大直径扩底桩在岩石地基中的应用设计

李　鹏

(中国建筑西南设计研究院有限公司， 重庆 400020)



大直径扩底桩在岩石地基中的应用设计

李鹏

(中国建筑西南设计研究院有限公司， 重庆 400020)

【摘要】扩底桩在当前建筑中应用越来越广泛，文章针对扩底桩在结构设计中遇到的几个问题进行了探讨。从扩底桩的破坏机理及其自身特点进行分析，提出了在岩石地基中大直径扩底桩的实用设计方法。岩石地基下，计算扩底桩的单桩承载力时，应考虑扩大头的尺寸效应进行折减；扩底桩桩身作为上部结构和扩大头之间的过渡，传统的桩身配筋偏小；通过扩底桩桩底配筋可以提高单桩承载力。

【关键词】扩底桩；单桩承载力；配筋；岩石地基

近年来，随着公用和民用建筑不断向高层、大跨、复杂方向的发展，大型桥梁、市政工程的快速发展，对基础承载力提出越来越高的要求，同时，普通的大直径直筒桩因其经济成本过高而不断受到业主和设计人员的质疑。这时，大直径扩底桩因为具有单桩承载力高、经济效益好、施工质量易控制、施工速度快以及对环境影响小等优点，越来越被广泛的运用于高层、复杂建筑和市政桥梁工程，在工程地质条件和施工条件允许时常成为基础工程方案的首选。

1扩底桩的破坏机理[1]

根据JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》[2]规定，工程中通常采用的大直径扩底桩，桩身直径d一般为0.8～2.0m，扩底直径D=(2.5～3.0)d，桩长L通常为5～20m。扩底端a/hc一般取1/4～1/2。土质地基中，扩底端底面一般呈锅底状，矢高hb取(0.15～0.20)D。扩底桩构造如图1所示。岩石地基中，由于岩石硬度大，难以开挖成锅底状，多采用平直底面。

图1　扩底桩构造

一般而言，桩基础破坏模式主要有深层剪切破坏和刺入破坏，扩展基础破坏模式主要有整体剪切破坏和局部剪切破坏。试验研究和数值分析表明，大直径扩底桩桩端底下的地基变形和破坏模式既不同于扩展基础，也不同于普通桩基础。

在竖向外荷载作用下，桩身承受部分摩擦力，扩大头斜面承受少量拉力，桩底主要承受压力，扩底端外边缘的压应力会对扩大头形成类似于扩展基础的剪应力(图2)。随着荷载的增大，拉应力区出现空隙，但由于土体自身的粘聚力作用而不致塌陷。当荷载增大到一定程度，扩底端底面外侧地基产生伞形的拉裂缝[1]，同时桩身侧面产生滑移，即认为桩基础已经破坏。整个受力过程中，扩底桩桩端底下的地基土以竖向压缩变形为主，伴随有少量侧向挤压，在大变形时也不会形成连续滑动面。

图2　扩底桩受力特征

2扩底桩的计算分析

2.1单桩承载力计算

扩底桩是由灌注直筒桩基础上发展而来，可以认为是直筒桩基础与扩展基础的组合结构，即：桩身为直筒桩，桩脚为扩展基础，故扩底桩的设计应该是在桩基础设计原理的基础上同时考虑扩展基础的设计要求，综合评价扩底桩的竖向承载力。

当扩底桩达到极限承载力时，扩大头侧面与岩体间会产生裂隙，岩体无法对桩形成有效的嵌固作用，因此，扩底桩不属于嵌岩桩，不能按规范中嵌岩桩的公式计算。根据JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》第5.3.6条，大直径灌注桩竖向极限承载力标准值的计算公式为：

(1)

式中:Quk为大直径灌注桩竖向极限承载力标准值；Qsk为桩侧土层的总极限侧阻力标准值；Qpk为扩底端底面岩层的极限端阻力标准值。

现场试验研究表明，大直径桩桩侧摩阻力完全发挥所需的桩土间相对位移较小，一般只要桩底沉降5～7mm时，无论桩侧是黏性土还是无黏性土，桩周摩阻力均可发挥全部作用[3]。当桩基础支承在岩石地基上时，一般认为桩基础无沉降，因此，在确定大直径扩底桩承载力时，应根据实际情况不考虑桩侧摩阻力的影响，取Qsk=0。

对于大直径直筒桩[5]：

(2)

(3)

(4)

式中:fuk为现场载荷板试验所得桩端地基极限承载力标准值；Ap为桩端横截面面积；R为单桩竖向承载力特征值；K为安全系数；fa为修正后的地基承载力特征值，除强风化和全风化岩石以外，岩石地基不修正[4]；fak地基承载力特征值。

根据试验研究发现，当桩顶荷载用扩底直径进行归一化处理之后，桩在相同的归一化应力下，扩底直径越大，桩底产生的位移也越大。这说明虽然桩底直径扩大有利于增加桩端承载力，但也会造成单位端阻力减小，存在一定的尺寸效应[6]。因此，应对扩底桩的承载力予以折减。

参照《建筑桩基技术规范》中对大直径桩端阻力尺寸效应系数的规定，对于岩石地基而言，其折减系数取：

(5)

式中:d为桩身直径；D为扩底直径。

综上所述，岩石地基条件下，扩底桩的单桩竖向承载力特征值公式为：

(6)

对于轴心受压的扩展基础[4]：

Fk+Gk≥faA

(7)

式中:Fk为相应于作用的标准组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力值；Gk为基础自重和基础上的土重；A为基础底面面积。

扩底桩是直筒桩基础与扩展基础的组合结构，而由扩展基础的计算公式中可以看出，基底的承载力并没有折减。同时，工程实例[3]中也发现，当扩底桩桩底配筋时，承载力明显高于相同规格的普通扩底桩。因此，笔者认为，对于扩底桩而言，当桩底配置钢筋时，尺寸折减系数可取η=1.0。

2.2桩身正截面受压承载力计算

根据JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》第5.8.2条的规定，当桩顶以下5d范围的桩身螺旋式箍筋间距不大于100mm时，可以考虑桩身钢筋的作用。经计算，若桩身配筋率达到0.5 %，桩身钢筋对承载力的增大效果约为10 %。现场施工时，间距100mm的螺旋箍施工不方便，一般采用间距100mm的普通圆箍。因此，笔者建议，计算桩身承载力时宜不考虑钢筋的有利作用，采用规范中第二个公式：

(8)

式中:Aps为桩身较小直径处截面面积；其他参数参照《桩基规范》。

3扩底桩的配筋构造

3.1桩身配筋构造

根据JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》第4.1.1条的规定，当桩身直径为300～2 000mm时，正截面配筋率可取0.65 %～0.2 %(小直径桩取高值)。扩底桩桩身直径一般较小，以800mm直径的桩身为例，桩身配筋率约为0.52 %。因扩底桩自身的特点，若将扩底端看作是扩展基础，则桩身相当于竖向构件-框柱。而受压构件的纵向钢筋为三级钢时，最小配筋率为0.55 %[7]。综合考虑，笔者建议，扩底桩桩身配筋率取0.55 %，同时，根据计算确定桩身配筋。

3.2桩端配筋构造

扩底桩桩底配筋能提高桩底扩大头部分的抗弯能力，从而极大地提高单桩竖向承载力，但对于机械成孔而言，目前还没有一种成熟的桩底配筋的装置和工艺。采用人工挖孔桩时，可考虑采用通过桩底配筋的方式，达到提高单桩竖向承载力的目的。因目前国内外对扩底桩桩底配筋的资料及试验数据较少，无法准确确定配筋的数量和直径。

根据扩底桩的特点，扩底端侧面的倾斜角一般较大(夹角超过60°)，因此，扩底端不存在抗冲切和抗剪的问题，桩底也不会承受弯矩。笔者建议，扩底桩桩底配筋可参照扩展基础的构造要求，最小配筋率不应小于0.15 %，钢筋最小直径不应小于10mm，间距不应大于200mm，也不应小于100mm。

4扩底桩的施工方法简介

根据扩底端施工方法的不同，扩底桩可分为静压(夯击)扩底桩、机械扩底桩、人工挖孔扩底桩、压力注浆扩底桩、爆破扩底桩和胀扩体扩底桩。其中，静压(夯击)扩底桩是通过夯击或配重挤压土体成形，进而将管内混凝土压出形成扩大头；机械扩底桩是利用机械成孔然后在其底端形成扩大头，再灌注混凝土进行施工；人工挖孔扩底桩是采用人工或简单的机具进行开挖的方式，施工时应保证作业人员的安全；压力注浆扩底桩很好的解决了桩底沉渣问题，能有效提高承载力，减少沉降；爆破扩底桩是利用炸药在桩孔底部爆炸形成扩大头的方式；膨胀体扩底桩是把一个由薄壁可折叠钢管组成的胀扩体放入一个预先钻好的钻孔中，注入水泥浆后发生膨胀，形成扩大头[8]。

对于岩石地基而言，一般采用机械扩底桩和人工挖孔扩底桩。而爆破扩底桩对地基承载力影响较大，工程中采用较少[8]。

5结束语

针对扩底桩在设计中出现的问题，由于试验数据较少且地基种类繁多，目前专家学者尚不能形成共识，笔者查阅资料，给出了自己的一些建议：

(1)计算单桩承载力时，应考虑扩大头尺寸影响系数的折减；

(2)传统桩身配筋偏小，应提高扩底桩桩身的最小配筋率；

(3)有条件时，扩底桩桩底宜配筋。

参考文献

[1]张聚山，王俊林.扩底墩基础设计与分析[J].岩土工程学报，1996,18(3).

[2]JGJ94-2008 建筑桩基技术规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2008.

[3]阮华夫，诸岧，张鹏.钻孔灌注桩扩底桩配筋研究[J]. 城市道桥与防洪，2010(2).

[4]GB50007-2011 建筑地基基础设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2011.

[5]DBJ50-200-2014 建筑桩基础设计与施工验收规范[S].

[6]宋仁乾.人工挖孔扩底桩现场试验研究[J].中国科技信息，2012(3).

[7]GB50010-2010 混凝土结构设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

[8]胡庆红.大直径扩底桩试验研究与数值分析[D].浙江大学，2007.

[作者简介]李鹏(1984～)，男，硕士，工程师，主要从事结构设计工作。

【中图分类号】TU473.1+2

【文献标志码】A

[定稿日期]2016-01-20