大直径钻孔灌注扩底桩设计与施工

计敏敏 吴敏

【摘要】本文介绍了扩底桩的设计与施工方法及其技术要点，通过一个设计实例说明扩底桩的选型及承载力计算方法，证明其承载能力高、沉降变形小等方面的优越性。钻孔灌注扩底桩集钻孔灌注桩及夯扩桩的优点于一身，特别适用于环境振动受严格限制的基础工程。

【关键词】大直径；扩底桩；反循环钻孔

一、前言

随着经济建设的发展，各种大型建筑物不断出现，对基础承载力的要求愈来愈高，对基础工程的设计、施工要求也愈来愈高。因此，在大直径钻孔灌注桩被广泛采用的同时，也逐步应用扩底桩基础。大直径扩底桩具有承载力高、传力直接、清底干净、施工速度快、节约造价、设备简单、施工方便等特点。对于上覆土层厚薄差异较大的地基采用大直径扩底桩更是一种理想的基础形式。扩底桩是在桩身底部即桩端持力层中，采用人工或机械方式扩大，形成桩端扩大空间，增大桩端混凝土与持力层的投影接触面积，从而相应提高桩的承载力（见图1）。

二、扩底桩的设计

大直径扩底桩的承载力，一般由桩端阻力和桩侧阻力两部分组成。桩侧阻力的发挥主要依赖于是否会发生一定量的桩土变位，相对变位的不同，对桩周摩阻力的发挥是有影响的。桩端阻力的发挥主要取决于持力层土的性质。扩底桩的承载性能良好，有限元分析显示[1] [4] [5]：扩底桩桩身周围土中应力水平大大低于普通桩，前者约为后者的1/20～1/10，而桩端土中的应力水平大大高于普通桩，约为2～3倍。表明扩底桩主要通过桩端把荷载传到地基上。

（一） 扩底桩的荷载传递机理

扩底桩一般属于摩擦端承桩，一般情况下桩的摩擦力先发挥作用，随着荷载的增大，桩侧摩阻力承担荷载的比例相对减小，桩端阻力分担的比例相对增大。

扩底桩的荷载传递受扩底相对直径（D/d）、桩底土相对刚度（EB /ES）、桩的相对刚度（EP /ES）和桩的长径比（l/d）等因素的影响 [2]。

（二）扩底桩的设计

（1）桩基竖向承载力的确定。桩基竖向承载力的确定取决于两个方面，即桩本身的材料强度和各土层的物理力学参数，在设计时必须二者兼顾。由于大直径扩底桩的单桩承载力设计值比较大，按照静载荷试验确定其单桩承载力比较困难。鉴于目前國内还没有出台统一的设计规范，在实际设计中，一般根据土的物理指标与承载力参数之间的关系，确定大直径扩底桩单桩竖向极限承载力标准值[3]。即

式中：Quk—单桩承载力标准值（kN）；

Qsk--单桩总极限侧阻力（kN）； Qpk—单桩总极限端阻力（kN）；

qsik—桩周第i层土的极限侧阻力标准值（kpa）；

psk—桩端极限端阻力标准值（kpa）；

Li—第i层土的厚度（m），桩端处减去扩底高度h；

u—桩身周长； Ap—桩端扩底面积

ψs、ψp—大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数；

（粘性土、粉土： ψs =1， ψp = ； 砂土、碎石类土： ψs = ，ψp = D为桩端扩底直径）

（2）确定合理的桩距。灌注桩扩底端最小中心距除应满足一般桩距外，尚应满足表1的规定。

灌注桩扩底端最小中心距 表1

成桩方法 最小中心距

钻、挖孔灌注桩 1.5D或D+1m（当D>2m时）

沉管夯扩灌注桩 2.0D

（3）关于群桩效应。通常桩距下（即满足规范要求），扩底桩的群桩效应微弱，群桩沉降接近于单桩沉降。

（4）灌注桩桩身混凝土要求及保护层厚度要求。混凝土强度等级不得低于C15，水下灌注混凝土时不得低于C20，每立方米混凝土水泥用量不得少于350kg。主筋的混凝土保护层厚度，不应小于35mm，水下灌注混凝土，不得小于50mm。

三、扩底桩的施工

泵吸反循环钻孔扩底桩对地层适应能力强； 钻孔直径、孔深可选范围大， 钻孔直径

0. 6～2. 5 m， 扩底直径一般为0. 8～4. 0 m，孔深可达100 m；振动小， 噪声低， 工期短； 比正循环钻孔桩成孔质量高， 孔壁泥膜薄， 孔底沉渣少。下面就具体介绍泵吸反循环钻孔的基本原理及施工工艺。

（一）反循环钻孔灌注桩基本原理：

反循环钻孔施工法钻机工作时，旋转盘带动钻杆端部的钻头， 切削破碎岩土， 钻进泥浆从钻杆与孔壁间的环状空间中流入孔底冷却钻头， 并携带岩土钻渣， 在负压作用下混合液从钻杆内腔上升到地面通过泥浆沟流进沉淀池后返回泥浆池中净化， 净化后的泥浆又返回孔内形成循环， 故称反循环钻进。

（二）主施工工艺流程

编写施工设计→桩位测量、设备安装→埋设护筒→钻机定位、验收开钻→直孔钻进成孔→第一次清孔、测量孔深→检测扩底钻头→扩底钻进成孔→第二次清孔、检测扩底孔形→钻机移位、安装钢筋笼及灌注设备就位→吊放钢筋笼→下入灌浆管→第三次清孔、测量孔深与沉渣→灌注水下混凝土→起拔护筒→桩头处理→混凝土养护

（三）钻孔扩底桩施工的关键工序

（1） 护筒埋设是反循环施工作业的关键之一，护筒用6～10mm钢板，内径比桩径大100～200mm ，长1.5m ，易塌孔部位应加长护筒，有利于孔壁稳定。

（2） 直孔终孔后应进行第一次清孔，把钻具提高孔底0.3～0.5m ，一般用泵吸反循环抽吸30～60 分钟，把孔底沉渣抽吸干净。用测绳准确测量孔深，符合要求根据最大扩底直径，确定其行程。在主动钻杆上作扩底的起点和终点标记，通过行程可控制扩底直径。此后才能下扩底钻头，以确保扩底钻头能安放到位。

四、扩底桩的工程实例

（一）工程概况

广州某综合楼主楼20层框剪结构。根据工程地质勘探报告提供建筑场地土层分布如下表。

表2

土层号 岩土名称 平均层厚（m） 侧阻标准值qsk（kpa） 端阻标准值qpk （kpa）

1 杂填土 2

2.1 粘土 4.2 40

2.2 粘土 5.4 50

3 粉质粘土 5.8 40

4.1 砂土 6.4 80 1000

4.2 砂土 未打穿 90 4000

（二）扩底桩承载力计算

（1） 扩底桩单桩承载力

经过多方案比较，设计时采用了大直径扩底桩，其单桩承载力要求为9400kN。选4.2层的密实砂土层确定为持力层，根据上部结构的设计荷载桩身直径拟定为d=1400mm，扩底直径D=2600mm，桩身长度15m，扩高h=1400mm。

单桩承载力计算如下：（侧阻从3层开始计算）

Quk=u∑ψs qsik×li+ψp psk×Ap

=4.44×（40×5.8×1+80×6.4×0.675+90×1.4×0.675）+0.675×4000×5.31

=4.44×（40×5.8×1+80×6.4×0.675+90×1.4×0.675）+0.675×4000×5.31

= 17279 KN

R = Quk /γsp =17279/1.67=10347KN>9400KN

（2） 桩身强度计算：

采用C30砼，轴心抗压强度设计值为fc=14.3N/mm2，按规范取基桩施工工艺系数ψc = 0.8，取γ0 =1.1，则桩身承载力设计值为：

ψc×fc×A=0.8×14.3×14002×0.7854=17610KN>γ0 N = 1.1×9400 = 10340KN

所以樁身承载力足够。

五、结 语

目前国内外对大直径桩的承载力及变形尚未取得统一的取值方法，认识大直径桩的受力性能，提出合理的承载力与变形计算模式及相应的计算参数是目前急需解决的问题。

参考文献：

[1] 周红.扩底墩地基土的位移和应力.岩土工程学报，1985（6）

[2] 李寓、薛文碧. 建筑桩基基础工程便携手册. 机械工业出版社，2002