新型桩挤扩支盘灌注桩在工程中的实际应用.doc

新型桩挤扩支盘灌注桩在工程中的实际应用【摘 要】： 挤扩支盘灌注桩技术，近年来已在河南地区电力基本建设桩基工程中推广使用，在节约原材料、降低工程造价、缩短工期、提高桩基质量等方面具有较明显的技术经济效益和社会效益。本文根据工程场地的具体地质情况，设计了支盘灌注桩来替代沿用已久的普通灌注桩并成功实施，将相当长度桩杆的侧摩阻用几个支盘的端阻力来代替，在相同的荷载作用下，可减少桩长近1/3，缩短工期1/3，节约投资30%左右。【关键词】： 支盘灌注桩 侧摩阻 端阻 抗压极阻一、 工程及地质概况中国铝业河南分公司扩建70万吨/年氧化铝项目紧邻原厂区西南部，由于工艺设备的配置要求，有相当部分的子项基础上部荷载非常大，而场地受限制，显然采用天然地基是困难的，甚至是行不通的。因此，本次70万吨/年氧化铝扩建项目原设计大部分工程的地基基础均采用普通钢筋混凝土灌注桩（以下简称为普通灌注桩），并且，桩长多为3m以上长桩。该场地地形较平坦，扩建部分厂区自然地面标高介于151.49152.93m，最大相对高差1.44m，地貌单元属黄河中游南岸冲积平原。根据中国有色金属工业西安勘察设计院提供的岩土工程勘查报告可知：该部分场地地层自上而下依次由人工填土（Qml）、第四系上更新统冲积（Q3al）黄土状土、粉质粘土（夹粉土、中沙）、圆砾及中更新统冲积（Q2al）粉质粘土、卵石等组成。本工程设计选用的建设场地、工程地质情况详见地质剖面图(附图一)。本文介绍的由长铝建承担的种子分解工程是扩建70万吨/年氧化铝项目的重要子项目之一。种分槽直径14m，高34m，荷载较大，因此，原设计根据地勘报告建议方案采用普通灌注桩，桩长36m，桩径800mm，单桩混凝土量为18.086m3。设计要求单桩竖向极限承载力标准值为4000KN。由于扩建厂区地下水位较浅，桩径过长，即使采用泥浆护壁，施工过程中也很容易出现塌孔现象，一次成孔较困难，甚至造成桩径缩径、断桩等质量上问题，施工成本较高。做为本工程的主要技术负责人，本人根据自己掌握的理论知识以及技术资料，并结合本单位的技术实力，提出了修改种子分解槽基础桩型的合理化建议并加以实施。二、 支盘桩的建议方案（设计计算）1、支盘桩技术简介：挤扩支盘桩是混凝土灌注桩的一种新的桩型。它是由主桩（桩杆）、承力盘或分支组成。 在钻孔完成后，下入液压挤扩机，在设计选定的适当位置（在普通灌注桩基础上，按承载力要求和工程地质条件的不同在桩身不同部位设置分支和承力盘），对钻孔周围土体进行三维挤压、挤扩，形成支盘或分支。在灌注混凝土后，桩身、承力盘或分支共同受力。由于支盘桩是沿桩身不同部位设置支盘或分支，变普通以侧摩阻为主的普通直杆灌注桩为摩擦端承桩，从而改变了桩的受力机理。支盘桩侧阻先于端阻力发挥出来，随着荷载增加，桩侧阻力和桩端阻力以不同速率增长，桩侧阻力逐渐趋于稳定，而桩端阻力不断增加，且上盘阻力先于下盘阻力发挥出来，桩身阻力减小而桩端阻力增加。这种由主桩、分支或承力盘和在它周围被挤扩密实的固结料组成的桩，类似树根系，但施工工艺方法及受力性能又不同于一般树根桩和普通直线型混凝土灌注桩，而是一种介于摩擦桩和端承桩之间的变截面桩型。实践证明，支盘桩具有单桩承载力高的同时，且具有抗震抗拔性能好、沉降变形小等显著特点。 2、支盘桩设计（1） 桩构造与布置多分支承力盘灌注桩的造型、尺寸、承力盘与分支数量根据上部建筑物的荷载量、结构形式、地质情况及使用的分支器尺寸而定，桩的分支、盘的间距按下表一所示：分支或承力盘的间距（mm）（表一）项次桩径分支与承力盘间距（中距）14263.0d6.0d2600-7004.0d5.0d38003.0d4.0d如果盘或支间距太近，则承力盘间的土体就可能被剪裂，甚至塌落至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，因此当设置两个以上承力盘时，进行合理的盘间距的确定是设计多支盘桩的重要因素。有关试验资料显示，支盘在桩体中设置不宜过多，一般以三至四个支盘较适宜，超过四个支盘的作用发挥就不显著。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工机械配套使用。桩与承力盘直径关系如下： （表二） 桩径/mm4006007008001000盘径/mm9601400140016002000多分支承力盘灌注桩的最小中心距一般取（1.52.3）D或+1m（D为桩径）。桩端持力层应选在较硬的土层上，厚度应大于3米，下卧层不可有软弱层。混凝土采用C20C30，配筋主筋用1216mm，长度一般要求在L/22/3 L(L为桩长)，不小于L/2，其配筋率P=0.4%-0.6%，箍筋用810mm，间距100200mm，另设加强筋。根据本工程地勘报告，各土层qsik及qpk如下表所示：（表三）地层qsik（kpa）qpk(kpa)厚度(m)2404009.53554502.54384508.55605504.5因此建议本工程桩基设计为支盘桩，根据地质情况及设计规程综合考因此建议本工程桩基设计为支盘桩，根据地质情况及设计规程综合考虑，选取桩端进入第五层4.5m，即有效桩长27m，选取桩径700mm，在第四层中设两个承力盘，盘径1400mm，在第五层中设一个承力盘，盘径为1400mm，本工程支盘桩只设盘不设分支，其桩形状、构造与桩孔布置详见附图二、三。（2） 单桩竖向承载力计算单桩承载力的确定，在工程中一般均通过试桩确定其极限承载力，本工程根据有关设计规程先行计算、估值，而后通过静载试验、收集资料和采用多种分析方法分析后加以验证和确定其极限承载力。根据火力发电厂支盘灌注桩暂定技术规定中6.3.5条单桩竖向极限承载力标准值计算公式Quk=Qsk+Qpk=uqsikli+piqpikApi+qpkAp 式中Quk单桩竖向极限承载力标准值（KN）Qsk单桩总极限侧阻力标准值（KN）U主桩桩身周长（m）qsik桩侧第i层土的极限侧阻力标准值。如无当地经验值时，可按JGJ9494表5.2.81取值（KPa）li桩穿越第i层土的厚度，计算时应减去盘根高度（m）qpik桩身上第i个支或盘处土的极限端阻力标准值，如无当地经验值时，可按JGJ9494表5.2.82取值（KPa）qpk主桩底处土的极限端阻力标准值，如无当地经验值时，可按JGJ9494表5.2.82取值（KPa）Api扣除主桩桩身截面积的支或盘的水平投影面积（m2）Ap主桩桩端截面积（m2）pi支、盘极限端阻力标准值的修正系数，可按下表取值 支、盘极限端阻力标准值修正系数pi （表四）支盘支承处土的名称硬塑粘土可塑粘土粉土粉砂细砂中粗砂极限端阻力标准值修正系数pi0. 6.计算如下：A、计算支盘的面积F1=0.785（1.420.72） =0.7851.47=1.153m2B、桩杆断面F2=0.7850.72=0.385m2C、桩杆周长S1=d=3.140.7=2.198mD、单桩竖向极限承载力标准值计算(a) 桩杆侧阻极限标准值计算： 2.1981140=967.12KN 2.1983.255=386.85KN 2.198（9.301.40）38=659.84KN 2.198（3.50.70）60=369.26KN侧阻极限标准值总计：=967.12+386.85+659.84+369.26=2383.07KN(b) 支盘端阻极限标准值计算： 1.1532（盘）4500.9=933.93KN 1.1531（盘）5500.9=570.74KN总计：=933.93+570.735=1504.67KN(c) 桩杆底部端阻极限标准值(0.7/2)2550=211.56KN(d) 单桩竖向极限总阻力标准值 Q总=2383.07+1504.667+211.56=4099.30KN由上述计算可知，盘径1400mm，桩径700mm，桩长27m的支盘灌注桩的单桩竖向极限承载力满足设计要求单桩竖向极限承载力4000KN的标准值。(3)桩身强度验算根据本工程实际受力特点，按纯中心受压计算，桩身混凝土强度核算r0 Nfck A，满足此条件的桩可按构造配筋。适当提高建筑桩基重要性系数，取值r0=1.2，fck=20N/mm2(C30混凝土)：1.240001033.14(700/2)220 满足要求。说明：对一些有较大清福力矩的高耸结构以及设计规程要求的建筑，应该进行桩抗拔及水平极限承载力计算。为保证桩基设计的可靠性，抗拔及水平承载力特征值应通过荷载试验确定。本工程不作此项要求。 经过以上详细计算最后确定用：盘径1400mm，桩径700mm，桩长27m的支盘桩代替原设计桩径为800mm的普通灌注桩。具体施工详图见后附图二。三、支盘桩试验经过认真计算后，确定支盘桩的盘径、桩径及桩长，而后会同设计部门研究了试桩事宜。后由中国铝业河南分公司扩建70万吨/年氧化铝种子分解项目部委托黄委会设计研究物探总队于2004年6月29日至7月5日在该项目种分槽工程现场工地上，做了3根（D=1400mm,d=700mm,L=27m）支盘桩进行单桩竖向抗压静荷载试验，为了取得支盘桩的第一手资料，经研究决定试桩做破坏性实验。实验结果见下表五。 根据上述试验结果，并对QS曲线图及Slgt曲线图进行了详细地分析取Q总极值=5500KN较适宜且沉降值符合设计要求，有前面根据地勘报告给出各土层的侧阻与端阻的极限标准值计算出盘径D=1400mm，桩径d=700mm，桩长L=27m支盘桩的单桩竖向抗压极限Q总极限值=4099.30KN估算值与试桩的实测值进行比较，显而易见试验值较理论值有明显的提高，此提高率为：5500KN/4099.30KN=1.3417，即提高率为34.17%桩静载试验结果 (表五)试桩编号最大加荷（KN）累计沉降（mm）回弹量（mm回弹率（%）单桩竖向抗压极限承载力（KN）1620057.554.838.3957602605071.676.909.6455003605066.543.124.695500 根据现场的实验结果，建议的支盘桩和原设计要求d=800mm，桩长L=36m，且要求单桩竖向极限承载力标准值为4000KN的普通混凝土灌注桩相比较而言，支盘桩的安全储备还是很大的。通过对现场的支盘桩进行单桩竖向抗压静荷载试验，也进一步证实了在本次70万吨/年氧化铝扩建工程项目厂区内，对于桩基础来说只考虑桩身的侧摩阻，而忽略持力层中的端阻力，仅靠增加桩长来满足设计的要求是不大合理的。四、 支盘灌注桩施工、 挤扩原理与机具设备利用支盘成型器在桩孔的某一位置进行挤压，使周围的土壤变得密实，灌注砼后形成承力分支或盘，增大支撑面积，从而提高桩的竖向承载力和抗拔力。支盘成型装置由接长管、液压缸，支盘成型器、液压胶管和液压站五个部分组成，由液压站提供动力，由支盘成型器实施支盘的成型。本工程选用YZJ型系列液压挤扩支盘成型器，该系列挤扩设备技术成熟，并已推广应用，可根据工程技术选取不同设备型号。、 施工工艺方法要点（1）施工工艺程序为：桩定位放线 挖桩孔、设钢板护套 钻孔机就位 钻孔至设计深度 钻机移位至下一桩位钻孔 第一次清孔 将支盘成型器吊入孔内 在设计位置压承力盘 下钢筋笼 下导管 二次清孔 水下灌注混凝土 清理桩头 拆除导管、护筒。（2） 成孔采用泥浆护壁，采用GZQ型潜水钻机或SY-120型钻井机（3） 当成孔达到要求深度后，将钻机移至下一桩位继续钻进。清孔后用吊车将支盘成型器吊起对准桩孔中心徐徐放入孔内，由上而下按设计要求位置挤扩成型，形成类似竹节状承力盘。（4） 压分支成盘时，要控制油压，对一般粘性土应控制在67Mpa，对密实粉土、沙土为1517Mpa。支盘机弓压臂挤出或收回过程应该认真读取表头压力值、设备起伏高度、液压油位差、起止时间等，并做好记录。（5） 每一承力盘挤扩完后，在不收回挤扩臂情况下，应将成型器转动两周扫平渣土，以使扩盘均匀对称。（6） 承盘完成后将支盘成型器吊出，即可将稀泥浆注入孔内置换浓泥浆至密度为1.11.5t/m3为止。浇筑砼前孔底500mm以内的泥浆密度应小于1.25 t/m3，含砂率小于8%，粘度28s，沉渣厚度小于100mm。（7） 挤扩支盘成型检验及标准：（a） 支盘成型挤扩首次压力值。（b） 液压站油位计油面下降值与空载液面下降相比偏差在3mm以内。（c） 在没有泥浆补给的情况下，泥浆下降体积不易小于承力盘体积的50%。（d） 本工程质量控制体系规定了三级监督过程：施工班组通过油压值（油压值即首次挤扩压力值直接反映，承力盘所处土层的压缩特性）、油面下降量（油面下降量是反映支盘机弓压臂状态的直观指标）等指标进行自检为一级检查，如果施工中挤扩压力值与预估压力值相差较大（超出15%），应立即报告现场技术人员，并根据情况对盘位进行适当调整；现场质检员进行现场监督检查为二级检查；监理工程师检查认证为三级检查。（8） 清孔后应在0.5h内进行下道工序，吊入钢筋笼，用短钢管吊挂在孔口上，下导管，安浇灌架进行水下砼浇筑，坍落度应为1618cm为宜，利用卷扬机吊导管不断上下翻插窜动使达到密实，在浇筑至扩盘部位时应集中多次冲捣上下窜动反插，使扩盘处砼密实，浇筑方法同导管法水中浇筑砼相同。3、施工注意事项（1） 盘位应选定较好的持力层，施工中如地质变化，持力层深度不能满足设计要求，为提高承载力应根据具体情况适当加深0.51.5m，或在桩上增加2-4个分支或1-2个承力盘以保证达到设计要求。（2） 由于对土层施加很大侧压力，钻机应采取相隔跳打以免造成塌孔影响桩身质量。（3） 桩的分支或盘未配钢筋，靠砼的剪力传递压力，因此该处的砼要保证密实，除控制配合比外还应控制坍落度和用导管反插捣固密实。（4） 挤扩盘过程中随着盘体体积增大应不断补充泥浆，尤其在支盘成型器上提过程中。4、质量控制（1） 浇筑桩用的原材料质量和砼强度必须符合施工规范的规定和设计要求。（2） 成孔深度、分支及承力盘位置必须符合设计要求，沉渣厚度不得大于100mm。（3） 钢筋笼制作应对钢筋规格、焊条规格、品种、焊口规格、焊缝长度、焊缝外观及质量、主筋和箍筋的制作偏差等进行检查。（4） 桩的位置偏移不得大于d/6(d桩直径)，且不大于100mm，垂直度偏差不得大于L/100（L桩长）。（5） 桩应取总数1%，且不少于3根做静载试验，取桩总数的10%-15%作动力测试，检验桩体竖向承载力；用应力反射法对桩体质量进行检验，不得有缩径、夹层、砼不密实等缺陷。五、经济效益1、原设计图中的普通灌注桩，直径d=800mm，桩长36m。每根桩的混凝土量为：V1=0.7850.8235=17.584m32、建设修改的支盘灌注桩：支盘D=1400mm，桩杆d=700mm，桩长27m，每根桩在不同的土层设三个支盘，则每根桩的混凝土量为：（1）支盘体积=3.14/30.3250.72+（0.70.315）+0.3152 2+0.050.7851.42= 0.626m33个支盘的混凝土量为：0.6263=1.878m3（2）桩杆的混凝土量为：0.7850.7227（30.7）=9.577m3每根支盘桩的混凝土量为：9.577+1.878=11.455m33、两种桩型比较（1）、造价分析 由于工艺专业的要求，种分槽基础分组一字排开，其间设置沉降缝，8个槽子为一组。本工程种分槽基础总桩数为1516根，按照中国铝业河南分公司扩建70万吨/年氧化铝招标办的文件要求，无论是支盘灌注桩还是普通混凝土桩，结算价格一律按河南省定额及有关规定下浮15%进行计算，因此，两种桩型的经济分析比较见下表六。（表六）桩型桩长(m)单桩竖向极限承载力标准值（KN）单桩混凝土量（m3）单方混凝土造价（元/ m3）单桩造价（元）总造价（元）工期（天）支盘桩D=1400d=700L=27550011.45590010309.510309.51516=1562920232普通桩d=800L=36400018.08680014468.814468.81516=2193470050从表六可以很明显的得出：每根桩节约的混凝土量：18.086m311.455m3=6.631m3每根桩节约造价：14468.8元10309.50元=4159元总造价节约：14468.8151610309.501516=6305498元从上边的简单对比计算中可以清楚的看到，支盘灌注桩比普通灌注桩可降低造价近30%左右，其中还不包括因桩承载力的提高而修改上部承台设计所节约的费用。另外，从施工方面分析，由于普通灌注桩桩长过长，施工成本也就较高。本工程场地地下水位较浅，采用泥浆护壁成孔，桩身越长出现塌孔的现象的可能性就越大，另外废弃的泥浆外排的量也越大，这些都增加了施工成本，对环境保护也是不利的。（2）工期分析 从前表的对比分析还可以明显的看到：支盘灌注桩比普通灌注桩的单桩混凝土量减少了30%之多，因此不仅节约了造价而且因为支盘灌注桩桩杆短、混凝土量少，钢筋笼也相应缩短，因而大大的加快了施工速度。（3）质量分析由于将普通灌注桩改为支盘灌注桩，桩长短了近1/3，大大减少了长桩在施工过程中容易出现的塌孔，缩径等质量事故的机率，能较好的确保桩的施工质量。根据有关规定，对本工程桩基已进行了静载试验、高应变检测和低应变检测，均满足要求，各受检桩均达到桩身完整和基本完整，尤其在桩身每个承力盘扩径位置，低应变测试曲线均有相应的信号反射，挤扩成型效果越好反射信号越明显，可以定性的判断，挤扩支盘桩扩径体的位置和大小桩身完整。六、结束语、 通过本次支盘挤扩灌注桩的设计及成功实施，进一步证明了挤扩支盘灌注桩具有以下特点：（1） 显著的经济效益。其单方砼承载力为相应普通灌注桩的1.3倍以上，以及在同样承载力要求下，挤扩支盘桩可比普通直孔桩节约材料30%以上。（2） 不同土质的适应性强。尤其在内陆冲积和洪积平原的硬塑粘性土、密实粉土、粉细沙层或中粗沙层等均适合作支盘桩的持力层。而且不受地下水位高低的限制。（3）