挤扩支盘桩在软土地基中的应用

2022-10-14

挤扩支盘桩主要用于地基承载力不足而采用的深基础, 是在等截面钻孔灌注桩基础上发展起来的一种新桩型。目前, 国内外对挤扩支盘桩的研究总的来讲, 尚缺乏深入的理论支撑和设计依据, 在推广和应用方面受到较大的限制。有必要对其荷载承载特性做进一步研究, 使理论研究与实际经验相结合, 并指导实践, 从而达到安全适用、大幅度提高经济效益的目的。

1 挤扩支盘桩施工工艺

1.1 挤扩支盘桩施工工艺流程

施工工艺流程为:桩定位放线——挖桩坑——埋设护筒——钻机就位——钻孔至设计深度——钻机移位至下一桩位钻孔, 将分支器吊入已钻孔内, 按设计位置挤压分支和承力盘——清孔——下钢筋笼——下导管——水中灌注混凝土——清理桩头1.2挤扩支盘桩成孔工艺分类

(1) 泥浆护壁成孔。

当地下水位较高时, 通常利用孔内地层中的粘性土, 原土造浆以泥浆护壁成孔, 根据不同地质情况选择持力层, 设置分支及承力盘, 施工时按照支盘设计深度, 下入液压支盘成型机, 操作液压工作站, 将挤土臂挤出, 收回, 反复转角, 经过多次挤压成盘, 然后完成其它多个支盘的作业, 安放钢筋笼、清孔, 灌注混凝土成桩。

(2) 干作业成孔。

当地下水位较深时, 水位以下可以采用螺旋钻机进行干作业成孔后, 下入支盘成型机, 按照支盘设计位置进行挤扩作业, 处理虚土, 下钢筋笼灌注混凝土成桩。这种方法的优点是成桩速度快。

(3) 重锤冲捣成孔。

在浅层软土分布区, 上部荷载不大的一般为多层建筑物, 利用浅部可塑性粘性土层为依托, 施工时, 通常在插入孔内的外套管加入建筑废料, 再用重锤冲捣将其挤入孔壁, 到设计厚度后, 放入支盘成型机, 按照设计盘位尺寸挤扩成盘, 下钢筋笼灌注混凝土成桩。这种方法可以节约材料和投资, 用于不受噪声和振动限制的场区。

(4) 水泥注浆护壁成孔。

干砂成桩时, 孔壁容易坍塌, 成盘作业无法进行, 这时必须采用灌注水泥浆工艺, 待孔壁稳定后方可挤扩成盘。

2 挤扩支盘桩在软土地基中的应用

2.1 挤扩支盘桩的承载机理与挤密效应

2.1.1 挤扩支盘桩的承载机理

挤扩支盘桩的承载机理首先是利用桩周土中下部较好的土层, 将荷载通过支盘传递到土层上去, 即分层承受荷载。通过荷载沿深度的扩散, 不仅减少了桩端荷载, 而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, 利用特制的挤扩器在钻孔孔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压密, 减少了压缩量, 提高了土体内摩擦角和压缩模量, 其物理力学性质必然优于原状土。在承力时, 由于支盘周边土体预先受到压密, 类似于“预应力”作用, 减少了土体承载后的压缩量, 使土体的竖向承载力及抗拔力都成倍地提高。

2.1.2 挤密软土效应

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。

(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向运移。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σ强迫作用下, 孔隙水压力上升, 但由于挤压应力大于孔隙水压力 (σ>u) , 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, 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;对于粘性土, 由于挤压应力大于土颗粒粒间吸附能, 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, 与挤压力σ、弓压臂张开角α及土体的压缩模量E s、泊松比ν等有关, 其关系可用公式:[K]{Δ}={σ}表达。式中:[K]-地基土的刚度凝聚;{Δ}-土体的位移;{σ}-挤压应力。

正是由于这种挤密效应, 支盘上下端土体才得到了压密, 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 孔隙水压力消散过程

当扩孔完成后, 随即下钢筋笼和浇注混凝土。随后, 挤扩时所产生的超孔隙水压力也逐渐随时间消散。在支盘四周的界面上超孔隙水压力的消散近似于圆球面扩散。

当桩周土为粘性土时, 扩孔引起的瞬时超孔隙水压力超过竖向或侧向有效应力时便会在粘土层中产生劈裂作用而消散, 因此扩孔过程的超孔压一般稳定在土的有效自重压力范围内扩孔后, 超孔压消散较快。虽然在挤扩时土体受到扰动, 强度瞬时显著降低, 但由于挤压力大, 超孔压逐渐消散, 其强度随时间逐渐增长, 最终大于天然状态。

2.3 挤扩支盘桩的受力机理和破坏形式

2.3.1 挤扩支盘桩受力分析

桩身侧摩阻力和承力盘端阻力的发挥具有明显的时间和顺序效应, 与受荷状态下桩的位移有密切关系。桩身侧摩阻力在受荷初期就发挥作用, 桩顶位移主要由桩身弹性变形和桩土相对位移引起, 上部桩身与土体发生相对位移, 使桩身侧摩阻力得以发挥。随着荷载的增加和时间延续, 桩身轴力逐渐向下转移, 桩身最上面承力盘先受力而以下承力盘滞后些, 在分支或盘处荷载传递重新分配, 在盘附近可能失去部分侧摩阻力, 但是盘可以起到类似端承的支承作用, 在将近或达到极限荷载时, 下部的承力盘和桩端的受力才得到正常发挥。支、盘支承力的发挥一般滞后于侧摩阻力, 由于有支或盘的存在使荷载传递更加复杂。在盘的设置位置问题上, 不仅需考虑最小临界盘间距因素, 还需考虑各承力盘之间的协调变形问题, 即各承力盘压缩变形区各土层的压缩模量的问题。

2.3.2 挤扩支盘桩破坏机理

挤扩支盘桩的破坏机理类似于大直径扩底桩基础, 当桩顶受荷较小时, 桩底承力盘下部土体被挤密, 当荷载继续加大, 承力盘底下土层被压密。由于施工时通过液压装置挤扩成孔, 对桩间土压密, 故盘底土承载力高于原状土, 扩底盘的上部斜面由于桩体向下位移会出现临空面, 如在适宜土层处设多个承力盘, 则挤扩支盘桩的极限承载力会明显高于大直径桩基础, 而且可以解决水下砂土不易形成扩大头的困难。当有两个挤扩盘时, 如果其间距大于最小临界间距, 则各承力盘周围的土体, 在成桩时被挤密加固, 承力盘能提供较大的承载力。如果盘间距太近, 则承力盘间的土体就可能被剪裂, 甚至塌落到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。当调置两个以上承力盘时, 合理的盘间距是设计多支盘桩的一个重要因素, 因为盘间距太近, 盘之间土层将会被剪坏, 根据大量的室内模型实验成果以及大量工程桩的工程实践, 总结出盘间距与土层的关系, 在粘性土中承力盘最小临界间距小于砂性土中最小临界间距。分支的破坏机理与承力盘的不同之处在于分支与土层的接触面比承力盘小, 分支会产生剪切刺入破坏。

3.4 挤扩支盘桩应用注意事项

(1) 挤扩机入孔前必须全面检查, 一切正常才能进行挤扩成孔;挤扩成盘宜自下而上进行。

(2) 挤扩次数一般不少于5～7次, 方能达到成盘标准。

(3) 泥浆扩壁成孔工艺中, 要求泥浆质量好, 交孔完工时, 泥浆密度为1.3 g/c m 3～1.4 g/cm3。

(4) 挤扩成盘后, 应及时补充泥浆并维持水头压力。

(5) 为保证扩盘处持力层充分发挥作用, 上下盘位须间隔4 d (d为桩径) 以上。

4 结语

挤扩支盘桩通过在桩身不同部位设置承力支盘, 将桩摩擦受力部分改为变截面多支点摩擦端承桩, 改变了桩的受力机理从而使桩的承载力大大提高, 从而节省了基础造价。以某市文华大厦为例:采用挤扩支盘桩与机械钻孔灌注桩相比, 其单桩竖向承载力从2650kN提高至4800kN, 桩身混凝土用量可节省4 5%左右。尤其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, 往往因工程地质的复杂性和松软土的存在而难以满足设计要求。挤扩支盘桩与筏基或箱基结合起来组成桩-筏基础或桩-箱基础, 会成倍的提高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。

摘要：挤扩支盘桩是处理软土地基的有效基础方式。本文通过对挤扩支盘桩的承载机理与挤密效应、孔隙水压力消散过程及挤扩支盘桩的受力机理和破坏形式的分析, 阐述了挤扩支盘桩在软土地基中的应用。

关键词：挤扩支盘桩,软土地基,承载效应,受力机理