1、南阳电厂挤扩支盘桩承载力特性试验研究摘要：本文主要根据理论和工程实例相结合的分析方法，以河南省南阳电厂基础工程挤扩支盘桩承载力特性试验的资料为基础，对支盘桩在竖向荷载作用下的荷载传递规律、承载力发挥性状进行系统的分析，得出了挤扩支盘桩抗压时的荷载传递理论；通过本文对挤扩支盘桩的实例分析，得出该桩型具有高承载低沉降的特点，实践证明，该项新技术具有较高的研究价值和工程实用价值。 关键词：挤扩支盘桩； 静载荷试验； 荷载传递机理 中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号： 引 言： 桩基础工程是一种古老而广泛使用的深基础工程，因其高承载力和低沉降量的特点，所以在高层建筑及重大工程中是设计人员首选
2、的基础型式，然而如何继续提高桩基础承载力和降低基础工程造价一直是工程界、学术界普遍关心和研究的热点问题之一。挤扩支盘桩技术正是在这样的背景下逐步发展起来的。 1 支盘桩的施工工艺和特点 支盘桩及其用于支盘挤扩成型的液压设备是二十世纪八十年代末期由张俊生先生发明的。专用液压挤扩设备与现有桩的施工机械配套使用，产生了如图 11 所示的桩体、承力盘和分支。 支盘桩工程施工质量的好坏直接影响着支盘桩的承载性能与经济效益。支盘桩是在钻孔灌注桩的基础上衍生而成的一种新桩型，利用普通钻孔机如冲击钻机、潜水钻机、正反循环钻机、旋挖钻机等水上水下钻机机械按设计要求成孔，成孔后使用支盘设备在孔中各支盘位置进行挤扩
3、。 2.工程概况 南阳电厂是南阳市拟建的一座以供热为主、兼顾发电的大型火电项目。根据河南省电力勘测设计院提供的地质勘察资料，试桩区域自然地面标高约 141.4m，地基土以硬塑的粘土为主，总体上地基土强度较高。但场地内的粘土层，全为高液塑限的膨胀土，上部地层以弱膨胀潜势为主，下部地层以中等膨胀潜势为主，为特殊性岩土层。在勘探深度范围内的地基土分为 5 个主层和 1 个亚层，各层结构及岩土特性分述如下： 层粘土：硬塑，中压缩性，弱膨胀潜势。层底埋深 2.402.70m，层底标高 137.60139.09m。 层粘土：硬塑，中压缩性，弱膨胀潜势。层厚 3.004.30m，层底埋深 5.606.70m
4、，层底标高 133.30135.81m。 层粘土：硬塑，中压缩性，弱中膨胀潜势。层厚 6.307.90m，层底埋深 13.0013.50m，层底标高 127.00128.39m。 层粘土：硬塑坚硬，低中等压缩性，弱中膨胀潜势。层厚10.8011.60m，层底埋深 24.2024.60m，层底标高 115.40117.39m。 层粘土：坚硬，低中等压缩性，弱中膨胀潜势。最小揭露厚度 10.00m，最大揭露厚度 35.50m。 层1 中粗砂：密实，饱和，中压缩性。该层呈多层透镜体状分布于层中。层厚 0.501.40m，层底埋深 27.0031.90m，层底标高108.20113.00m。 3 试桩
5、概况 工程场地0.00m 标高为 142.8m，试桩区自然地面标高约 141.4m，试桩设计为挤扩支盘桩，分两种桩型，B 型 1#、2#、3#试桩设计有效桩长为 10.0m，设计桩顶标高位于0.00m 以下3m，实际施工桩顶位于自然地面，桩长 11.611.8m，桩径 600mm，配筋规格 1216，桩身设计一个盘，盘径 1100mm，支盘位于桩身 10.2m 处，预估单桩竖向抗压极限承载力 2000kN；A 型 4#、5#、6#试桩设计有效桩长为 25.0m，设计桩顶标高位于0.00m 以下6m，实际施工桩顶位于自然地面，桩长 29.5729.63m，桩径 700mm，配筋规格 1216，桩
6、身设置两个盘，盘径均为1400mm，分别位于桩身 16.5m 和 25.5m 处，预估单桩竖向抗压极限承载力 6400kN。 单桩竖向抗压静载荷试验采用锚桩横梁反力装置。主梁水平安置于试验桩上方，将次梁通过钢筋焊接在锚桩上提供反力，试验桩与主梁间安放千斤顶，通过超高压油泵控制千斤顶加、卸或维持荷载。用连接在千斤顶上的测力传感器测量千斤顶施加于试验桩上的力。A 型桩加、卸荷载设备为 2 个 6300kN 千斤顶，B 型桩加、卸荷载设备为 1 个 5000kN 千斤顶。 为了测试挤扩支盘桩的抗压承载力极限值并探讨其 Qs 曲线形态的特殊性，该工程设计了 6 组抗压静载荷试验。 为了测试挤扩支盘桩的
7、轴力分布规律并探讨其荷载传递机理，试桩施工中，根据建筑基桩检测技术规范 （JGJ1052003）及现场地质情况在地层分界面及支盘上下部位分别在 2 根对称主筋上安装了钢筋计，桩端对称安装 2 只压力盒。桩身轴力测试和静载荷试验同步进行，在每次观测沉降值时，测试一次钢筋应力计的频率，直至静载试验结束。 从桩身轴力的分布特征和支盘阻力、桩侧摩阻力、桩端阻力的发挥过程，可深入分析挤扩支盘桩的荷载传递机理。 一、轴力传递规律 图 2-12#试桩桩身轴力分布图 图 2-26#试桩桩身轴力分布图 从图中可以看到，挤扩支盘桩的荷载传递曲线与直杆桩明显不同，有独特的形态，轴力分布曲线在支盘上下端位置发生了急剧
8、变化，支盘下端轴力明显降低，其损耗的轴力完全由支盘承担，并将其转嫁到支盘底部的土层，从而使桩端阻力明显降低。这是支盘桩承力的特性，也是支盘桩具有高抗压承载力的原因所在。下面从挤扩支盘桩各桩段荷载分担值入手，进一步分析支盘桩及桩侧摩阻力的数值的大小及承力特性。 二、支盘端承力传递规律 由于支盘桩的特殊作用，支盘桩的荷载传递性状不同于一般的混凝土灌注桩。在桩顶荷载不算很大时，支、盘作用就显著的表达出来，这主要是由于支盘附近虽然存在土对桩体的摩阻力，但起重要作用的是土对盘处的支撑力，使得支盘下的土体在竖向荷载作用下表现出类似基础下土体破坏规律。 由以上分析荷载分担情况可见，在加荷初期，荷载主要由桩侧
9、摩阻力承担，随着荷载的增大，支盘承担的荷载越来越大。而对于 6#试桩，当荷载达到 8320kN 时，两支盘共同承担的荷载占到了 48.1%，将近总荷载的一半。对于 2#试桩，当荷载为 2420kN 时，支盘承担的荷载占到了38.35%，不及 6#试桩支盘承担荷载的比例。分析原因，主要有 3 个方面： 2#试桩的支盘盘径较小，为 1100mm，盘径/桩径（D/d）为1.833，而 6#试桩盘径为 1400mm ，D/d =2。 2#试桩桩长较短，且只设置一盘，与 6#设置两个支盘相比，支盘提供的端承力明显会小些；同时由于 2 试桩的桩长较短，支盘设置土层较浅，故土层的极限端阻力较小，而支盘承担荷
10、载的主要表现形式为端阻力，所以支盘分担的荷载比会偏小。 6#试桩设置两个支盘，结合本报告第四章中的分析，在受压状态下，两支盘间土体侧摩阻力折减值会比 2#试桩设置一个支盘大许多。 三、桩侧摩阻力传递规律 桩身设置了支和盘，其桩身侧阻力发挥发生了很大变化，由于支和盘下地基土的受力和破坏过程复杂，不考虑支和盘处地基土产生的支撑力，把支、盘附近地基土对桩引起的反力统一按侧摩阻力进行模拟分析。由 6#试桩的荷载分担情况可见，在加荷初期，荷载主要由桩侧摩阻力承担，随着荷载的增大，桩侧摩阻力分担荷载的相对值比越来越小。现将 6#试桩从上至下 3 个直桩段的桩侧总摩阻力绘制成图。从图中可看出 015.5m
11、段桩侧总摩阻力的发挥对 6#试桩的总摩阻力的大小起决定作用，就这一段总摩阻力的发展趋势而言，大体可分 3 个阶段：桩顶荷载介于 04480kN 时，桩侧总摩阻力基本呈线性增长；桩顶荷载介于4480kN7040kN 时，桩侧总摩阻力增长变缓，在 7040kN 级荷载时达到极限值；桩顶荷载超过 7040kN 之后，桩侧总摩阻力呈下降趋势。 通过以上分析，可以看出桩身侧阻力的发挥是从上而下的，主要是支盘的支撑力和侧阻力的传递作用，当桩达到极限荷载时，最底层支盘才发挥支撑力作用。 四、桩端阻力传递规律 由于支盘桩特殊的桩身构造，使得其桩端阻力的发挥受到很大影响。试验结果说明，当桩端产生位移时，桩端阻力
12、才开始发挥，位移达到最大值时，其桩端阻力也为最大值。本次试桩试验中，桩端阻力在极限荷载时所对应的桩顶沉降约为 5.23%的桩径，这比直杆钻孔灌注桩要小的多，也比 Veisc 认为桩端阻力要充分发挥时所需的桩顶沉降约为 8%30%的桩径要小，这是支盘桩的一个特性。也说明了桩体设置了支盘后，不仅承载力比直杆钻孔灌注桩提高了 70%100%，而且沉降量也比直杆桩要小的多 。 本次试桩的桩端阻力发挥比与桩端沉降比的关系可以看出，端阻发挥比（Qp/Qpu，其中 Qp 为端阻，Qpu 为极限荷载时的端阻）随桩端沉降比（Sp/d，Sp 为桩端位移，d 为桩的直桩段直径）的增加而增大。当端阻发挥 50%时，其
13、桩端沉降比为 1.88%左右，说明沉降非常小。 计算结果显示，挤扩支盘桩的端阻发挥比类似于打入桩。打入桩的桩端沉降比约为 1%，而钻孔灌注桩(非挤土桩)则需 3%4%。充分发挥端阻时，打入桩需要 10%，钻孔灌注桩需要 20%30%，而挤扩支盘桩只需5.23%，比打入桩还要小。因此，支盘桩在工作荷载作用下，端阻潜力很大。 以上分析的桩身轴力分布特征，支盘的承力特性，桩侧摩阻力的力学性状，以及桩端阻力性状，其结果主要根据河南南阳火力发电厂挤扩支盘桩现场原位测试资料研究得出的，挤扩支盘桩的承载性状及荷载传递规律基本相同，且表现出与普通直杆桩明显的不同。 5 结 语 本文以挤扩支盘桩的现场静载试验及
14、桩身应力测试资料为基础，全面系统地研究了挤扩支盘桩在竖向荷载作用下的荷载传递机理，挤扩支盘桩支盘端承力的发挥具有明显的时间和顺序效应，上部支盘端承力的发挥早于下部支盘。在进行支盘桩设计时，应在上部合适地层设置支盘，以利用其承载力减少桩基的沉降变形。加荷初期桩侧摩阻力发挥较多，加荷后期摩阻力已发挥到极限。支盘桩桩侧摩阻力荷载分担比明显比直杆桩的小，将近一半的总荷载由支盘承担，而桩端承担的荷载发挥也较滞后，且分担比重较小，挤扩支盘桩为端承摩擦桩。通过静载荷试验结果的分析、比较，得出挤扩支盘桩的 Q-s 曲线形态一般为缓变型曲线，当对挤扩支盘桩的单桩极限承载力取值时，应在桩土强度范围内以变形控制为主。对于部分陡变型曲线，取其发生明显陡降的起始点对应的荷载值。单桩在竖向荷载下的破坏通常是由于地基土强度破坏而引起，且单桩承载力的极限状态一般由桩端阻力的破坏所制约（纯摩擦桩除外） 。 参 考 文 献 1 火力发电厂支盘桩暂行技术规定（DJGJ2000） 2 南阳火电厂一期工程桩基检测报告.黄物探质检（桩）字第CZ05048 号 3 桩基工程手册编写委员会.桩基工程手册.中国工业出版社，1997 4 常士骠主编.工程地质手册.中国建筑工业出版社，1992 5 行业标准.建筑桩基技术规范（JGJ9494）.中国建筑工业出版社，1995
