探討鉆孔擴(kuò)底灌注樁的承載性狀與設(shè)計(jì)

　　摘要：大直徑擴(kuò)底灌注樁以其承載力高、沉降小等優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑等重要工程中得到廣泛應(yīng)用，但在水利水電工程應(yīng)用較少。本文簡(jiǎn)述鉆孔擴(kuò)底灌注樁的基本原理，通過荷載試驗(yàn)成果分析擴(kuò)底灌注樁的沉降特性，探討了擴(kuò)底樁與直樁之間的受力和破壞機(jī)理，研究擴(kuò)大頭樁后壓漿機(jī)理。結(jié)合工程實(shí)例，通過與人工挖孔直樁的對(duì)比，分析鉆孔擴(kuò)底灌注樁的經(jīng)濟(jì)技術(shù)特點(diǎn)。并系統(tǒng)闡述鉆孔擴(kuò)底灌注樁的設(shè)計(jì)計(jì)算及其在水利水電工程應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：鉆孔擴(kuò)底灌注樁,承載性狀,設(shè)計(jì)計(jì)算,水利水電工程應(yīng)用

　　1基本原理

　　鉆孔擴(kuò)底灌注樁是在鉆孔灌注樁的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。施工時(shí)先用普通鉆孔樁鉆頭（直狀）遵循一般鉆孔方法按樁身直徑鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)持力層，然后提取鉆具，將普通鉆頭更換為特制的擴(kuò)底鉆頭至孔底，通過加壓使擴(kuò)底鉆頭的兩翼張開并使之旋轉(zhuǎn)、切削巖土層來擴(kuò)大樁底直徑形成擴(kuò)大頭，待擴(kuò)底直徑達(dá)到設(shè)計(jì)要求后放入鋼筋籠，灌注混凝土，形成底部具有擴(kuò)大頭的鉆孔擴(kuò)底灌注樁，以提高樁端承載力。

　　與普通鉆孔灌注樁相比，擴(kuò)底樁的關(guān)鍵性技術(shù)問題有：（1）擴(kuò)底及擴(kuò)底鉆進(jìn)；（2）擴(kuò)底端孔壁的穩(wěn)定；（3）擴(kuò)底端孔底沉渣厚度的控制（清孔）；（4）擴(kuò)底尺寸參數(shù)的檢測(cè)；（5）超大初灌量混凝土的灌注。

　　2鉆孔擴(kuò)底灌注樁的承載性狀

　　2.1荷載－沉降特性

　　某徑流式水電站安裝間地基土層自上而下分別為雜填土、粉土、粉細(xì)砂。其中雜填土地層埋深4.2～6.2m，粉土底板埋深7.0～8.3m，粉細(xì)砂地層埋深7.0～8.3m。該工程采用鉆孔擴(kuò)底灌注樁和直樁，兩種樁型的樁身直徑、樁長(zhǎng)以及所穿過的土層和持力層等基本相同，但荷載－沉降曲線卻

　　有很大區(qū)別。圖1

　　圖1中顯示，擴(kuò)底樁的沉降曲線遠(yuǎn)比直樁平緩，說明擴(kuò)底樁具有良好的端承性狀。當(dāng)樁頂沉降為30mm時(shí)，擴(kuò)底樁的樁頂荷載為直樁樁頂荷載的5.5倍；當(dāng)樁頂荷載都為2700kN時(shí)，擴(kuò)底樁的樁頂沉降僅為直樁樁頂沉降的5％左右。經(jīng)初步估算，如果以樁頂沉降30mm為極限狀態(tài)，擴(kuò)底樁比直樁每多用1m3混凝土?xí)r，樁頂極限承載力可提高1746kN。

　　2.2破壞機(jī)理

　　圖2為大直徑擴(kuò)底樁的受力示意圖。由于拉裂縫的出現(xiàn)，使得摩阻力和端阻力處于分離狀態(tài)，與直樁的受力和破壞機(jī)理不同。

　　普通直樁的破壞模式一般屬于深層剪切破壞和刺入破壞，變形主要表現(xiàn)為剪切變形，樁端承載力由地基抗剪強(qiáng)度控制；而大直徑擴(kuò)底樁在豎向荷載作用下，地基以豎向壓縮變形為主，基底土被壓縮，基底兩側(cè)土體出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，荷載大時(shí)出現(xiàn)傘形拉裂紋，大變形時(shí)也未觀察到連續(xù)的滑動(dòng)面和整體的剪切破壞。而在擴(kuò)大頭上方有脫空現(xiàn)象，樁基的變形明顯表現(xiàn)為基底土壓縮變形，所以樁基的承載力由變形控制，這是大直徑樁不同于普通樁的主要特點(diǎn)。在豎向荷載作用下，樁底應(yīng)力一般以持力層土的內(nèi)摩擦角向下擴(kuò)散，從而引起樁端下土層壓縮。

　　2.3擴(kuò)大頭樁后壓漿機(jī)理

　　由于擴(kuò)大頭增加了清渣的難度，或遇到松散土體做持力層時(shí)，擴(kuò)大頭不易形成。此時(shí)可采用孔底高壓注漿技術(shù)，使壓漿后單樁承載力顯著提高。樁端擴(kuò)大頭后壓漿能夠提高擴(kuò)底樁的承載力，其主要機(jī)理是：（1）改善持力層條件，提高樁的端承力；（2）大幅度提高樁側(cè)摩阻力；（3）改善持力層的受力狀態(tài)和荷載傳遞性能。

　　3鉆孔擴(kuò)底灌注樁的設(shè)計(jì)

　　3.1樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)

　　擴(kuò)底樁是基于增大擴(kuò)大頭來增加樁端承載力，樁的側(cè)摩阻力在這類樁的承載力中所占比例一般不超過30％，在樁長(zhǎng)較短和持力層強(qiáng)度較高時(shí)可降至10％左右。樁端持力層的類型及物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)擴(kuò)底樁承載力的影響較大，一般要求以地基承載力較高的粘土或砂卵（礫）石層以及強(qiáng)風(fēng)化或弱風(fēng)化巖層作為擴(kuò)底樁的持力層。

　　樁長(zhǎng)與地質(zhì)條件、樁端間凈距、施工條件、持力層埋深及嵌巖深度有關(guān)。規(guī)范規(guī)定灌注樁孔深不宜大于40m，鉆孔擴(kuò)底灌注樁樁長(zhǎng)一般為10～25m。對(duì)嵌巖深度的確定，應(yīng)考慮各類持力層中成樁的可能性和提高樁端阻力的要求，如樁端以下3倍樁徑深度范圍內(nèi)應(yīng)無軟弱夾層、斷裂破碎帶和溶洞分布，在樁底應(yīng)力擴(kuò)散范圍內(nèi)無巖體臨空面，另外還應(yīng)滿足建筑物整體穩(wěn)定所需的抗滑要求和抗震要求。

　　3.2單樁豎向承載力計(jì)算

　　《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》按下式確定單樁容許承載力：

　�。�1）　

　　式中，α、β為地基系數(shù)與樁徑折減系數(shù)，α對(duì)礫石和硬粘土取1，對(duì)砂取0.85，β=1-（×0.3）為樁底上4d及樁底下d范圍內(nèi)平均標(biāo)貫擊數(shù)（d為樁身直徑）；Ap為樁端計(jì)算面積，根據(jù)樁底直徑比施工直徑小20cm的值計(jì)算；Ns為樁周砂土標(biāo)貫擊數(shù)平均值，Ns≥25時(shí)取25；LS和LC為樁周砂土和粘性土層厚度；qu為樁周粘性土不排水抗剪強(qiáng)度平均值；ψ為計(jì)算樁側(cè)阻力部分樁的樁長(zhǎng)；為樁身混凝土重減去樁排土重。

　　根據(jù)受力機(jī)理，設(shè)計(jì)時(shí)可通過對(duì)樁的側(cè)摩阻力和樁端承力機(jī)理，按式（2）計(jì)算其單樁豎向承載力。

　　Ra=ξsπdΣqsikli+ξpψrqpkAp（2）

　　式中，ξs、ξp分別為樁周土側(cè)摩阻力特征值和樁端直樁土承載力特征值的修正系數(shù)；qsik為樁周土側(cè)摩阻力特征值；qpk為樁端土承載力特征值；li為計(jì)算樁側(cè)摩阻力部分樁周土層厚度；d為樁身直徑；ψr為折減系數(shù)，根據(jù)巖體的完整性取0.3～0.5。

　　3.3單樁水平承載力計(jì)算

　　單樁水平承載力特征值取決于樁的材料強(qiáng)度、截面剛度、樁頂嵌固程度、入土深度及各土層的物理力學(xué)參數(shù)。在缺少單樁水平靜載試驗(yàn)資料時(shí)，對(duì)于樁身配筋率小于0.65%的灌注樁，其單樁水平承載力設(shè)計(jì)值為：

　　（3）　

　　式中，±號(hào)根據(jù)樁頂豎向力性質(zhì)確定，壓力取“+”，拉力取“-”；Rh為單樁水平承載力設(shè)計(jì)值；α為樁的水平變形系數(shù)；γm為樁截面模量塑性系數(shù)；ft為樁身混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；W0為樁身換算截面受拉邊緣的截面模量；νm為樁身最大彎矩系數(shù)；An和ρg分別為樁身換算截面積及配筋率。

　　大直徑擴(kuò)底樁抵抗水平荷載的能力較強(qiáng)，尤其對(duì)設(shè)置樁帽或承臺(tái)的情況，由于樁帽或承臺(tái)周圍土的嵌固作用，抵抗水平力的能力進(jìn)一步提高。經(jīng)對(duì)大量工程實(shí)踐進(jìn)行分析可以得出，對(duì)于一般多層框架結(jié)構(gòu)房屋下的大直徑擴(kuò)底樁，可不進(jìn)行水平承載力驗(yàn)算；對(duì)承受較大水平荷載建筑物的大直徑擴(kuò)底樁，應(yīng)進(jìn)行水平承載力的驗(yàn)算；對(duì)于受水平力較大的一級(jí)建筑樁基，應(yīng)通過試驗(yàn)確定單樁水平承載力設(shè)計(jì)值。

　　3.4構(gòu)造尺寸設(shè)計(jì)

　　擴(kuò)底樁擴(kuò)大頭的尺寸，按通常采用的鍋底形(圖3)，一般取d≥0.8m，擴(kuò)徑比D/d≤3，為保證施工質(zhì)量，實(shí)際工程設(shè)計(jì)和施工時(shí)一般取1.5～2.0；擴(kuò)底矢高H1一般�。�0.25～0.4）D；擴(kuò)底端最大直徑高度H2為0.3～0.5m，視擴(kuò)底直徑而定，一般取0.2～0.3m；沉渣孔高度H4一般為0.1～0.3m；擴(kuò)大頭放坡夾角θ不超過30°，對(duì)于粘土或砂石土類不宜超過12°，卵石或巖石類不宜超過20°，一般可取θ=10°~20°。最小樁間距為1.5D或擴(kuò)大頭間凈距不小于0.5m。

　　d－直孔段樁徑；D－擴(kuò)底最大直徑；θ－擴(kuò)底邊錐角；

　　H1－擴(kuò)底矢高；H2－擴(kuò)底端最大直徑高度；H3－擴(kuò)底段斜邊高度；

　　H4－沉渣孔高度；d1－沉渣孔直徑；γ－擴(kuò)底錐角

　　4結(jié)論

　�。�1）施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制擴(kuò)底鉆進(jìn)、清孔及初灌混凝土等關(guān)鍵工序，并進(jìn)行有效檢測(cè)。

　�。�2）擴(kuò)底樁具有良好的端承性狀，在豎向荷載作用下，地基以豎向壓縮變形為主，樁基承載力主要由變形控制。

　　（3）后壓漿技術(shù)可改善持力層條件，提高樁側(cè)摩阻力，改善持力層的受力狀態(tài)和荷載傳遞性能，從而提高擴(kuò)底樁的承載力。

　　（4）徑流式水電站廠房一般位于河邊沖積層上，覆蓋層較厚，水電站廠房的安裝間一般不能置于巖基之上。安裝間荷載較大，對(duì)沉降控制要求嚴(yán)格。鉆孔擴(kuò)底灌注樁具有較好的適應(yīng)性和良好的經(jīng)濟(jì)效益�！�