探讨钻孔扩底灌注桩的承载性状与设计

　　摘要：大直径扩底灌注桩以其承载力高、沉降小等优点，在高层建筑等重要工程中得到广泛应用，但在水利水电工程应用较少。本文简述钻孔扩底灌注桩的基本原理，通过荷载试验成果分析扩底灌注桩的沉降特性，探讨了扩底桩与直桩之间的受力和破坏机理，研究扩大头桩后压浆机理。结合工程实例，通过与人工挖孔直桩的对比，分析钻孔扩底灌注桩的经济技术特点。并系统阐述钻孔扩底灌注桩的设计计算及其在水利水电工程应用前景。
　　关键词：钻孔扩底灌注桩,承载性状,设计计算,水利水电工程应用
　　1基本原理
　　钻孔扩底灌注桩是在钻孔灌注桩的基础上发展起来的。施工时先用普通钻孔桩钻头（直状）遵循一般钻孔方法按桩身直径钻进至设计持力层，然后提取钻具，将普通钻头更换为特制的扩底钻头至孔底，通过加压使扩底钻头的两翼张开并使之旋转、切削岩土层来扩大桩底直径形成扩大头，待扩底直径达到设计要求后放入钢筋笼，灌注混凝土，形成底部具有扩大头的钻孔扩底灌注桩，以提高桩端承载力。
　　与普通钻孔灌注桩相比，扩底桩的关键性技术问题有：（1）扩底及扩底钻进；（2）扩底端孔壁的稳定；（3）扩底端孔底沉渣厚度的控制（清孔）；（4）扩底尺寸参数的检测；（5）超大初灌量混凝土的灌注。
　　2钻孔扩底灌注桩的承载性状
　　2.1荷载－沉降特性
　　某径流式水电站安装间地基土层自上而下分别为杂填土、粉土、粉细砂。其中杂填土地层埋深4.2～6.2m，粉土底板埋深7.0～8.3m，粉细砂地层埋深7.0～8.3m。该工程采用钻孔扩底灌注桩和直桩，两种桩型的桩身直径、桩长以及所穿过的土层和持力层等基本相同，但荷载－沉降曲线却
　　有很大区别。图1
　　图1中显示，扩底桩的沉降曲线远比直桩平缓，说明扩底桩具有良好的端承性状。当桩顶沉降为30mm时，扩底桩的桩顶荷载为直桩桩顶荷载的5.5倍；当桩顶荷载都为2700kN时，扩底桩的桩顶沉降仅为直桩桩顶沉降的5％左右。经初步估算，如果以桩顶沉降30mm为极限状态，扩底桩比直桩每多用1m3混凝土时，桩顶极限承载力可提高1746kN。
　　                     
　       　图1扩底桩与直桩的荷载----沉降曲线
　　2.2破坏机理
　　图2为大直径扩底桩的受力示意图。由于拉裂缝的出现，使得摩阻力和端阻力处于分离状态，与直桩的受力和破坏机理不同。
　　  
　　                         图2扩底桩的受力原理图
　　普通直桩的破坏模式一般属于深层剪切破坏和刺入破坏，变形主要表现为剪切变形，桩端承载力由地基抗剪强度控制；而大直径扩底桩在竖向荷载作用下，地基以竖向压缩变形为主，基底土被压缩，基底两侧土体出现拉应力区，荷载大时出现伞形拉裂纹，大变形时也未观察到连续的滑动面和整体的剪切破坏。而在扩大头上方有脱空现象，桩基的变形明显表现为基底土压缩变形，所以桩基的承载力由变形控制，这是大直径桩不同于普通桩的主要特点。在竖向荷载作用下，桩底应力一般以持力层土的内摩擦角向下扩散，从而引起桩端下土层压缩。
　　2.3扩大头桩后压浆机理
　　由于扩大头增加了清渣的难度，或遇到松散土体做持力层时，扩大头不易形成。此时可采用孔底高压注浆技术，使压浆后单桩承载力显著提高。桩端扩大头后压浆能够提高扩底桩的承载力，其主要机理是：（1）改善持力层条件，提高桩的端承力；（2）大幅度提高桩侧摩阻力；（3）改善持力层的受力状态和荷载传递性能。
　　3钻孔扩底灌注桩的设计
　　3.1桩长设计
　　扩底桩是基于增大扩大头来增加桩端承载力，桩的侧摩阻力在这类桩的承载力中所占比例一般不超过30％，在桩长较短和持力层强度较高时可降至10％左右。桩端持力层的类型及物理力学性质对扩底桩承载力的影响较大，一般要求以地基承载力较高的粘土或砂卵（砾）石层以及强风化或弱风化岩层作为扩底桩的持力层。
　　桩长与地质条件、桩端间净距、施工条件、持力层埋深及嵌岩深度有关。规范规定灌注桩孔深不宜大于40m，钻孔扩底灌注桩桩长一般为10～25m。对嵌岩深度的确定，应考虑各类持力层中成桩的可能性和提高桩端阻力的要求，如桩端以下3倍桩径深度范围内应无软弱夹层、断裂破碎带和溶洞分布，在桩底应力扩散范围内无岩体临空面，另外还应满足建筑物整体稳定所需的抗滑要求和抗震要求。
　　3.2单桩竖向承载力计算
　　《建筑结构设计规范》按下式确定单桩容许承载力：
　　（1）
　　
　　式中，α、β为地基系数与桩径折减系数，α对砾石和硬粘土取1，对砂取0.85，β=1-（×0.3）为桩底上4d及桩底下d范围内平均标贯击数（d为桩身直径）；Ap为桩端计算面积，根据桩底直径比施工直径小20cm的值计算；Ns为桩周砂土标贯击数平均值，Ns≥25时取25；LS和LC为桩周砂土和粘性土层厚度；qu为桩周粘性土不排水抗剪强度平均值；ψ为计算桩侧阻力部分桩的桩长；为桩身混凝土重减去桩排土重。
　　根据受力机理，设计时可通过对桩的侧摩阻力和桩端承力机理，按式（2）计算其单桩竖向承载力。
　　Ra=ξsπdΣqsikli+ξpψrqpkAp（2）
　　式中，ξs、ξp分别为桩周土侧摩阻力特征值和桩端直桩土承载力特征值的修正系数；qsik为桩周土侧摩阻力特征值；qpk为桩端土承载力特征值；li为计算桩侧摩阻力部分桩周土层厚度；d为桩身直径；ψr为折减系数，根据岩体的完整性取0.3～0.5。
　　3.3单桩水平承载力计算
　　单桩水平承载力特征值取决于桩的材料强度、截面刚度、桩顶嵌固程度、入土深度及各土层的物理力学参数。在缺少单桩水平静载试验资料时，对于桩身配筋率小于0.65%的灌注桩，其单桩水平承载力设计值为：
　　（3）
　　
　　式中，±号根据桩顶竖向力性质确定，压力取“+”，拉力取“-”；Rh为单桩水平承载力设计值；α为桩的水平变形系数；γm为桩截面模量塑性系数；ft为桩身混凝土抗拉强度设计值；W0为桩身换算截面受拉边缘的截面模量；νm为桩身最大弯矩系数；An和ρg分别为桩身换算截面积及配筋率。
　　大直径扩底桩抵抗水平荷载的能力较强，尤其对设置桩帽或承台的情况，由于桩帽或承台周围土的嵌固作用，抵抗水平力的能力进一步提高。经对大量工程实践进行分析可以得出，对于一般多层框架结构房屋下的大直径扩底桩，可不进行水平承载力验算；对承受较大水平荷载建筑物的大直径扩底桩，应进行水平承载力的验算；对于受水平力较大的一级建筑桩基，应通过试验确定单桩水平承载力设计值。
　　3.4构造尺寸设计
　　扩底桩扩大头的尺寸，按通常采用的锅底形(图3)，一般取d≥0.8m，扩径比D/d≤3，为保证施工质量，实际工程设计和施工时一般取1.5～2.0；扩底矢高H1一般取（0.25～0.4）D；扩底端最大直径高度H2为0.3～0.5m，视扩底直径而定，一般取0.2～0.3m；沉渣孔高度H4一般为0.1～0.3m；扩大头放坡夹角θ不超过30°，对于粘土或砂石土类不宜超过12°，卵石或岩石类不宜超过20°，一般可取θ=10°~20°。最小桩间距为1.5D或扩大头间净距不小于0.5m。
　　                    
　　                                                               图3扩大头的结构
　　d－直孔段桩径；D－扩底最大直径；θ－扩底边锥角；
　　H1－扩底矢高；H2－扩底端最大直径高度；H3－扩底段斜边高度；
　　H4－沉渣孔高度；d1－沉渣孔直径；γ－扩底锥角
　　4结论
　　（1）施工时应严格控制扩底钻进、清孔及初灌混凝土等关键工序，并进行有效检测。
　　（2）扩底桩具有良好的端承性状，在竖向荷载作用下，地基以竖向压缩变形为主，桩基承载力主要由变形控制。
　　（3）后压浆技术可改善持力层条件，提高桩侧摩阻力，改善持力层的受力状态和荷载传递性能，从而提高扩底桩的承载力。
　　（4）径流式水电站厂房一般位于河边冲积层上，覆盖层较厚，水电站厂房的安装间一般不能置于岩基之上。安装间荷载较大，对沉降控制要求严格。钻孔扩底灌注桩具有较好的适应性和良好的经济效益。