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挤扩支盘灌注桩的研究与工程应用
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内容提示：挤扩支盘灌注桩及其用于支盘挤扩成形的液压设备是八十年代末期由张俊生先生发明的。1990年在国内取得发明专利权以后又分别在美国、欧洲、日本、加拿大和泰国取得或申请了专利。
摘要：挤扩支盘灌注桩及其用于支盘挤扩成形的液压设备是八十年代末期由张俊生先生发明的。1990年在国内取得发明专利权以后又分别在美国、欧洲、日本、加拿大和泰国取得或申请了专利。
关键词：地基基础 桩基础 灌注桩
一、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1500—1600mm，如表1所示。
桩径 400 600 800 1000
直径 960 1600 2000 2500
桩径与承力盘直径关系 表1
挤扩支盘灌桩从1992年开始在建筑工程中使用。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。国家科委1998年4月组织专家论证后，已将挤扩支盘灌注桩技术纳入“重点国家级火炬计划项目”，建议在全国推广应用。1998年11月科技部、税务总局、对外贸易经济合作部、质量技术监督局、环保总局等单位将挤扩支盘灌注桩及设备纳入“国家重点新产品“。在此之前，天津市建委、北京市科委、黑友江省建委、江苏省建委、河南省建委、广州市建委等都下达了文件或以会议纪要的形式推广这项新技术。
挤扩支盘灌注桩的出现，对于解决灌注桩的许多技术缺欠，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。
挤扩支盘灌注桩技术在理论研究方面也做了大量工作。1992年北方交通大学唐业清教授主持完成了《挤扩多分支承力盘砼灌注桩受力机型及承载力性状的实验研究》、《挤扩支盘桩支护结构的试验研究》并做了18组不同盘距、不同盘数支盘桩的数据测定，总结出不同盘距或盘数对承载力的影响和承载力的计算公式，对挤扩支盘桩技术做为承载桩及支护桩的应用提供了重要的理论基础。1994年在中国水利水电科学研究院主持下，对挤扩支盘带来的土质挤密效果进行了72组试验，得出了不同土层下挤密效果和成型规律。1995年在天津大学顾晓鲁教授的指导下，在天津沿海软土地区做了挤扩支盘工程桩的应力传递规律的试验研究，并对该桩型的应用效果进行了分析研究，进一步丰富了沿海软土情况下的设计计算方法。1999年4月，与北京勘察设计研究院合作进行了10组挤扩支盘桩的抗试验。
目前，挤扩支盘灌注桩已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，并由天津市建委下发了新技术认定证书。（参考《建筑中文网》）建设部于1997年5月和7月分别在《建筑施工手册》和《地基基础施工手册》中编入了“挤扩多分支承力盘砼灌注桩”的章节，内容包括挤扩支盘灌注桩的特点、适用范围、工艺工法、承载力计算、质量要求、工程实例和效果评价等。
电力规划设计总院于1998年4月下旬，在郑州召开的“电子岩土工程技术领导小组1998年年会暨多分支承力盘桩基经验交流会”上，已明确提出在电力行业的工程建设中推广应用挤扩支盘灌注桩，并建议将现有的挤扩支盘灌注桩技术标准修订后，作为电力行业的标准来执行。
总之，挤扩支盘灌注桩经过多年实践证明技术是可靠的，经济效益十分显著。而且设计、施工、检验、验收都已制定了规程，并取得地方政府和在关单位的认可。进一步加速推广这项新技术的条件已基本具备，应用前景十分广阔。
二、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、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（5） 一建筑物的荷载分布与土层情况采用不同（6） 桩径或桩型，（7） 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，（8） 变截面桩。（9） 可穿过各种软硬层，（10） 将桩端置于坚实土层和嵌入基岩，（11）还可扩大桩底以充分发挥桩身强度和持力层的承载力。（12） 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，（13）以及土层的变化配置，（14） 配筋率远低于预制桩。
2、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(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。
1994年6月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1.0米以内，垂直方向在0.5米以内，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利的。
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。
4、挤扩支盘桩比普通灌注桩更优越
挤扩支盘灌注桩和普通灌注桩相比具有明显的优越性，由于挤扩支盘的有效作用。
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，极限承载力一般可取Su=(3%-6%)D控制。
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，扩底盘的上部斜面由于桩体向下位移会出现临空面，如在适宜土层处设多个承力盘，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。
当有两个挤扩盘时，如果其间距大于最小临界间距，则各承力盘周围的土体，在成桩时被挤密加固，承力盘能提供较大的承载力，根据百余根挤扩支盘桩的静载荷检测报告数据分析，极限承载力中支承阻力即各承力盘分担荷载之和所占比例达50%—90%。
如果盘间距太近，则承力盘间的土体就可能被剪裂，甚至塌落到下面承力盘的临空面缝隙中，从而破坏了这一段桩土间的摩擦力。设计规程要求在计算桩侧摩阻力时，将桩长减少ah,其中a取值1.1～1.8之间(参见表4)，h为承力盘高度。
当设置两个以上承力盘时，合理的盘间距是设计多支盘桩的一个重要因素。因为盘间距太近，盘之间土层将会被剪坏，根据大量的室内模型实验成果以及大量工程桩的工程实践，总结出盘间距与土层的关系，在粘性土中承力盘最小临界间距小于砂性土中最小临界间距。
分支的破坏机理与承力盘的不同之处在于分支与土层的接触面比承力盘小，分支会产生剪切刺入破坏。其对承载力的贡献可按增加侧阻考虑。
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：
(1)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，单桩竖向承载力是普通钻孔灌注桩的2倍—3倍。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200603/1660.htm
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