1、擠擴支盤灌注樁的研究與工程應(yīng)用    摘要：擠擴支盤灌注樁及其用于支盤擠擴成形的液壓設(shè)備是八十年代末期由張俊生先生發(fā)明的。1990年在國內(nèi)取得發(fā)明專利權(quán)以后又分別在美國、歐洲、日本、加拿大和泰國取得申請了專利。 關(guān)鍵詞：地基基礎(chǔ) 樁基礎(chǔ) 灌注樁  一、概述 擠擴支盤樁是在原有等截面鉆孔灌注樁的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其專用液壓擠擴設(shè)備與現(xiàn)有樁機械配套使用，產(chǎn)生了樁體、承力盤和分支。根據(jù)地質(zhì)情況在適宜土層中擠擴成型承力盤及分支、承力盤直徑較大，如樁身直徑600mm的樁體，其承力盤直徑可達15001600mm，如表1所示。 樁徑 400 600 800

2、1000 直徑 960 1600 2000 2500 樁徑與承力盤直徑關(guān)系 表1 擠擴支盤灌樁從1992年開始在建工程中使用。十年來已在北京、天津、河北、河南、安徽、山東、江蘇、黑龍江、湖北、廣東、海南、福建等十多個省市的上百項工程中采用。在提高樁基承截力、減少沉降、增加樁基安全性、降低工程造價和縮短工期等方面都取得了顯著效果。國家科委1998年4月組織專家論證后，已將擠擴支盤灌注樁技術(shù)納入“重點國家級火炬計劃項目”，建議在全國推廣應(yīng)用。1998年11月科技部、稅務(wù)總局、對貿(mào)易</a經(jīng)濟合作部、質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局、環(huán)保總局等單位將擠擴支盤灌注樁及設(shè)備納入“國家重點新產(chǎn)品“。在此之前，天津市建

3、委、北京市科委、黑友江省建委、江蘇省建委、河南省建委、廣州市建委等都下達了文件或以會議紀(jì)要的形式推廣這項新技術(shù)。 擠擴支盤灌注樁的出現(xiàn)，對于解決灌注樁的許多技術(shù)缺欠，提高和改進灌注樁的承載性狀有著重大的影響和改進，是一項重要的新技術(shù)成果。 擠擴支盤灌注樁技術(shù)在理論研究方面也做了大量工作。1992年北交通大學(xué)唐業(yè)清教授主持完成了擠擴多分支承力盤砼灌注樁受力機型及承載力性狀的實驗研究、擠擴支盤樁支護結(jié)構(gòu)的試驗研究并做了18組不同盤距、不同盤數(shù)支盤樁的數(shù)據(jù)測定總結(jié)出不同盤距或盤數(shù)對承載力的影響和承載力的計算公式，對擠擴支盤樁技術(shù)做為承載樁及支護樁的應(yīng)用提供了重要的理論基礎(chǔ)。1994年在中國水利水電科

4、學(xué)研究院主持下，對擠擴支盤帶來的土質(zhì)擠密效果進行了72組試驗，得出了不同土層下擠密效果和成型規(guī)律。1995年在天津大學(xué)顧曉魯教授的指導(dǎo)下，在天津沿海軟土地區(qū)做了擠擴支盤工程樁的應(yīng)力傳遞規(guī)律的試驗研究，并對該樁型的應(yīng)用效果進行了分析研究，進一步豐富了沿海軟土情況下的設(shè)計計算方法。1999年4月，與北京勘察設(shè)計研究院合作進行了10組擠擴支盤樁的抗試驗。 目前，擠擴支盤灌注樁已編制了詳細的設(shè)計規(guī)程、施工規(guī)程以及施工質(zhì)量檢測和驗收評定標(biāo)準(zhǔn)，并由天津市建委下發(fā)了新技術(shù)認(rèn)定證書。建設(shè)部于1997年5月和7月分別在建筑施工手冊和地基基礎(chǔ)施工手冊中編入了“擠擴多分支承力盤砼灌注樁”的章節(jié)，內(nèi)容包括擠擴支盤灌注

5、樁的特點、適用范圍、工藝工法、承載力計算、質(zhì)量要求、工程實例和效果評價等。 電力規(guī)劃設(shè)計總院于1998年4月下旬，在鄭州召開的電子巖土工程技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)小組1998年年會暨多分支承力盤樁基經(jīng)驗交流會”上，已明確提出在電力行業(yè)的工程建設(shè)中推廣應(yīng)用擠擴支盤灌注樁，并建議將現(xiàn)有的擠擴支盤灌注樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)修訂后，作為電力行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行。 總之，擠擴支盤灌注樁經(jīng)過多年實踐證明技術(shù)是可靠的，經(jīng)濟效益十分顯著。而且設(shè)計、施工、檢驗、驗收都已制定了規(guī)程，并取得地方政府和在關(guān)單位的認(rèn)可。進一步加速推廣這項新技術(shù)的條件已基本具備，應(yīng)用前景十分廣闊。 二、樁的作用機理 擠擴支盤灌注樁作為一種新型樁基，其作用機理可概括為以

6、下幾點。 、灌注樁的特點 灌注樁按其成樁過程對樁側(cè)土體的影響程度，可分為非擠土灌注樁（普通灌注樁）、部分?jǐn)D土灌注樁（擠擴支盤樁）和擠土灌注樁（沉管灌注樁）等三大類。主要有以下特點： （1） 除沉管灌注樁外，（2） 各種灌注樁在施工過程中無大的噪聲和振動。（3） 可根據(jù)土層分布情況任意變化樁長，（4）可根據(jù)同（5） 一建筑物的荷載分布與土層情況采用不同（6） 樁徑或樁型，（7） 對于承受側(cè)向荷載的樁可設(shè)計成有利于提高水平承載力的異型樁，（8） 變截面樁。（9） 可穿過各種軟硬層，（10） 將樁端置于堅實土層和嵌入基巖，（11）還可擴大樁底以充分發(fā)揮樁身強度和持力層的承載力。（12） 樁身鋼筋可根

7、據(jù)荷載大小與性質(zhì)及荷載沿深度的傳遞特征，（13）以及土層的變化配置，（14） 配筋率遠低于預(yù)制樁。 2、擠擴支、盤可充分利用承載土層 擠擴支盤灌注樁是采用普通鉆機成孔、通過專用裝置液壓擠密成支或承力盤，屬于部分?jǐn)D土灌注樁。在所需擠擴支或盤的土層，支盤成型設(shè)備施加較大的油缸壓力(10-28Mpa)，最大擠擴壓力可達300T，對土強力擠密成分支或承力盤。因此不僅加大了樁側(cè)、樁端承載面積(以直徑600mm支盤樁為例，一個擠擴成1.6m承力盤的面積是樁身截面面積的7倍)，同時還對分支或承力盤上下的樁周土進行了擠密加固，提高了地基土的承載力和樁側(cè)摩阻力。 1994年6月水電科學(xué)研究院關(guān)于多分支承力盤成型

8、裝置支盤成型壓密效果試報告的試驗研究結(jié)論指出： ()多分支承力盤成型擠密的效果是明顯的，成型擠密的影響范圍水平方向在距樁孔外邊1.0米以內(nèi)，垂直方向在0.5米以內(nèi)，干密度的提高幅度量大可達1520%左右。 ()分支或盤成型擠密的作用，對支或盤下方土體的影響比對上方土體的影響要大。由于樁的承載力主要取決于支盤下部土的性質(zhì)，因此該特點對提高樁的承載力是利的。 、擠擴支盤灌注樁具有廣泛的適用性 擠擴支盤樁不僅可以作為承載樁，也可作為支盤樁、抗拔樁和承受較大水平荷載的樁、復(fù)合地基等。特別是對于水下難于成孔的砂礫土層，此種擠擴可形成理想的規(guī)則的擴大頭，以及在擠擴過程對持力土層進行加固擠密。 、擠擴支盤樁

9、比普通灌注樁更優(yōu)越 擠擴支盤灌注樁和普通灌注樁相比具有明顯的優(yōu)越性，由于擠擴支盤的有效作用。 、擠擴支盤灌注樁的破壞形式 灌注樁的破壞形式可分二種情況：第一為置于軟弱土層中的摩擦樁或一般土層中的小直徑樁，為樁尖刺入破壞模式。樁端阻力分擔(dān)的荷載比例較小，曲線呈徒降型。第二為大直徑擴底樁。由于樁端有較大的支承面積，以基底土的壓密變形為主，伴有少量的側(cè)向擠出。支承于礫、砂、硬粘性土、粉土上的擴底樁，由于端阻破壞所需位移量過大，端阻所占比例較大，其中曲線呈緩變形，極限承載力一般可取u=(3%-6%)D控制。 擠擴支盤灌注樁的破壞機理類似于大直徑擴底樁基礎(chǔ)，當(dāng)樁頂受荷較小時，樁底承力盤下部土體被擠密，當(dāng)

10、荷載繼續(xù)加大，承力盤底下土層被壓密。由于施工時通過液壓裝置擠擴成孔，對樁底土壓密，故盤底土承載力高于原狀土，擴底盤的上部斜面由于樁體向下位移會出現(xiàn)臨空面，如在適宜土層處設(shè)多個承力盤，則擠擴支盤樁的極限承載力會明顯高于大直徑樁基礎(chǔ)，而且可以解決水下砂土不易形成擴大頭的困難。 當(dāng)有兩個擠擴盤時，如果其間距大于最小臨界間距，則各承力盤周圍的土體，在成樁時被擠密加固，承力盤能提供較大的承載力，根據(jù)百余根擠擴支盤樁的靜載荷檢測報告數(shù)據(jù)分析，極限承載力中支承阻力即各承力盤分擔(dān)荷載之和所占比例達50%90%。 如果盤間距太近，則承力盤間的土體就可能被剪裂，甚至塌落到下面承力盤的臨空面縫隙中，從而破壞了這一段

11、樁土間的摩擦力。設(shè)計規(guī)程要求在計算樁側(cè)摩阻力時，將樁長減少ah,其中a取值1.11.8之間(參見表4)，h為承力盤高度。 當(dāng)設(shè)置兩個以上承力盤時，合理的盤間距是設(shè)計多支盤樁的一個重要因素。因為盤間距太近，盤之間土層將會被剪壞，根據(jù)大量的室內(nèi)模型實驗成果以及大量工程樁的工程實踐，總結(jié)出盤間距與土層的關(guān)系，在粘性土中承力盤最小臨界間距小于砂性土中最小臨界間距。 分支的破壞機理與承力盤的不同之處在于分支與土層的接觸面比承力盤小，分支會產(chǎn)生剪切刺入破壞。其對承載力的貢獻可按增加側(cè)阻考慮。 、樁側(cè)摩阻力的分析 樁側(cè)摩阻力及支承力的發(fā)揮與受荷狀態(tài)下樁的位移有密切關(guān)系： ()樁側(cè)土阻力在受荷初期就發(fā)揮作用，

12、樁頂位移主要由樁身彈性變形和樁土相對位移引起，上部樁身與土體發(fā)生相對位移，使樁側(cè)摩阻力得以發(fā)揮，隨荷載的增加側(cè)摩阻力的發(fā)揮逐漸向下轉(zhuǎn)移，在分支或盤處荷載傳遞重新分配，盡管在盤附近可能失去部分摩阻力，但是，盤可以起到類似端承的支承作用，所以最終承載力仍可大幅度提高，單樁豎向承載力是普通鉆孔灌注樁的2倍3倍。 ()支、盤支承力的發(fā)揮一般滯后于側(cè)摩阻力，由于有支或盤的存在使荷載傳遞更加復(fù)雜。在盤的設(shè)置位置問題上，除考慮最小臨界盤間距因素外，更要考慮各承力盤之間的協(xié)調(diào)變形問題，即各承力盤壓縮變形區(qū)內(nèi)各土層的壓縮模量Eai的問題。 有時擠擴支盤灌注樁的QS曲線呈此形狀，曲線前段與一般摩擦樁相同，隨各承力

13、盤逐漸發(fā)生作用，QS曲線的坡度變緩，可謂支盤樁越壓越有勁。 、樁的沉降變形是控制樁基承載能力的首要條件 擠擴支盤灌注樁的承載能力，既要考慮樁的承載能力因素，更應(yīng)考慮樁的沉降因素，過大的沉降即使地基還沒有發(fā)生塑性破壞，往往會導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的開裂和損壞。因此樁基承載力和樁的下沉變形是控制擠擴支盤樁承載能力的雙重條件。尤其沉降變形更是首要條件。擠擴支盤灌注樁的破壞模式。應(yīng)通過現(xiàn)場壓樁試驗，按樁許可的沉降量，選定樁的承載力，以便根據(jù)設(shè)計要求選擇合理樁長、支盤數(shù)、支盤間距的擠擴盤的大小尺寸等。 三、樁基承載力 擠擴支盤灌注樁作為一種新型深基礎(chǔ)，在適宜土層條件下可取代目前工程上使用最多的預(yù)制樁、鉆孔灌注樁以

14、及大直徑樁墩基礎(chǔ)。雖然擠擴支盤樁與大直徑擴底樁變形均為漸近壓密形，但由于擠擴支盤樁對分支和承力盤周圍土體進行擠密加固，且可根據(jù)土層情況，選擇較好土層擠擴成數(shù)個分支或承力盤，所以擠擴支盤樁的受力機理和承載力性狀比普通鉆孔樁要復(fù)雜。 根據(jù)室內(nèi)模型試驗的分析研究、大量現(xiàn)場靜壓試樁結(jié)果以及多項工程使用情況的，可用以下四種方法確定支盤樁的承載力： 1、直接法： 直接法主要有靜載壓樁試驗和大應(yīng)變試驗法。采用現(xiàn)場靜載荷試驗確定單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值時，在同一條件下的試樁數(shù)量不宜小于總樁數(shù)的1%，且不應(yīng)小于3根，工程總樁數(shù)在50根以內(nèi)時不應(yīng)小于2根，由于Q-S曲線為緩變形，極限承載力一般可取S=40-60mm對應(yīng)的

15、荷載，對于大直徑樁可取S=(0.030.06)D所對應(yīng)荷載值，也可取S=0.001D(D為承力盤直徑-20cm)對應(yīng)的荷載為容許承載力。這是首選的方法，尤其重要工程都應(yīng)通過壓樁試驗確定其承載力。這樣既可滿足變形條件又可有效的確定其承載力標(biāo)準(zhǔn)值。 2、計算法 （）標(biāo)準(zhǔn)貫入法 根據(jù)專家建議：結(jié)合擠擴支盤樁的特點，可用標(biāo)準(zhǔn)貫入法進行承載力估算： 式中Rk一單樁豎向載力標(biāo)準(zhǔn)值(KN)； 2j, 3土性系數(shù)按表2采用 qsi樁身第I層土的側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值(KPa)，按樁基規(guī)范選用 K2j,K3分項系數(shù)按表3采用； Nj,N第J層土標(biāo)貫平均值和底盤座位置上下各4d土層的標(biāo)貫平均值； Li折減后樁周第I層土摩阻(M)，計算方法按表4采用； u-主樁徑周長（） Ap底盤投影面積，按承力盤直徑cm計算； pbj扣除樁身截面積的支盤投影面積(M2)； n -樁有效深度范圍內(nèi)土性系數(shù)； m -除底盤外的承力盤與十字分支個數(shù)。 支盤周圍土性系數(shù) 表2 土類 2j 3 粘土、粉土 21-25 21 砂土 55 55 碎石、礫石 55 75 其它 分項系數(shù)K2j、K3系數(shù) 表3 中間盤、上盤分項系數(shù)k 層盤分項系數(shù)k 1.41.8 2.53.5 L4計算方法 表4 粘土、粉土 砂土 碎