（岩土工程专业论文）挤扩支盘桩承载力影响因素研究及数值模拟.pdf

摘要 摘要 挤扩支盘灌注桩是在原等截面混凝土灌注桩的基础上，通过专用液压设备在 桩的不同深度挤压土层形成分支或承力盘，部分改善了地基土的物理特征、力学 指标；有效地增加桩基的端承面积，将原来只有一个端承点的端承摩擦桩改变为多 个端承点的摩擦端承，从而改变了桩的受力机理，充分发挥各层土的作用，桩的 竖向承载力高，受荷变形小，抗震性能良好。 本文完成的主要工作和得到的结论如下： ( 1 ) 具体介绍了挤扩支盘灌注桩的研究现状及存在的问题，总结了挤扩支盘 灌注桩的桩型设计和施工工艺要点。 ( 2 ) 对挤扩支盘桩的成桩机理，荷载传递特性及破坏机理进行了理论分析。 ( 3 ) 介绍了支盘桩承载力及沉降的确定方法，对挤扩支盘桩承载力的主要影 响因素进行了全面分析。 ( 4 ) 通过采用大型有限元软件对在设计中影响支盘桩承载力及承载特性的支 盘下倾角，支盘形状及盘间距进行数值模拟并分析，为提高支盘桩的承载性能和 经济效益找出有价值的规律。 关键词：挤扩支盘桩；承载力；有限元分析；荷载传递特性； 摘要 a b s t r a c t s q u e e z ee x p a n d i n gb r a n c hc a s t - i n - p l a c ep i l ei san e wt y p eo fp i l em o d i f i e df r o m t h ec o n v e n t i o n a lc o n s t a n tc r o s s s e c t i o nc o n c r e t ec a s t - i n - p l a c ep i l e t h ep h y s i c a l p r o p e r t i e sa n dm e c h a n i c a li n d e xo ft h ef o u n d a t i o na r ei m p r o v e ds i n c et h eb r a n c h e so r l o a db e a r i n gb l o c k sa r ef o r m e db yt h es q u e e z i n go fs o i la td i f f e r e n td e p t h so ft h ep i l e 谢ms p e c i a lf l u i dp o w e re q u i p m e n t s ，a tt h es a m et i m e ，t h ef o r m e rf r i c t i o ne n db e a r i n g p i l ew i t ho n eb e a r i n gp o i n ti st r a n s f o r m e di n t oe n db e a r i n gf r i c t i o np i l e 、析t l ls e v e r a l b e a r i n gp o i n t s ，s ot h es t r e s sm e c h a n i c si sv a r i e d ，t h eb e a r i n gc a p a c i t yo fe a c hs t r a t u m i sf u l l yu t i l i z e d ，t h ev e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ep i l ei se n h a n c e d ，i t sd e f o r m a t i o n u n d e rl o a d si sr e d u c e dc o r r e s p o n d i n g l y , t h ee a r t h q u a k er e s i s t a n c eo ft h ep i l ei sg o o d t h em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o no ft h ep a p e ra r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) i n t r o d u c e dt h ec u r r e n ts i t u a t i o ni nr e s e a r c ha n di s s u e so fs q u e e z ee x p a n d i n g b r a n c hc a s t i n - p l a c ep i l e ，a n ds u m m e du pt h em a i np o i n t so f s h a p ed e s i g na n d c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo ft h ep i l e ( 2 ) t h em e c h a n i c so fc o n f e c t i o n i n g ，l o a dt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i ca n df a i l u r e m e c h a n i s mo fs q u e e z ee x p a n d i n gb r a n c hc a s t - i n p l a c ep i l ei sa n a l y z e d ( 3 ) t h em e t h o d so fd e t e r m i n et ob e a r i n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n ta l ei n t r o d u c e d t h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so fb e a r i n gc a p a c i t yo fs q u e e z ee x p a n d i n gb r a n c h c a s t - i n - p l a c ep i l ea r ea n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e ( 4 ) b a s eo nt h ef m i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h em a j o rf a c t o r st h a ta f f e c tt h eb e a r i n g c a p a c i t ya n dw o r kb e h a v i o ro fm u l t i - b r a n c hp i l ea l es t u d i e dt of r e do u tt h ev a l u a b l e r e g u l a r sw h i c hc a ni m p r o v et h eb e a r i n gc a p a c i t ya n de c o n o m i ce f f i c i e n c yo ft h e m u l t i b r a n c hs q u e e z e dc a s t i n - s i t ep i l e k e y w o r d s - m u l t i - - b r a n c hs q u e e z e dc a s t - - i n - s i t ep i l e ；b e a r i n gc a p a c i t y ； f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；l o a dt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c - i i - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名： 拯圣 日期：坦早年j 月兰日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞邀垄三太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名：澎 铆1 签字日期：瑚7 年月伊日 签字日期：矽年石月j 百 1 绪论 1 1引言 1绪论 随着城市经济建设的迅猛发展，城市的中和高层甚至超高层建筑越来越多， 因此，对建筑物基础设计的要求也越来越高。由于桩基础承载力高，尤其是控制 建筑物整体沉降小的特点，在工程建设中已经被广泛应用。据不完全统计，我国 年用桩量达1 0 0 万根以上，这一数值足见桩基工程的地位和重要性了。 随着岩土工程技术的不断发展，桩基技术也日趋成熟，但是，由于高层建筑 的兴起和工程地质条件的日趋复杂，工程中对桩的要求也不断提高，如工程质量 要高，施工进度要快，承载力要高，沉降量要小，造价要低等要求迫使工程科技 人员对桩基技术进行更深入的研究，在工程实际中，先后设计出各种异形桩如结 节桩，扩底桩，多级扩径桩，变截面桩等，以提高桩的承载力和满足各种工程建 设的需要。 挤扩支盘桩【l 】就是桩基科技与工程技术人员在生产实践当中创造出来的一种 新桩型，他的诞生给桩基工程带来了新的活力。挤扩支盘桩技术是原有等截面混 凝土灌注桩分析研究树根结构特点采用仿生原理发展而来的，又称“多级扩盘桩 “多支盘钻孔灌注桩 或“d x 桩，其成功的运用和发展的基础是八十年代末俊 华集团的张俊生先生发明的支盘挤扩成形的液压设备支盘机。 图1 挤扩支盘桩造型图 f i g lm o d e l i n gd i a g r a mo fm u l t i - b r a n c hs q u e e z e dc a s t - i n s i t ep i l e 1 绪论 1 2 挤扩支盘桩的特点 挤扩支盘桩是在普通直线型灌注桩基础上，依靠机械外力在桩孔适当位置， 将孔壁纵向挤扩成垂直分支或盘而成，在支盘挤成空腔同时将周围土体挤密，经 过挤密的周围土体与腔内灌注的钢筋混凝土桩身及支盘紧密的结合为一土体，发 挥了桩土共同承力的作用，从而使桩的承载力比普通直线型灌注桩大幅度的增加， 所以，与普通灌注桩相比，有如下特点： 1 无环境效应 支盘桩是在普通钻孔灌注桩的基础上利用专门的挤扩设备成桩的，因此，施 工过程中仍然具有钻孔灌注桩的无噪音和振动的特点。 2 竖向承载力大幅度提高 首先，由于支盘桩的桩径多级扩大，使得桩体与土体的接触面积增大；其次， 挤扩设备在挤扩过程中，对周围土体进行了挤密，使桩周围土体的强度【2 】提高， 在承受荷载时，充分调动了地基土的储备力量。因此，桩的竖向承载力大幅度提 高，这是其他其他桩型不可能实现的。下表是福州白马路南路3 栋9 层框架结构 楼房试桩的极限承载力结果表【3 】，可以看出，挤扩支盘桩在承载力得到了显著的 提高。 表1 试桩数据成果表一嘲 t a b l e lt e s tp i l ed a t et a b l e l 桩型 桩长( m )桩径( m m )盘径( m m )极限承载力( k n ) 二盘 3 1 6 0 01 5 0 04 5 0 0 一支二盘3 46 0 01 5 0 05 4 0 0 四盘 3 2 6 0 0 1 5 0 06 6 0 0 普通直线型 3 76 0 03 3 0 0 3 经济效益明显 支盘桩的最大优点是承载力成倍的提高。因此，在相同设计荷载下，与直杆 桩施工图设计相比，可以通过缩短桩长，减少桩数或桩径来达到降低造价的目的， 经计算和分析，整个工程造价一般可以节省3 0 - - - 5 0 ，如表2 所示。 2 1 绪论 表2 试桩数据成果表二町 t a b l e 2t e s tp i l ed a t et a b l e 2 单方混凝土承载力 桩型 桩长( m )桩径及盘径( 彻咀)极限承载力( k ( k n m 3 ) 二盘 3 l 6 0 0 ( 1 5 0 0 ) 4 5 0 06 1 2 一支二盘 3 4 6 0 0 ( 1 5 0 0 ) 5 4 0 04 9 7 四盘 3 2 6 0 0 ( 1 5 0 0 ) 。 6 6 0 04 7 3 普通直线型 3 7 6 0 03 3 0 03 1 0 4 先进的施工工艺 4 1 新一代的挤扩机具有智能型多功能三支挤压效果，并装备了液压自动旋转系 统，压力传感器，角度传感器，通过双向液压油缸，弓压臂始终对土体进行3 d 方向挤压，并在土体中形成支( 盘) 状腔膜。由于受到挤压，在腔膜四周土体无 松动现象，同时，压力传感器，角度及位移传感器观察并记录被挤压土体承载力 情况和成型情况，施工方便，安全可靠。如图2 支盘挤扩设备简图及图3 施工工 艺流程图。 蘸压站 高压瓶量 图2 支盘挤扩设备简图 f i 9 2e q u i p m e n td i a g r a mo fm u l t i - - b r a n c hs q u e e z e dc a s t - i n - s i t ep i l e 3 1 绪论 图3 挤扩支盘桩施工工艺流程图 f i 9 3c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yf l o w c h a r to fm u l t i - b r a n c hs q u e e z e de a s t - i n - s i t ep i l e 5 承载力的可调性 在地层条件和场地一定的情况下，支盘桩可以通过调整自身支盘大小，支盘 数量，支盘问间距，支盘角度，设盘土层等来调整支盘桩的承载力大小，使支盘 桩的承载力性能发挥到最大，以达到工程设计的要求，节省工程开支。 6 验证静探资料 在挤扩设备挤压土体的同时，弓压臂是通过液压控制的，土层性质的好坏可 由液压表读数的大小反映出来，一般情况下，挤压过程中油压数值越大，说明土 层性质越好，承载力越大，成盘以后，支盘端阻力也越大。因此，挤压过程也相 当于静力触探，成盘作业的挤扩压力值反映了各土层的软硬程度，既可验证勘探 资料的可靠性，也可了解支盘所在土层的承载力大小【5 1 ，这也是其他桩型不可能 相比的。 7 具有抗震及承受活荷载的功能 由于挤密作用各支盘与土体相互嵌固的较牢，具有较好的稳定性，故而使 支盘桩竖向承载力、抗拔力及水平推力都相应地提高，对承受动荷载的桥梁桩基、 重型工业厂房、大吨位行车、大跨度柱下的桩基和抗震设防建筑桩基的稳定性均 具有良好的作用。 8 能适应各类土层的性质 4 1 绪论 内陆冲积平原和洪积平原、沿海及河口部位的海陆交互层和三角洲平原下的 硬塑粘性土、密实粉土、粉细砂或中细砂层等均适合作为支盘桩的持力层，而且 不受地下水位高低的限制。 9 成桩工艺适用范围广 支盘桩适用于泥浆护壁成孔工艺、干作业成孔工艺、水泥注浆护壁成孔工艺 和重锤挤扩成孔工艺等。 1 3 挤扩支盘桩的适用性与不适用性 1 3 1 挤扩支盘桩的适用性1 1 该工艺在软弱粘性土、淤泥质土中施工，成桩长度一般为l o 4 0 m ，桩径 可达3 0 0 - - - 8 0 0 m m ，采用沉管加填料挤密成型，达到防渗、防缩颈及加强地基、减 少地基变形的作用。 2 该工艺在粘性土、地下水位以上施工，成桩长度一般由成孔深度而定，桩 径可达3 0 0 一- , 8 0 0 m m ，采用长、短螺旋钻造孔，原位挤压成型，达到提高地基强度、 节约原料、缩短工期、减少沉降的目的。 3 该工艺在砂土中施工，成桩长度小于5 0 m ，桩径可达3 0 0 - - - 8 0 0 m m ，采用反 循环泥浆护壁成孔，原位挤压成型，达到缩短桩长、节约材料、缩短工期的目的。 4 该工艺在卵砾石层中施工，成桩长度一般由成孔深度而定，桩径可达3 0 0 - - 8 0 0 m m ，采用反循环泥浆护壁成孔，达到提高承载力、缩短桩长、节约材料、控制 变形的作用。 5 该工艺在地下水位以下粘性土中施工，成桩长度一般由成孔深度而定，桩 径可达3 0 0 8 0 0 m m ，采用正、反循环机械成孔，挤压成型，达到缩短桩长、提高 地基承载力、减少沉降的目的。 1 3 2 挤扩支盘桩的不适用性 1 很厚的软土层( 含无持力层夹层) 不宜应用挤扩支盘桩 因为挤扩支盘桩主要是将桩身受摩阻力的性状，局部改变成挤扩支盘，增强 桩的支托承载力，这是挤扩支盘桩的独特优点，如果桩身很深的土层内没有能设 支盘的持力层土( 一般软土层的深度不超过2 0 m ) ，采用挤扩支盘桩效果不显著， 经济效益也不会好，所以最好不宣采用。如果在软土层内有2 - 3 层能作持力层的 好土夹层，挤扩支盘桩就利用夹层内的好土设支盘，此时挤扩支盘桩宜在这种软 5 1 绪论 土层中采用。 2 孤石和障碍物多的地层不宜采用 主要原因是容易发生如下工程质量事故： 1 ) 挤扩支盘桩不能全部沉至设计持力层，有时在同一工程内，有的桩可打至 持力层，有的桩打不下去，桩长相差很多； 2 ) 桩端接触孤石或地下障碍物时，桩身会突然偏离原位或大幅度倾斜； 3 ) 挤扩支盘桩端破损、桩身折断和桩端不成型。 3 有坚硬夹层时不宜应用或慎用 有些地区基岩以上的覆盖层中，存在着一层或多层坚硬夹层。所谓夹层，有 些是极密实的砂层，有些是密实的卵石层，有些是钙或砖质胶结的砾石、碎石层， 还有一些石贝壳岩化的硬夹层或贝壳碎片胶结等等。如果这些夹层厚度大且又无 软弱下卧层，可以考虑作为挤扩支盘桩的持力层。若厚度只有1 2 m 甚至几十厘 米，其下又为软弱层或一般土层，挤扩支盘桩必须穿越这个夹层直到以下坚硬的 设计持力层。但这个夹层又很坚硬，标贯试验击数有时大到1 0 0 以上，挤扩支盘 桩遇到这类夹层时，要么贯穿不了，要么桩的支盘质量不高。此时可先采用钻孔 灌注桩。当存在着较厚而密实的砂层或卵石层时，最好采用试打的方法来判断成 桩的可行性，不宜轻易采用挤扩支盘桩的方案。 在较厚而密实的砂夹层或卵石层中施打挤扩支盘桩，可能会发生以下现象和 事故： 1 ) 贯穿砂砾层的过程中挤扩压力剧增，目前设备压力难以提高。 2 ) 桩身特别是桩支盘的难度大，不成型率可高达1 0 以上。 3 ) 有的桩可贯穿夹层，而有的桩却不能贯穿，致使同一工程内的桩，持力层 不同，桩长悬殊。 采用挤扩支盘桩优点是，用桩数量可减少，桩间距可增大，桩就容易打下去。 遇有棱镜体状的砂夹层，施工时宜先打砂夹层上的桩，后打无砂夹层上的桩，这 样，有可能使挤扩支盘桩斗达到一设计持力层。总之，应针对具休情况，在设计 手段和施工方法上采取一些有效措施，尽可能减少在有夹层的场区内打桩所遇到 的麻烦。 4 石灰岩地层不宜应用 因为在石灰岩上的覆盖土层中，坚硬土层和密实砂层是不多见的，很少可作 挤扩支盘桩的持力层。而石灰岩是水溶性岩石，不存在强风化层，基岩表面就是 裸露的新鲜岩石，抗压强度高达l o o m p a 以上。在这样的工程地质条件下，高强的 - 6 1 绪论 桩机钻头也会很快被打断，所以应当严禁以石灰岩作为挤扩支盘桩的持力层。如 果石灰岩层上面有适合作挤扩支盘桩的岩土层，则另当别论。 在石灰岩地区，溶洞、溶沟、溶槽、石笋( 芽) 、漏斗等等“喀斯特”现象的 地区。在这样的工程地质条件下施工挤扩支盘桩，也会经常发生以下工程质量事 故： 1 ) 挤扩支盘桩一旦接触岩面而挤扩端承力盘，如果桩身不发生滑移，贯入度 就立即变的很小，桩身反弹厉害，挤扩支盘桩很快出现破坏现象或桩端变形，或 桩支盘不成型，或桩身断裂。有时桩端不成型，桩身混凝土也随着浇灌混凝土而 破坏，表面看起来，桩身向下浇灌混凝土，实质上用于破坏断桩桩身并将其碎块 压到四周的土中，浇灌混凝土桩入土深度只不过是各假象而已。 2 ) 桩端接触岩面后，很容易沿倾斜的岩面沿移。有时桩身是突然倾斜，桩断 后容易被发现；有时却是慢慢倾斜，到一定的时候桩身便会被瞥断，往往不易发 现。如果上覆十层浅而软，桩身还会明显跑位。 3 ) 施工时桩长很难控制，桩身尺寸标高控制相当困难。有些桩正好落在岩顶 上，有的却陷在深深的溶沟内，同一工程内的桩长很不一致。 4 ) 桩端只是坐落的基岩上，无法嵌入基岩中，稳定性较差。有些桩的桩端只 有一部分落在岩面上而另一部分却悬空，所以桩的承载力也很难得到保证。 5 从松软突变到特别坚硬的地层不宜应用 大多数石灰岩地层是属于“从松软突变到特别坚硬的地层，对花岗岩、砂岩、 泥岩来说，这些岩石类基岩有强、中、微风化岩层之分，挤扩支盘桩以这些基岩 的强风化层作桩端持力层是相当理想的。但有些地区的基岩中没有强风化层或强 风化岩层只有薄薄的几十厘米，且基岩上的覆土层比较松软，在这种“上软下硬， 软硬突变 的工程地质条件下打桩，挤扩支盘桩将轻易穿越覆盖层后便立即碰到 中风化岩面。这种缺层强风化岩或缺一层所谓的“缓冲层”的工程地质条件，是 不宜采用挤扩支盘桩的。 6 不能成直孔桩时也无法应用。 1 4 挤扩支盘桩的国内外研究现状 挤扩支盘桩从1 9 9 2 年开始在建筑工程中应用，十多年来，已在北京，天津， 河南，河北，安徽等近十多个省市的1 0 0 多项工程中采用。 唐业清n 1 教授( 1 9 9 2 ，北方交通大学) 主持完成了挤扩多分支承力盘混凝 土灌注桩受力机理及承载力性状试验研究课题，提出用标贯击数计算挤扩支盘 7 1 绪论 桩公式。 卢成原( 浙江工业大学) 等通过对试验挤扩支盘桩桩周土开挖取样做室内土 工试验，得出挤扩分支盘挤压应力对桩周土挤密效应所引起的土干密度变化规律， 提出了挤密效应综合影响系数的概念和设计时应注意的问题。 中国水利水电科学研究院口3 ( 1 9 9 4 ) 对挤扩支盘灌注桩周围土的挤密效果做 了深入研究，得出不同土层的挤密效果和成型规律。 顾晓鲁教授( 1 9 9 5 ，天津大学) 对软土地区挤扩支盘灌注桩的传力机理和竖 向承载力做了研究，为沿海软土地区应用挤扩支盘桩提供了经验。 卢其凯( 1 9 9 7 ) 通过试验研究分析了挤扩支盘灌注桩的承载力确定方法。 刘继良( 1 9 9 8 ) 通过工程实例。分析总结出了挤扩支盘灌注桩在北方地区的 应用。 黄根生阳1 ( 1 9 9 8 ，中国地质大学) 运用荷载传递分析法，结合工程实例对多 级挤扩钻孔灌注桩的荷载传递特性进行了分析，并给出了承力盘的荷载传递函数。 崔江余n ( 1 9 9 9 ) 通过挤扩支盘桩的试验研究，分析探讨了该新型桩荷载沿 桩身传递规律，试验研究表明，挤扩支盘桩可满足工程上高层建筑承载力高，沉 降量小的要求。 吴兴龙嘲( 2 0 0 0 ) 根据挤扩支盘桩实际受力情况，研究分析了承力盘周边土 体的应力应变及位移关系以及土体受到的挤压过程和变化规律，分析了挤扩支盘 桩承力盘的形成机理，指出承力盘的形成过程就是携带能量的支或盘周边土体阻 力运动而消耗能量的过程，挤扩支盘桩的扩大盘不能无限扩大，受到土体的压缩 模量和土体侧压力的制约。 张延庆，占永亮( 2 0 0 1 ，北京工业大学) 从建筑工程应用实际出发，利用原 位剖面观测和试验的方法，分析了液压挤扩支盘桩的成型过程对周围介质土的影 响范围，探讨了挤扩支盘桩的承载特性。结论指出，挤扩支盘桩支盘的荷载传递 特性与桩侧摩阻力传递特性相似，从而进一步研究挤扩支盘桩的理论分析模式和 数值计算模型奠定了基础，同时文中还提出了支盘设置效益系数的概念，以考虑 支盘成型过程中桩周土承载力提高的幅度。 钱德玲m 删( 2 0 0 0 ，合肥工业大学) 用分层总和法计算了桩端以下压缩层范 围内地基土的沉降，并根据抗拔试验首次导出不同盘间距情况下挤扩支盘桩抗拔 承载力计算公式，结合工程实例，指出挤扩支盘桩的抗拔承载力主要取决于支盘 阻力，为挤扩支盘桩的抗拔设计提供了理论依据。 樊良本教授( 2 0 0 2 ，浙江建筑) 在对浙江地层条件下如何应用挤扩支盘桩做 8 1 绪论 了深入研究，并通过对具体工程的数据分析认为杭州的粉性土和砂性土是应用挤 扩支盘桩的理想地层条件，可以达到很好的技术经济效果。在合适的层位，层厚 条件下，以粘性土为主的地层中，挤扩支盘桩是可以应用的，即使在可塑状态的 粘性土中设盘，也能起到作用。但在塑性指数较大或状态较软的粘性土中成盘， 可能需要重复挤扩，影响进度。 钱德玲( 2 0 0 2 ，岩土工程学报) 指出承力盘的承力特性具有明显的时间效应 和互补效应以及与其他桩的不同点，探索了挤扩支盘桩高承载力和低沉降量的内 涵。 目前，国内外对挤扩支盘灌注桩的理论研究较少，对其受力机理分析不大充 分，因此，非常有必要做进一步的理论分析和实际工程研究。 1 5 挤扩支盘桩发展中遇到的问题及其发展趋势和前景 1 5 1 挤扩支盘桩发展中遇到的问题 虽然支盘桩在造型上类似于变截桩或扩径桩，但是在成桩机理和工艺上却不 同于他们。支盘桩在工程中的应用已经证实了它的优越性，因此，进一步研究和 完善设计理论是十分必要的，由于支盘桩使用时间短，工程实例少，测试资料少， 因此，对支盘桩的研究主要还存在以下问题： 1 挤扩支盘桩作为一种新型技术，在理论研究上尚不成熟，对于支盘桩的荷 载传递形状，受力特征，沉降特征，抗拔特征及最佳盘间距，桩间距等尚不能完 全确定。 2 缺乏单桩承载力可靠度分析。对于支盘桩承载力的可靠度分析，目前尚 无专门研究，这主要是由于试桩试验少，样本不够大，计算结果精度不高等原因 造成的。 3 尚无统一的设计及施工规范。目前，虽然支盘桩已经在十几个省市得到 认证和广泛使用，但大多数是按扩底桩设计的，支盘间距及桩间距任意确定，没 有设计依据和施工规范，因而导致普及率不高，推广应用困难。 1 5 2 挤扩支盘桩的发展趋势和前景 作为变截面或扩径桩的特例挤扩支盘桩的应用和发展，也备受广大工程 科技技术人员的特别关注。就日前支盘桩在大量工程中的应用和研究程度来看其 发展趋向和应用前景可以归纳为以下几点： 9 1 绪论 1 与直杆桩相比，支盘桩在成桩原理及造型方面突出地展现了它的合理性和 科学性，其发展前景较大。计算机应用与机械化施工相结合，将使支盘桩的施工 工艺近一步完善。地面上全自动化操作将代替繁重的人工操作，同时避免人为因 素的影响、施工既方便又安全，从而有效地缩短了工期。 2 桩的类型很多，有钻孔灌注桩、扩底桩、预制桩、结节桩等，根据不同的 地质条件及设计要求，同一工程可以选择不同的桩型。支盘桩以其承载力大、稳 定性好、工期短、造价低的优势将向其他桩型挑战。因此、随着挤扩支盘桩研究 的深入和施工技术与工艺的日趋成熟，其应用范围也将越来越广。 3 高层建筑和具有大吨位荷载的工程所需要的高承载力地基，往往因工程地 质条件的复杂性和松软土的存在而难以满足设计要求。支盘桩与筏基或箱基结合 起来组成桩筏基础或桩箱基础，无疑将会成倍地提高其承载力，因而扩 大了支盘桩的应用范围，并使其具有良好的应用前景。 1 6 本课题研究的内容，意义及其目的 支盘桩除了承载力高，沉降量小以外，还在于它的经济效益显著，因而日益 受到工程界的青睐。但是，到目前为止，人们对挤扩支盘灌注桩的技术理念和认 识还停留在初步阶段，对基本机理的认识还不够深入和全面，也未形成比较完善 的设计理论和计算方法，处于边研究边应用阶段。 本课题对挤扩支盘桩承载力影响因素的可调性结合a n s y s 有限元技术进行深 入分析研究，从而达到对挤扩支盘桩承载力设计的优化，得到的结论在实际工程 中，特别是在支盘桩合理设计中有很大的参考价值，达到了节省工程开支，缩短 工期，提高经济效益的目的。其研究内容主要分为以下几点： 1 通过对支盘下不同倾角的支盘桩进行数值模拟，分析设置不同的支盘下倾 角对承载能力及承载特性的影响，为设计合适的支盘下倾角提供理论依据。 2 通过对不同的盘径比的支盘桩进行数值模拟，得到盘径比与支盘桩承载力 及承载特性的关系，并结合经济性进行综合分析，以找出不同条件下的最佳盘径 比，提高挤扩支盘桩的经济效益。 3 通过对不同的盘间距的支盘桩进行数值模拟，得到盘间距与支盘桩承载力 及承载特性的关系，分析并讨论支盘桩的临界盘间距；同时改变土层性质，以得 出临界盘间距与土层性质之间的关系，为设计合适的盘间距提供理论依据。 1 0 2 挤扩支盘桩的竖向承载力理论 2 挤扩支盘桩的竖向承载力理论 2 1 挤扩支盘桩的成桩机理 大量工程实践证明：在桩身不同位置扩大直径，增加桩身与土层的接触面积， 其承载力都会得到提高。挤扩支盘桩正是在这种实践基础上发展起来的一种新型 技术虽然它在形态上类似于变截面桩【1 3 1 ，但在成桩机理上却不同于它们。 一般的变截面桩或多级扩径桩在成桩时是用钻机成孔，然后在桩身不向位置 处扩大桩径。常用的扩孔工具是由钻头和扩径刀杆复合组成的，即用“镰刀 挖 扩形成盘状腔模【1 4 1 ，这种变截面桩由于成盘时未对土体进行挤压，盘的上下端土 体由于“挖扩 而变得松动或产生应力释放其力学性质要比原状土体差，土的 强度也有所下降。特别是在桩顶荷载作用下，由于桩体的下沉，造成盘的上方出 现较大的松动区，而盘的下方土体则由于受压导致较大的沉降，其结果不仅造成 盘的上下方土体的摩阻力减小，而且还可能出现负摩阻力，致使盘的端阻力也减 小。单桩承载力增值并不大，效益也不明显，因此，在工程中使用的较少。 挤扩支盘桩的成桩机理首先是利用桩的中下部较好的土层，将荷载通过支盘 传递到土层上去，即分层承受荷载，逐一卸荷。使应力产生扩散。其结果，不仅 减少了桩端荷载面且还扩大了承力面积，从而达到大幅度提高承载力的目的。 由于分层承受荷载，在工作荷载作用下，传至桩端的荷载很小，保证了桩端土的 稳定性。其次，利用专制的挤扩器在钻- t l 孑l 壁上挤扩成支状或盘状腔模然后再 放入钢筋笼浇灌混凝土后即成支盘桩。挤扩结果，使支盘上下端土体得到了压 密，减少了压缩量提高了内摩擦角和压缩模量其物理力学性质高于原状土。 在承力时，由于支盘周边土体预先得到压密。类似于“预应力 作用【1 5 】，减小了 土体的压缩量。结果使土体的竖向承载力及抗拔力都成倍地提高。 由挤扩支盘桩成桩机理我们可以看出，在成桩过程中，挤密效应对桩承载力 提高的作用是非常巨大的，在挤扩过程中，弓压臂携带能量对四周土体做功，迫 使土颗粒移动。根据土体中的孔隙水压力、挤压应力和应变的关系弓压臂对土 体的作用可分为两个阶段。 2 挤扩支盘桩的竖向承载力理论 _ ， ， ， ： ， 。 成孔 挤扩成支盘 放笼 成桩 图4 挤扩支盘桩成桩过程图司 f i 9 4p i l e - f o r m i n gf l o w c h a r to fm u l t i - b r a n c hs q u e e z e dc a s t - i n - s i t ep i l e 1 挤压阶段 挤扩初期，土体以水平向位移为主，挤密或推动前方土颗粒。随着弓压臂的 张开，土颗粒逐渐向前和向上下方运移。当弓压臂张开到最大时，弓压臂上下端 土体受挤压作用最强，挤密效果最好。在挤压应力口的强迫作用下，孔隙水压力 u 上升。但由于挤压应力大于孔隙水压力，有效应力将迫使土体产生塑性变形， 原状结构被破坏。对于砂土，有效应力将迫使土颗粒在移动过程中重新排列组合， 达到紧密堆积状态、土体的密度、强度增大；对于枯性土，由于挤压力大于土颗 粒粒间吸附力，土体的天然结构被破坏，并产生较大的孔隙水压力，但随着时间 的推移，孔隙水压力逐渐消散，其强度逐渐恢复，并高于原状土。 2 固结阶段 挤扩过程结束后，土体中仍保持一定的孔隙水压力，土体在此压力作用下排 水固结。对于砂土，孔隙水压力消散很快在挤压过程中基本完成排水固结作用， 砂土进一步密实；而对于粘性土孔隙水压力消散很慢，在消散过程中，粒间重 新形成新的水膜和结构连接，土的强度逐渐恢复和提高。 在整个挤扩过程中，土体的运动方向及位移量是一种复杂的动态过程，与挤 压应力1 7 ，弓压臂张开角a ，及土体的压缩模量e s ，泊松比i 1 有关，其关系可用 下式表达： 1 2 2 挤扩支盘桩的竖向承载力理论 【k 】 = 盯 ( 2 1 ) 式中 【k 卜一地基上的刚度凝聚； 卜一土体的位移； 仃卜q 压应力； 正是由于这种挤密效应，支盘上下瑞士体才得到了压密，土体的内摩擦角、 内聚力、压缩模量、侧压力系数均有所增加，压缩性减小，其物理力学性质都高 于原状土。 2 2 挤扩支盘桩的竖向荷载传递理论【1 r l 1 8 1 1 9 】【2 0 】【2 1 】 桩土荷载传递机理是研究桩顶荷载如何通过桩身传递到土中的过程。挤扩支 盘桩和普通灌注桩由于成桩工艺和桩型不同，荷载传递性状也不同。挤扩支盘桩 在成桩工艺和造型上与普通灌注桩极为不同，这使得支盘桩在荷载传递性状方面 也别具一格。支盘桩的轴力传递特征、荷载沉降曲线、桩侧摩阻力发挥性状 及端阻力的特性均反映了支盘桩在荷载作用下，桩土系统荷载传递的过程以 及相互作用的机理，这一过程说明了支盘桩具有承载力高、沉降量小及抗震稳定 性能好的根本原因。 2 2 1 挤扩支盘桩的受力平衡 由于有支或盘的存在，挤扩支盘桩的受力比普通的灌注桩更为复杂，支盘桩 的承载力组成中多了支，盘处土层作用的端阻力q z ，如图5 为挤扩支盘桩静力平 衡示意图，图中q 为桩顶荷载，q 。为桩侧阻力，q p 为桩端阻力，q z 为桩支或盘 端阻力。因此，支盘桩的静力平衡式可以简单的写成： q = q 。+ q p + q z ( 2 2 ) 式中q 一桩顶荷载； q 。桩侧阻力； q p 桩端阻力； q 广桩支或盘端阻力； 1 3 2 挤扩支盘桩的竖向承载力理论 q p 图5 挤扩支盘桩静力平衡示意图 f i 9 5s t a t i ce q u i l i b r i u ms c h e m a t i cd i a g r a mo fm u l t i b r a n c hs q u e e z e dc a s t - i n - s i t ep i l e 2 2 2 挤扩支盘桩的荷载传递过程分析 桩的荷载传递以及桩的位移体现出桩的工作性能。首先，当桩顶受到竖向荷 载作用q 时，桩身压缩而向下位移，上部桩侧表面受到土的向上摩阻力。随着荷载 由上至下的传递，当上部支盘也受到压缩而产生位移时，支盘受到地基土的作用 力，支盘的端阻力开始显现出来。桩身的轴力和压缩变形随深度递减。随着荷载 不断增加，桩的位移在下部逐渐表现出来，使下部的桩侧摩阻力和支盘端阻力以 及桩端阻力不断增大。桩端位移加大了桩身各截面的位移，并促使桩侧阻力和各 支盘端阻力进一步发挥。荷载再增加，侧阻力全部发挥，个别支盘周围的地基土 产生局部剪切破坏，直至所有的支盘和桩尖处地基土发生破坏，即q ：，q p ，q 。均 已发挥到极限时，此时桩发生剧烈或不停滞下沉，支盘及桩端下地基土表现为显 著的塑性变形。 假定支盘体单元的弹性压缩为零，支盘体单元处桩侧的摩阻力为零，则任一 支盘体底面处的轴力可按下式求得： 绘阶万詈 ( 2 3 ) 2 挤扩支盘桩的竖向承载力理论 式中 q 底，q 项分别为支盘体底面和顶面处的轴力； q p i 支盘体单位净水平投影面积上的阻力； 卜支盘体亘径； 以桩项为坐标原点，桩顶作用荷载q ，离桩顶z 处的桩身轴力为： m = q u r 吼出一q ： 式中 q 计算点到桩顶之间的支、盘端阻力之和； 对上式两边求导，整理变换后可得支、盘以外的桩侧摩阻力： 1 胡v 吼一万i 桩顶位移： & 却去r 争 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中 岛，s 分别为桩顶、桩底位移； 4 桩的截面面积； 2 2 2 1 挤扩支盘桩的轴力 由于支盘的特殊作用，挤扩支盘桩的轴力在分布规律上不同于等截面桩。 v 三三三三 三寻 三刍 首 蚕i 寻 寻 刍 图6 挤扩支盘桩单桩轴向荷载传递示意图 f i 9 6a x i a ll o a dt r a n s f e rs c h e m a t i cd i a g r a mo fm u l t i - b r a n c hs q u e e z e dc a s t - i n - s i t ep i l e 1 5 2 挤扩支盘桩的竖向承载力理论 v 轴 力 分 布 曲 线 蚕 图7 普通直杆桩单桩轴向荷载传递示意图 f i 9 7a x i a ll o a dt r a n s f e rs c h e m a t i cd i a g r a mo fc o m m o ns t r a i g h tp i l e 其轴向荷载传递示意图见图6 ，由图6 与图7 的比较及上述公式可以看出，普通 直杆桩的轴力变化随深度减小呈加速度，这是因为桩侧摩阻力在一定深度的时候 才开始逐渐发挥，且桩端阻力也比较高；而支盘桩在支、盘段由于支盘的端承作 用使轴力大幅减小，图形上表现为一个明显的收缩转折。这是由于其耗损的轴力 完全由支盘所承担，并将其转嫁到支盘底部的土层上，从而使桩端阻力明显降低。 这是支盘桩承力的特性，也是支盘桩高承载力的原因所在。 在加载过程中，支盘一直发挥承载力的作用，并承担了大部分荷载。另外承 力盘受力大小也不同，支盘轴力具有明显的时间和顺序效应。在工作荷载的情况 下，桩顶荷载主要由上部承力支盘承担。 2 2 2 2 挤扩支盘桩的支盘端承力 支盘端承力是挤扩支盘桩承载力的主要组成部分。在支盘成型过程中，通过 支盘机的液压机挤扩，使支盘周围的土体和混凝土桩身、支盘紧密的结合为一体， 桩土共同发挥作用，在支盘机的挤扩作用下，支盘上下端土的密度、强度增大， 土体的内摩擦角、粘聚力、压缩模量、侧压力系数等均有所增加，压缩性减小， 其物理力学性质高于原状土。 由于支盘表面均为斜面，当支盘桩承受荷载时，支盘上表面处于桩土分离， 摩阻力为零。而其底部的土体既表现出端阻力和抗压缩性质，又表现出摩阻力的 抗剪性质。 挤扩支盘桩的荷载传递既具有明显的顺序效应和时间效应。各支盘的端承力 并不是同时发挥、同时达到极限值或受力相等。由于盘底的土体性质不同，其达 1 6 - 2 挤扩支盘桩的竖向承载力理论 到极限承载力的时间也不同。各盘受力大小和达到最大值的时间均取决于盘下土 体压缩模量。一旦某个承力盘的端承力达到最大值时，其他荷载将承担荷载的增 量，起到补偿和均衡作用，这就是支盘桩荷载性状的特殊之处。若某个支盘底土 体强度较低，达到极限状态后，其承担的荷载将转嫁到其它承力支盘。 2 2 2 3 挤扩支盘桩的桩侧摩阻力 挤扩支盘桩的桩侧摩阻力也是挤扩支盘桩承载力的重要组成部分，大量的静 载实验表明，因支盘数和桩周土体不同，支盘所承担的荷载比例也不同，一般而 言，支盘承担的荷载约占总荷载的5 5 - - 一6 5 ，而桩侧摩阻力大约占3 0 ，桩端阻力 大约占7 。 当挤扩支盘桩开始承受荷载时，桩、土间有产生位移的趋势，桩侧摩阻力开 始发挥。桩侧摩阻力先于支盘端承力发挥作用，并随着桩、土相对位移的增大而 增大。当某支盘端承力不再增加时，该支盘下的桩侧摩阻力可以继续增大，支盘 端承力和侧摩阻力之间存在一定的互补关系。由于桩、土产生位移，支盘上段的 土体处于脱空状态，使支盘以上一定范围内桩侧摩阻力下降。 桩侧摩阻力的大小除与桩侧土的物理性质有关外，还与支盘间距有重要的关 系。支盘间距较小时，相邻支盘问的土体存在着应力叠加问题。由于支盘之间靠 的较近，上支盘对土体产生附加应力，造成盘间土体的附加沉降，因而抵消了一 部分甚至完全抵消了盘间摩阻力，致使桩侧摩阻力明显降低，同时也影响了各支 盘端承力的效果。因此在挤扩支盘的设计中，应注意支盘间距不能过小。 2 2 2 4 挤扩支盘桩的桩底端阻力 挤扩支盘桩的桩底端阻力在挤扩支盘承载力中占的比例较小，桩底端阻力具 有很大的承载力，同时，接近桩端处的承力支盘对其下土体产生应力扩散作用， 对桩端土体起到一定的约束作用，使桩端土体难以侧向挤出，从而提高了桩端土 体的承载力。 桩底端阻力的承载潜力并不会完全发挥出来。在加载过程中，桩底端阻力逐 渐增大，在加载后期，沉降较大时，桩底端阻力增加也较大，当挤扩支盘桩受力 达到极限荷载时，先是部分支盘下土体失去承载能力，这部分土体转移到其余体 和端桩，随着荷载的继续加大，各承力盘土体均剪切破坏，桩端持力层不可能承 受全部荷载，使得整个桩体急速下沉，桩体呈贯入性破坏。 桩底端阻力与沉降有直接的关系，同时也控制着桩的破坏性状及极限承载力 的大小，因此较小的桩端荷载使得挤扩支盘的沉降明显小于同等条件下的直杆桩。 对挤扩支盘桩来说，当持力层强度不太大时，承载力设计应以变形控制为主。 1 7 - 2 挤扩支盘桩的竖向承载力理论 2 3 挤扩支盘桩的破坏机理 2 3 1 地基土的强度及破坏理论阎 一 2 3 1 1 地基土强度 土的破坏通常指剪切破坏，土的强度也通常指抗剪强度。当土体的剪应力等 于土的抗剪强度时的临界状态称为“极限平衡状态。 1 地基土强度的来源 土的抗剪强度的来源，按无粘性土和粘性土分为两大类： 1 ) 无粘性土 无粘性土抗剪强度的来源，传统的观念为内摩擦力，内摩擦力又作用在剪切 面的法向压力仃与土体内摩擦系数t a n f p 组成，内摩擦力的数值为这两项的乘积 o t a n 伊。在密实状态的粗粒土中，除滑动摩擦外还存在咬合摩擦。 ( 1 ) 滑动摩擦：滑动摩擦存在于土粒表面之间，即土在剪切过程中，剪切面 上的土粒发生相对位移所产生的摩擦。 ( 2 ) 咬合摩擦：咬合摩擦是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用。当土体内 沿某一剪切面产生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒必须从原来的位置被抬起，跨 越相邻颗粒，或者在尖角处将颗粒剪断，然后才能移动，土越密，磨圆度越小， 则咬合作用越强。 2 ) 粘性土 粘性土的抗剪强度包括内摩擦力和粘聚力两部分 ( 1