基承载力检测。根据现场情况及具备的条件，单桩竖向抗压静载试验采取锚桩反梁法，试验用千斤顶最大量程为7 200kN，单桩在加载过程中的沉降用千分表观测，试验桩与锚固桩（均为工程桩）示意图见图3。

图3 试验桩与锚固桩相对位置

试验采取分级加载的方式：第一级荷载取最大加载量的1/5，第二级荷载为第一级的两倍，第三级荷载取第二级荷载加1/10的最大加载量，第四级及之后各加载步骤，荷载增量均为最大加载量的1/20，直至加载到预定荷载。最大加载量初定5 145 kN。桩沉降量观测方法：装好位移计并调试完成后，记下初始读数，第一步加载完成后立即记下千分表的读数，之后每隔30min读一次，连续3次之后改为每隔60min读一次，直至千分表读数变化趋于稳定。对于桩底位于半固态或硬塑黏土层的桩，若千分表的读数在60min前后之差小于0.1mm，则视为此桩变形趋于稳定，可进行下一步加载；若桩身在某一级荷载作用下沉降量超过40mm，则试验结束。卸载亦采取分级卸荷的方式。桩顶在各级荷载作用下的位移见表2，表中桩身位移为负值。由于试验用千斤顶加载方式为手动，所以表2中各级荷载下桩身总位移由加载过程中位移和持荷过程中位移两部分组成。

表2 桩顶在各级荷载作用下的位移

从表2中可以看出，桩顶在各级荷载作用下的位移增量有持续增加的趋势，增量在荷载加至预定荷载的70%左右时达到最大，之后随荷载的增加有所减小，这与挤扩支盘桩的变形特性密切相关。各级荷载作用下桩顶位移增量的减小意味着：随着荷载的不断增加，从桩侧摩擦阻力起主要作用逐步转换为支盘端承力起主要作用。荷载P与桩顶位移S的关系曲线见图4。

图4 试验桩P－S 曲线

文献［7］对三根桩径700mm，有效桩长24m，设有两个直径1.8m、高1.65m 的支盘的挤扩支盘桩进行了承载力检测试验，并将三根桩的荷载位移曲线与普通灌注桩进行对比，对比结果见图5。

图5 三根挤扩支盘桩与普通桩P－S 曲线对比

从图5中可以看出，初始阶段几条曲线重合在一起，当荷载超过总加载量的20%左右时，曲线分离；而当荷载达到50%的最大加载量时，普通灌注桩随着加载量的不断增大，桩顶位移增量明显加大，曲线成骤降趋势；而1号、2号、3号支盘桩的曲线略呈S形。随着加载的结束，位移增量呈现小幅下降，这说明挤扩支盘和桩侧摩擦阻力之间存在互补的关系。随着荷载的不断增大，桩侧摩阻力逐渐达到极限，桩土之间产生一定的相对位移，此时支盘才更有效地发挥端承作用。

结合文献［7］的试验结果，与图4的曲线形状作对比，本工程试验桩试验结束时的荷载P约为文献［7］中的50%，从图4曲线的发展趋势和桩顶位移上分析，不难得出：本工程试验过程中，挤扩支盘桩上支盘刚刚发挥作用，下支盘未起明显作用，单桩实际极限承载力在满足桩顶位移限制的前提下会高于试验预定极限荷载，依此检测结果可能会导致该工程单桩承载力得不到充分利用。

由于现场没有试验桩，因此直接用工程桩进行桩基承载力检测，而检测单位初定的极限荷载偏于保守，建议现场加设试验桩，以较为准确地得到单桩竖向极限承载力。