孫洪宇，齊秋平

（中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司，長春 130021）

樁基礎(chǔ)作為一種安全可靠且經(jīng)濟有效的基礎(chǔ)形式，可根據(jù)不同的工程地質(zhì)條件、荷載特點和施工方法以及不同的用途發(fā)揮不同的作用。傳統(tǒng)樁按其承載特性一般分為：摩擦樁（包括端承摩擦樁）和端承樁（包括摩擦端承樁），因此要提高單樁承載力，首先考慮的就是增大樁側(cè)摩擦阻力（增大樁徑）和樁端承載力（采用擴底樁）。為順應(yīng)降低樁基礎(chǔ)工程造價，提高工程經(jīng)濟效益等形勢，結(jié)合變截面鉆孔灌注樁形狀進行構(gòu)思、研究而提出擠擴支盤混凝土灌注樁（簡稱擠擴支盤樁）的樁型結(jié)構(gòu)。擠擴支盤樁由樁身、承力盤及數(shù)個分支組成，承力盤及分支數(shù)目可隨其工程及應(yīng)用領(lǐng)域不同而自由改變。

1 擠擴支盤樁的特點

擠擴支盤樁的樁型，從成孔方式角度分析，屬于鉆孔灌注樁形式的一種；從其承載特性分析，屬于摩擦端承樁；從樁身直徑分析，它是一種變直徑樁；從承載功能方面分析，它既是一種可靠的抗壓樁，也是一種理想的抗拔樁。擠擴支盤樁與其他樁型相比具有以下特點［1－3］。

a.通過沿樁身不同部位來設(shè)置支盤，改變了樁的受力機理，增加了樁身的受力支點，從而更為有效地控制了建筑物的沉降變形。

b.有效減小樁徑與樁長，減少了單樁混凝土用量，具有明顯的經(jīng)濟效益。

c.能夠適應(yīng)各種土質(zhì)（包括黏土、亞黏土、粉土、粉砂、全風(fēng)化及強風(fēng)化的軟巖等）的土層均適合作為支盤的持力層，而且不受地下水位高低的限制，充分利用地基土承載能力，但不適用于淤泥、液化土、中粗砂、礫石、中等風(fēng)化以上硬巖及自重濕陷性黃土等土質(zhì)的土層。

d.抗水平力與抗拔力性能較好。

擠擴支盤樁也存在施工時間相對較長、樁端沉渣較厚、設(shè)計參數(shù)及承載力計算公式不完善，以及對施工后樁身完整性檢測要求高等缺點，但因其具有提高樁基承載力、工后沉降小、經(jīng)濟效果顯著等優(yōu)點，具有較大的使用空間和發(fā)展前景。

2 擠擴支盤樁單樁承載力計算

擠擴支盤樁的承載機理：首先是分層受荷，即利用樁周土中較好的土層，將荷載通過支盤傳遞到土層上去；其次是擠擴結(jié)果，在形成支盤的過程中，使支盤上下端土體得到壓密，提高土體的壓縮模量和內(nèi)摩擦角，故使土的物理力學(xué)性質(zhì)必然要優(yōu)于原狀土［4］。在承力時，由于支盤周邊土體預(yù)先受到壓密，類似于結(jié)構(gòu)中“預(yù)應(yīng)力”作用，化被動受力為主動受力，使土體的豎向承載力有所提高，進而提高了單樁承載力。在樁頂豎向荷載作用下，擠擴支盤樁的受力狀態(tài)見圖1。支盤下斜面既有正壓力N的作用，又有摩阻力f的作用，擠擴支盤樁的單樁承載力由樁側(cè)摩阻力、樁端阻力和支盤阻力三部分組成。

圖1 擠擴支盤樁受力示意圖

式中：Qk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；Qsk為單樁總側(cè)摩阻力；Qpk為樁端阻力；Qzk為支盤總端阻力；u為樁身周長；li為樁側(cè)第i層土平均有效厚度；Ap為樁端面積；ξ為摩擦阻力修正系數(shù)；η為支盤端阻力修正系數(shù)；qski為第i段樁的極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qzkj為第j個支盤所在位置的土層極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qpk為樁端極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；Azi為支盤在水平面上的投影面積。

摩擦阻力修正系數(shù)ξ是考慮到在荷載的作用下，支盤上端土體處于脫空狀態(tài)，而下端土體受荷被壓密，支盤的上下端一定范圍內(nèi)的土體摩阻力會有不同程度的降低；端阻力修正系數(shù)η主要考慮以下因素：擠擴支盤時對支盤周圍土的擠密效應(yīng)；多支盤時土應(yīng)力疊加效應(yīng)；多支盤時的“架空”效應(yīng)。文獻［4］對兩個修正系數(shù)進行了分析，得出無論乘以承載力修正系數(shù)與否，計算得出的承載力與實測值均較吻合。

DJGJ（2000）《火力發(fā)電廠支盤樁暫行技術(shù)規(guī)定》根據(jù)土的物理性質(zhì)指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系，提出支盤樁單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk采用公式（2）計算：

式中：qsik為樁第i層土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qpik為樁第i層土的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；Api為扣除主樁樁身截面面積的支盤的水平投影面積；Ψpi為支盤極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值的修正系數(shù)，可按表1取值。

表1 支盤極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值修正系數(shù)Ψpi

式（2）中未考慮支盤對主樁上下端側(cè)摩阻力的影響，li計算時僅減去盤根高度，但類似于公式1，公式2仍對支盤端阻力進行了修正，支盤端阻力標(biāo)準(zhǔn)值的修正系數(shù)Ψpi≤1。

以上兩種公式均是根據(jù)工程實踐總結(jié)得出，不同之處在于公式中對樁側(cè)摩阻力和主盤端阻力的修正給出了不同的修正系數(shù)；相同之處是單樁承載力的組成部分均未考慮支盤外形尺寸和施工質(zhì)量等對支盤端阻和側(cè)阻的影響。

影響擠擴支盤樁承載性能的支盤外形尺寸參數(shù)主要為支盤直徑和與樁身接觸部分支盤截面高度。前者會直接影響到樁的抗壓承載力，后者的合理取值則可保證支盤與樁身接觸部分截面在樁頂荷載與支盤端阻力差值作用下不發(fā)生剪切破壞。樁基工程作為隱蔽工程，施工質(zhì)量控制尤為關(guān)鍵。擠擴支盤樁應(yīng)對施工質(zhì)量提出更高要求，主要基于如下考慮：樁外形尺寸及截面較其他樁型復(fù)雜，對施工方法、器械及其他技術(shù)條件的要求更為嚴格；從單樁承載力計算公式中可以看出，支盤承載力作為單樁承載力重要組成部分，其施工質(zhì)量（包括成形、注漿密實度和施工時孔底沉渣清理效果等）的優(yōu)劣會對樁承載性能造成顯著影響。

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建議在單樁承載力計算中考慮支盤外形尺寸和施工質(zhì)量的影響，針對支盤外形尺寸對樁承載力的影響可定義一個新的參數(shù)，對樁承載力進行修正，參數(shù)定義時應(yīng)考慮不同外形尺寸支盤的施工工藝與質(zhì)量，也可以根據(jù)支盤外形尺寸及施工工藝的不同分類給出。

3 工程實例

哈薩克斯坦某電廠鍋爐基礎(chǔ)設(shè)計所采用的樁基礎(chǔ)，受地質(zhì)條件及施工機械等因素影響，樁型采用擠擴支盤樁，樁徑820mm，有效樁長20.70m，樁中心距2 460mm，設(shè)有兩個直徑1.6m，高0.8m 的支盤，樁示意圖、支盤位置以及土層情況見圖2。

圖2 擠擴支盤樁示意圖

擠擴支盤樁的施工過程：先壓入直徑為820 mm 的鋼質(zhì)套筒，壓入一定深度便進行鉆孔取土，直至達到設(shè)計樁長；然后拔出套筒并由下至上進行擴盤，最后放入綁扎好的鋼筋籠并澆筑混凝土。

施工方委托當(dāng)?shù)貦z測單位對施工后的樁進行了樁基承載力檢測。根據(jù)現(xiàn)場情況及具備的條件，單樁豎向抗壓靜載試驗采取錨樁反梁法，試驗用千斤頂最大量程為7 200kN，單樁在加載過程中的沉降用千分表觀測，試驗樁與錨固樁（均為工程樁）示意圖見圖3。

圖3 試驗樁與錨固樁相對位置

試驗采取分級加載的方式：第一級荷載取最大加載量的1/5，第二級荷載為第一級的兩倍，第三級荷載取第二級荷載加1/10的最大加載量，第四級及之后各加載步驟，荷載增量均為最大加載量的1/20，直至加載到預(yù)定荷載。最大加載量初定5 145 kN。樁沉降量觀測方法：裝好位移計并調(diào)試完成后，記下初始讀數(shù)，第一步加載完成后立即記下千分表的讀數(shù)，之后每隔30min讀一次，連續(xù)3次之后改為每隔60min讀一次，直至千分表讀數(shù)變化趨于穩(wěn)定。對于樁底位于半固態(tài)或硬塑黏土層的樁，若千分表的讀數(shù)在60min前后之差小于0.1mm，則視為此樁變形趨于穩(wěn)定，可進行下一步加載；若樁身在某一級荷載作用下沉降量超過40mm，則試驗結(jié)束。卸載亦采取分級卸荷的方式。樁頂在各級荷載作用下的位移見表2，表中樁身位移為負值。由于試驗用千斤頂加載方式為手動，所以表2中各級荷載下樁身總位移由加載過程中位移和持荷過程中位移兩部分組成。

表2 樁頂在各級荷載作用下的位移

從表2中可以看出，樁頂在各級荷載作用下的位移增量有持續(xù)增加的趨勢，增量在荷載加至預(yù)定荷載的70%左右時達到最大，之后隨荷載的增加有所減小，這與擠擴支盤樁的變形特性密切相關(guān)。各級荷載作用下樁頂位移增量的減小意味著：隨著荷載的不斷增加，從樁側(cè)摩擦阻力起主要作用逐步轉(zhuǎn)換為支盤端承力起主要作用。荷載P與樁頂位移S的關(guān)系曲線見圖4。

圖4 試驗樁P－S 曲線

文獻［7］對三根樁徑700mm，有效樁長24m，設(shè)有兩個直徑1.8m、高1.65m 的支盤的擠擴支盤樁進行了承載力檢測試驗，并將三根樁的荷載位移曲線與普通灌注樁進行對比，對比結(jié)果見圖5。

圖5 三根擠擴支盤樁與普通樁P－S 曲線對比

從圖5中可以看出，初始階段幾條曲線重合在一起，當(dāng)荷載超過總加載量的20%左右時，曲線分離；而當(dāng)荷載達到50%的最大加載量時，普通灌注樁隨著加載量的不斷增大，樁頂位移增量明顯加大，曲線成驟降趨勢；而1號、2號、3號支盤樁的曲線略呈S形。隨著加載的結(jié)束，位移增量呈現(xiàn)小幅下降，這說明擠擴支盤和樁側(cè)摩擦阻力之間存在互補的關(guān)系。隨著荷載的不斷增大，樁側(cè)摩阻力逐漸達到極限，樁土之間產(chǎn)生一定的相對位移，此時支盤才更有效地發(fā)揮端承作用。

結(jié)合文獻［7］的試驗結(jié)果，與圖4的曲線形狀作對比，本工程試驗樁試驗結(jié)束時的荷載P約為文獻［7］中的50%，從圖4曲線的發(fā)展趨勢和樁頂位移上分析，不難得出：本工程試驗過程中，擠擴支盤樁上支盤剛剛發(fā)揮作用，下支盤未起明顯作用，單樁實際極限承載力在滿足樁頂位移限制的前提下會高于試驗預(yù)定極限荷載，依此檢測結(jié)果可能會導(dǎo)致該工程單樁承載力得不到充分利用。

由于現(xiàn)場沒有試驗樁，因此直接用工程樁進行樁基承載力檢測，而檢測單位初定的極限荷載偏于保守，建議現(xiàn)場加設(shè)試驗樁，以較為準(zhǔn)確地得到單樁豎向極限承載力。

4 結(jié)論

a.在合適的地質(zhì)條件下，擠擴支盤可提高單樁承載力，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

b.在計算擠擴支盤樁單樁承載力時，除通過試驗進一步完善支盤對樁側(cè)摩阻力影響系數(shù)和支盤端阻力修正系數(shù)外，還應(yīng)考慮支盤外形尺寸和施工質(zhì)量等對支盤端阻和側(cè)阻的影響。

c.對本文工程用擠擴支盤樁單樁承載力檢測試驗結(jié)果進行分析，得出初定極限荷載偏于保守，樁仍具備繼續(xù)承載的能力，依此檢測結(jié)果可能會導(dǎo)致該工程單樁承載力得不到充分利用。

［1］ 張忠苗.樁基工程［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］ 龔曉南.地基處理新技術(shù)［M］.西安：陜西科技出版社，1997.

［3］ 崔江余.支盤擠擴混凝土灌注樁受力機理及承載力性狀的試驗研究［D］.北京：北方交通大學(xué)碩士論文，1996.

［4］ 錢德玲.擠擴支盤樁受力性狀的研究［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22（3）：494－499.

［5］ 盧凱其.多分支盤樁的應(yīng)用于評價［J］.土工基礎(chǔ)，1997，11（2）：51－53.

［6］ 吳興龍，李光茂，魏章和.DX 單樁承載力設(shè)計分析［J］.巖土工程學(xué)報，2000，22（5）：49－54.

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