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摘要：本文研究了挤扩支盘桩承载力的有关计算理论。分析了支盘桩支盘承载力状态以及作用机理,为支盘桩的工程应用提供了有价值的参数和计算依据。
关键词: 灌注桩挤扩支盘桩 承载力；
中图分类号： U443.15+4 文献标识码： A 文章编号：
0引言
挤扩支盘桩承载力大, 变形沉降小,近几年被很多工程广泛采用，也得到了大量专业人士的重视。但该桩型的工作机理还未形成一致认同,挤扩支盘桩的国家标准一直没有出台,使得该项技术的应用和推广受到了很大的局限。对支盘桩工作性状的研究非常必要。
1挤扩灌注桩承载力概述
1.1 挤扩支盘桩在成桩机理上及荷载传递上不同于一般的桩基，在施工工艺上，它是利用挤扩机在钻孔孔壁上挤扩成支状或盘状腔模，然后放入钢筋笼，浇灌混凝土后即成支盘桩。由于这种挤扩作用，支盘上下端土体得到了压密，减少了压缩性，提高了内摩擦角和压缩模量，其物理力学性质高于原状土。首先，在承力时，由于支盘周边土体预先得到压密，类似于“预应力”作用，减小了土体的压缩量，结果使土体的竖向承载力及抗拔力都成倍地提高。这是其他异形桩在承力时不可能实现的，也是挤扩支盘桩高承载力的一个主要因素。其次，在成桩机理上，挤扩支盘桩是利用中下部较好的土层，将荷载通过支盘传递到土层上去，即分层承载，逐一卸荷。它不仅减小了桩端阻力，而且还扩大了承载面积，达到了提高承载力的目的。
1.2 在荷载传递上，每个支盘都要受力，但上部支盘首先承担大部分荷载，随着桩顶荷载逐渐加大，中下部支盘力也随之加大，从而使单桩承载力逐步提高。由于分层承载，在工作荷载作用下，桩端阻力很小，从而保证了桩端土的稳定性。由于承力盘承担主要的荷载，使端阻力减小，因而桩的总沉降量减小，而且由于承力盘或分支的设置增加了桩的整体刚度，因此，挤扩支盘桩在受力机制上是非常科学的，完全符合荷载传递规律，并且具有较大的承载潜力。
1.3 挤扩灌注桩最显著的特点就是提高了桩的承载能力，根据现场载荷试验对比结果来看，承载力提高的幅度因地质条件的不同而差异较大，一般在10%～70%之间。由于在桩周下部较好的土层中设立了承力盘，将荷载通过支盘传递到相对较硬的土层上去，即分层承受荷载。同时承力盘的盘径较大，如φ600mm的主桩，盘径可设置为1500mm，仅单个盘的受力面积就增加4～6倍之多，因此使端阻大大提高。
2挤扩灌注桩承载力理论研究
2.1挤扩灌注桩承载力计算理论
2.1.1为满足工程需求，如何确定挤扩桩的承载力是关键问题，近几年来国内众多工程技术人员和学者进行了大量的研究与实践。唐业清教授从工程实践出发，提出了用标准贯入试验确定承载力的方法:
式中：N—标准贯入试验击数；1K、2K、3K—分别为各盘的分项系数，查表确定；η1、η2、η3—土性系数，查表确定；w—桩身自重。
2.1.2徐至钧等[1]通过搜集大量工程试桩资料进行统计分析，总结出以下承载力计算公式：
式中：pψ—为底盘尺寸效应系数，其它符号同前式（1.1）。
对于挤扩桩承载力的计算理论还有很多，如吴军帅提出了端阻综合修正系数ψj，它与支盘的设置深度、成盘直径有关，同时他给出了相应的经验值[2]。
2.2挤扩灌注桩支盘的受力状态理论
2.2.1杨志龙、顾晓鲁等通过对沿海软土层（以天津地区为例）做了挤扩灌注樁应力传递规律的试验研究，得出试验结论：随着竖向荷载的增加，由上到下各承力盘或分支先后发挥其端承作用；各承力盘或分支上、下一定范围内桩侧摩阻力不能发挥出来，建议在多支盘桩设计时，承力盘或分支间距不宜小于4～6d（d为桩径）；对粉土、粉质粘土，桩侧极限摩阻力为30～70kPa，所对应的极限位移为5～20mm；桩侧极限摩阻力和极限位移随土层埋深而增大；在相同条件下，多支盘桩的极限承载比等截面桩高50％左右。
2.2.2 卢成原、孟繁丽等[3]根据挤扩桩的实际工作状况，设计了内模型装置进行承载和变形性能及影响因素研究并得到以下结论：盘桩的承载力要远远高于等直径桩，单位混凝土的承载力是等直径桩2.6倍，同等荷载下对应沉降量仅为等直径桩的1/5。
2.2.3 钱德玲[4]通过挤扩灌注桩现场静载试验的实测数据和三维有限元数值模拟，对其荷载传递规律进行研究得出如下结论：①挤扩桩属于多支点摩擦端承桩，桩的受力主要靠承力盘承受荷载。支盘力大、侧摩阻力小是挤扩桩的主要承力特点。②承力盘的受力特征具有明显的时间效应，各盘的端承力并非同步发挥，并非同时达到极限值或同等受力，第一个盘受到的荷载最大，其上斜面土体的拉应力也最大。③支盘间最小净间距为≥2D，在满足盘间净间距条件下，可以任意调整桩长、桩径和盘数，以次来调整承载力设计值。④支盘端阻力与桩侧摩阻力之间存在互补关系：当支盘端承力不再承受荷载时，该支盘下的桩侧摩阻力则发挥积极作用；当支盘承受荷载时，由于支盘下土体受到应力叠加效应，桩侧摩阻力则减小。承力盘下土体中的压应力值向下扩散的范围大约为2～2.5D（D为承力盘直径），因此，承力盘间最小净间距为大于等于2D；压应力值侧向扩散的范围距桩的中心线大约在1D左右，因此考虑到群桩效应，群桩中基桩的最小中心距为2D。⑤通过静荷载试验及其实测数据，计算了各支盘力、桩侧摩阻力及桩端阻力。得出了桩端阻力充分发挥时所对应的桩顶沉降约为6.5%桩径的结论，这比钻孔灌注桩要小的多。
2.3挤扩桩桩土作用机理
2.3.1卢成原通过对试验桩桩周土取样研究，得出以下结论：支盘挤密成型时，有明显挤压效应，挤扩成盘时对邻土体挤密作用使其干密度提高9%以上，压缩模量提高26%以上。局部土体挤压后的干密度增幅可达20%以上，这种挤密效应是其具有较高承载性能的主要原因；②挤扩支盘挤压应力对桩周土挤密效应的影响范围，在水平方向可达1.2～１.5m，尤其在1.5m范围内挤密效果显著；③在竖直方向挤密效应的衰减与其离盘的距离有近似线性关系，且衰减受土层变化影响较大[5]。
2.3.2 杨志龙采用线弹性有限元对支盘桩进行了分析。假定当地基土处于弹性阶段时，桩身直筒部分与相邻土体之间不产生相对位移，也就是说，借助摩阻力的作用，桩壁拉着土体一起下沉。但扩径体的上斜面难以拉着斜面以上的土体向下移动，故扩径体的上斜面将可能与土体脱离。而且杨志龙的计算在桩土间没有引入接触面单元，因此桩土间的应力传递偏大，计算扩径体的埋深、尺寸及扩径体间距对承载力的影响比实际情况要小。而且当桩顶荷载较大时，扩径体下侧土体及桩端土体由于应力集中，会出现塑性区，此时如仍用线弹性模型计算，则结果可能会失真。
2.4挤扩桩极限破坏状态
2.4.1 崔江余、吕勤[6]通过室内模型桩与工程桩的对比测试，对挤扩桩的荷载传递规律进行研究，其研究结果表明，支盘的作用及破坏机理类似于大直径桩墩基础，当受力较小时，桩底土被挤密，扩底的斜面上出现临空面，桩两侧土体出现不连续的裂缝。当荷载继续增大，不连续的裂缝连通，形成伞形的拉裂缝，挤扩桩由于特殊的成桩工艺，通过液压挤扩装置对支或盘周围挤密，故支盘周围的土体被加固，其承载力高于原状土，挤扩桩的受力机理也有别于大直径桩墩基础。当有两个以上支或盘时，如果间距大于某一临界值，则各支或盘上下土体在成桩时被挤密加固，挤扩桩能提供较大的承载力，从而提高单桩承载力。根据室内模型试验和现场试验的结果表明，如果支盘间距太近，则盘下的土体就可能被剪坏甚至塌落到下面承力盘的临空面裂隙中，从而破坏了这一区段的桩土间的摩擦力，桩承载力受到很大的限制。崔江余建议对于挤扩桩的沉降计算应根据挤扩桩的受力特点按桩身材料的压缩量、支盘压密土体变位和桩端土的压密变位三部分虑。对于挤扩支盘桩，底盘直径一般均较大，又存在中间支盘的端承用，施工时又对桩周土挤密加固，可不考虑桩尖刺入变形。
2.4.2 邹仁华等通过建立轴对称问题有限元模型，对挤扩桩的荷载传递进行了研究。模拟结果显示，在竖向荷载作用下，桩身应力在各承力盘处呈现跳跃性的变化，反映出侧摩阻力与承力盘端阻力发挥的程度。当加载较小时，桩身压缩量也较小，桩土间相对位移量很小，侧摩阻力得不到充分发挥。随着荷载增大，桩身压缩和桩土的相对滑移量增大，侧摩阻力随之增大。但由于承力盘的存在，桩顶加载较大时，桩身下沉，同时压缩各承力盘下方的土体，使得桩土相对位移量同等截面桩相比减小，侧摩阻力下降，大部分荷载通过承力盘传递并扩散到其下方土体中。各支盘及桩底所提供的总端阻力占竖向总荷载的63.1%～67.4%，侧摩阻力仅占总荷载的36.9%～32.6%。由此表明在桩顶位移相同的情况下，多支盘桩与等截面摩擦桩的桩身摩阻力发挥程度是有较大差异的。模拟试验还发现，挤扩承力盘上、下方土质的改善是承载力提高的主要原因。
2.4.3 巨玉文、穆希军等[7]通过轴力测试、荷载数值模拟对挤扩桩的荷载传递规律进行了研究并得出以下规律：各盘承载能力的发挥具有明显的时间和顺序效应。加荷初期，上盘比下盘承担较多荷载，但下盘分担荷载增长迅速，在受荷后期反而比上盘分担更多荷载。支盘阻力的荷载传递特征与桩端阻力相似，如将支盘阻力和桩端阻力统称为端阻力，则在桩顶荷载接近极限荷载时，端阻力占总荷载的69%，其余31%。单桩的Q-S曲线形状可以反映桩的变形特性，初始段上几条曲线重合在一起。当荷载超过25%后曲线分离，直桩的曲线在上、支盘桩的曲线在下，随后尾部略有上翘，曲线大致呈S型，从而验证了挤扩支盘桩属于摩擦多支点端承桩的特性。
3结束语
由于挤扩支盘桩桩土相互作用关系十分复杂,尚有许多问题,如支盘尺寸变化的影響,土层性质的影响等在本文涉及不深,而这些问题也是对这类桩的推广作用有重要影响的,有待做进一步的深入研究。
参考文献
[1]徐至钧，张国栋.新型挤扩支盘桩设计与工程应用[M].北京：建筑工业出版社，2003.
[2]吴军帅.竖向荷载下支盘桩的荷载传递性状及承载力的确定[J].电力勘测，2001.1：12-16.
[3]卢成原，孟繁丽等.非饱和粉质粘土模型支盘桩试验研究[J].岩土工程学报，2004.4：522-525.
[4]钱德玲.利用数值仿真系统实现支盘桩的荷载传递性状[J].土木工程学报，2004.7：68-72.
[5]卢成原，孟繁丽等.挤扩支盘桩的试验研究[J].工程勘察，2001.6：12-14.
[6]崔江余，吕勤.挤扩支盘桩受力机理试验研究[J].铁道学报，2002.6：62-66.
[7]巨玉文，穆希军等.挤扩支盘桩变形性状的试验研究及承载力计算[J].工程力学，2003.12：34-38.
关键词: 灌注桩挤扩支盘桩 承载力；
中图分类号： U443.15+4 文献标识码： A 文章编号：
0引言
挤扩支盘桩承载力大, 变形沉降小,近几年被很多工程广泛采用，也得到了大量专业人士的重视。但该桩型的工作机理还未形成一致认同,挤扩支盘桩的国家标准一直没有出台,使得该项技术的应用和推广受到了很大的局限。对支盘桩工作性状的研究非常必要。
1挤扩灌注桩承载力概述
1.1 挤扩支盘桩在成桩机理上及荷载传递上不同于一般的桩基，在施工工艺上，它是利用挤扩机在钻孔孔壁上挤扩成支状或盘状腔模，然后放入钢筋笼，浇灌混凝土后即成支盘桩。由于这种挤扩作用，支盘上下端土体得到了压密，减少了压缩性，提高了内摩擦角和压缩模量，其物理力学性质高于原状土。首先，在承力时，由于支盘周边土体预先得到压密，类似于“预应力”作用，减小了土体的压缩量，结果使土体的竖向承载力及抗拔力都成倍地提高。这是其他异形桩在承力时不可能实现的，也是挤扩支盘桩高承载力的一个主要因素。其次，在成桩机理上，挤扩支盘桩是利用中下部较好的土层，将荷载通过支盘传递到土层上去，即分层承载，逐一卸荷。它不仅减小了桩端阻力，而且还扩大了承载面积，达到了提高承载力的目的。
1.2 在荷载传递上，每个支盘都要受力，但上部支盘首先承担大部分荷载，随着桩顶荷载逐渐加大，中下部支盘力也随之加大，从而使单桩承载力逐步提高。由于分层承载，在工作荷载作用下，桩端阻力很小，从而保证了桩端土的稳定性。由于承力盘承担主要的荷载，使端阻力减小，因而桩的总沉降量减小，而且由于承力盘或分支的设置增加了桩的整体刚度，因此，挤扩支盘桩在受力机制上是非常科学的，完全符合荷载传递规律，并且具有较大的承载潜力。
1.3 挤扩灌注桩最显著的特点就是提高了桩的承载能力，根据现场载荷试验对比结果来看，承载力提高的幅度因地质条件的不同而差异较大，一般在10%～70%之间。由于在桩周下部较好的土层中设立了承力盘，将荷载通过支盘传递到相对较硬的土层上去，即分层承受荷载。同时承力盘的盘径较大，如φ600mm的主桩，盘径可设置为1500mm，仅单个盘的受力面积就增加4～6倍之多，因此使端阻大大提高。
2挤扩灌注桩承载力理论研究
2.1挤扩灌注桩承载力计算理论
2.1.1为满足工程需求，如何确定挤扩桩的承载力是关键问题，近几年来国内众多工程技术人员和学者进行了大量的研究与实践。唐业清教授从工程实践出发，提出了用标准贯入试验确定承载力的方法:
式中：N—标准贯入试验击数；1K、2K、3K—分别为各盘的分项系数，查表确定；η1、η2、η3—土性系数，查表确定；w—桩身自重。
2.1.2徐至钧等[1]通过搜集大量工程试桩资料进行统计分析，总结出以下承载力计算公式：
式中：pψ—为底盘尺寸效应系数，其它符号同前式（1.1）。
对于挤扩桩承载力的计算理论还有很多，如吴军帅提出了端阻综合修正系数ψj，它与支盘的设置深度、成盘直径有关，同时他给出了相应的经验值[2]。
2.2挤扩灌注桩支盘的受力状态理论
2.2.1杨志龙、顾晓鲁等通过对沿海软土层（以天津地区为例）做了挤扩灌注樁应力传递规律的试验研究，得出试验结论：随着竖向荷载的增加，由上到下各承力盘或分支先后发挥其端承作用；各承力盘或分支上、下一定范围内桩侧摩阻力不能发挥出来，建议在多支盘桩设计时，承力盘或分支间距不宜小于4～6d（d为桩径）；对粉土、粉质粘土，桩侧极限摩阻力为30～70kPa，所对应的极限位移为5～20mm；桩侧极限摩阻力和极限位移随土层埋深而增大；在相同条件下，多支盘桩的极限承载比等截面桩高50％左右。
2.2.2 卢成原、孟繁丽等[3]根据挤扩桩的实际工作状况，设计了内模型装置进行承载和变形性能及影响因素研究并得到以下结论：盘桩的承载力要远远高于等直径桩，单位混凝土的承载力是等直径桩2.6倍，同等荷载下对应沉降量仅为等直径桩的1/5。
2.2.3 钱德玲[4]通过挤扩灌注桩现场静载试验的实测数据和三维有限元数值模拟，对其荷载传递规律进行研究得出如下结论：①挤扩桩属于多支点摩擦端承桩，桩的受力主要靠承力盘承受荷载。支盘力大、侧摩阻力小是挤扩桩的主要承力特点。②承力盘的受力特征具有明显的时间效应，各盘的端承力并非同步发挥，并非同时达到极限值或同等受力，第一个盘受到的荷载最大，其上斜面土体的拉应力也最大。③支盘间最小净间距为≥2D，在满足盘间净间距条件下，可以任意调整桩长、桩径和盘数，以次来调整承载力设计值。④支盘端阻力与桩侧摩阻力之间存在互补关系：当支盘端承力不再承受荷载时，该支盘下的桩侧摩阻力则发挥积极作用；当支盘承受荷载时，由于支盘下土体受到应力叠加效应，桩侧摩阻力则减小。承力盘下土体中的压应力值向下扩散的范围大约为2～2.5D（D为承力盘直径），因此，承力盘间最小净间距为大于等于2D；压应力值侧向扩散的范围距桩的中心线大约在1D左右，因此考虑到群桩效应，群桩中基桩的最小中心距为2D。⑤通过静荷载试验及其实测数据，计算了各支盘力、桩侧摩阻力及桩端阻力。得出了桩端阻力充分发挥时所对应的桩顶沉降约为6.5%桩径的结论，这比钻孔灌注桩要小的多。
2.3挤扩桩桩土作用机理
2.3.1卢成原通过对试验桩桩周土取样研究，得出以下结论：支盘挤密成型时，有明显挤压效应，挤扩成盘时对邻土体挤密作用使其干密度提高9%以上，压缩模量提高26%以上。局部土体挤压后的干密度增幅可达20%以上，这种挤密效应是其具有较高承载性能的主要原因；②挤扩支盘挤压应力对桩周土挤密效应的影响范围，在水平方向可达1.2～１.5m，尤其在1.5m范围内挤密效果显著；③在竖直方向挤密效应的衰减与其离盘的距离有近似线性关系，且衰减受土层变化影响较大[5]。
2.3.2 杨志龙采用线弹性有限元对支盘桩进行了分析。假定当地基土处于弹性阶段时，桩身直筒部分与相邻土体之间不产生相对位移，也就是说，借助摩阻力的作用，桩壁拉着土体一起下沉。但扩径体的上斜面难以拉着斜面以上的土体向下移动，故扩径体的上斜面将可能与土体脱离。而且杨志龙的计算在桩土间没有引入接触面单元，因此桩土间的应力传递偏大，计算扩径体的埋深、尺寸及扩径体间距对承载力的影响比实际情况要小。而且当桩顶荷载较大时，扩径体下侧土体及桩端土体由于应力集中，会出现塑性区，此时如仍用线弹性模型计算，则结果可能会失真。
2.4挤扩桩极限破坏状态
2.4.1 崔江余、吕勤[6]通过室内模型桩与工程桩的对比测试，对挤扩桩的荷载传递规律进行研究，其研究结果表明，支盘的作用及破坏机理类似于大直径桩墩基础，当受力较小时，桩底土被挤密，扩底的斜面上出现临空面，桩两侧土体出现不连续的裂缝。当荷载继续增大，不连续的裂缝连通，形成伞形的拉裂缝，挤扩桩由于特殊的成桩工艺，通过液压挤扩装置对支或盘周围挤密，故支盘周围的土体被加固，其承载力高于原状土，挤扩桩的受力机理也有别于大直径桩墩基础。当有两个以上支或盘时，如果间距大于某一临界值，则各支或盘上下土体在成桩时被挤密加固，挤扩桩能提供较大的承载力，从而提高单桩承载力。根据室内模型试验和现场试验的结果表明，如果支盘间距太近，则盘下的土体就可能被剪坏甚至塌落到下面承力盘的临空面裂隙中，从而破坏了这一区段的桩土间的摩擦力，桩承载力受到很大的限制。崔江余建议对于挤扩桩的沉降计算应根据挤扩桩的受力特点按桩身材料的压缩量、支盘压密土体变位和桩端土的压密变位三部分虑。对于挤扩支盘桩，底盘直径一般均较大，又存在中间支盘的端承用，施工时又对桩周土挤密加固，可不考虑桩尖刺入变形。
2.4.2 邹仁华等通过建立轴对称问题有限元模型，对挤扩桩的荷载传递进行了研究。模拟结果显示，在竖向荷载作用下，桩身应力在各承力盘处呈现跳跃性的变化，反映出侧摩阻力与承力盘端阻力发挥的程度。当加载较小时，桩身压缩量也较小，桩土间相对位移量很小，侧摩阻力得不到充分发挥。随着荷载增大，桩身压缩和桩土的相对滑移量增大，侧摩阻力随之增大。但由于承力盘的存在，桩顶加载较大时，桩身下沉，同时压缩各承力盘下方的土体，使得桩土相对位移量同等截面桩相比减小，侧摩阻力下降，大部分荷载通过承力盘传递并扩散到其下方土体中。各支盘及桩底所提供的总端阻力占竖向总荷载的63.1%～67.4%，侧摩阻力仅占总荷载的36.9%～32.6%。由此表明在桩顶位移相同的情况下，多支盘桩与等截面摩擦桩的桩身摩阻力发挥程度是有较大差异的。模拟试验还发现，挤扩承力盘上、下方土质的改善是承载力提高的主要原因。
2.4.3 巨玉文、穆希军等[7]通过轴力测试、荷载数值模拟对挤扩桩的荷载传递规律进行了研究并得出以下规律：各盘承载能力的发挥具有明显的时间和顺序效应。加荷初期，上盘比下盘承担较多荷载，但下盘分担荷载增长迅速，在受荷后期反而比上盘分担更多荷载。支盘阻力的荷载传递特征与桩端阻力相似，如将支盘阻力和桩端阻力统称为端阻力，则在桩顶荷载接近极限荷载时，端阻力占总荷载的69%，其余31%。单桩的Q-S曲线形状可以反映桩的变形特性，初始段上几条曲线重合在一起。当荷载超过25%后曲线分离，直桩的曲线在上、支盘桩的曲线在下，随后尾部略有上翘，曲线大致呈S型，从而验证了挤扩支盘桩属于摩擦多支点端承桩的特性。
3结束语
由于挤扩支盘桩桩土相互作用关系十分复杂,尚有许多问题,如支盘尺寸变化的影響,土层性质的影响等在本文涉及不深,而这些问题也是对这类桩的推广作用有重要影响的,有待做进一步的深入研究。
参考文献
[1]徐至钧，张国栋.新型挤扩支盘桩设计与工程应用[M].北京：建筑工业出版社，2003.
[2]吴军帅.竖向荷载下支盘桩的荷载传递性状及承载力的确定[J].电力勘测，2001.1：12-16.
[3]卢成原，孟繁丽等.非饱和粉质粘土模型支盘桩试验研究[J].岩土工程学报，2004.4：522-525.
[4]钱德玲.利用数值仿真系统实现支盘桩的荷载传递性状[J].土木工程学报，2004.7：68-72.
[5]卢成原，孟繁丽等.挤扩支盘桩的试验研究[J].工程勘察，2001.6：12-14.
[6]崔江余，吕勤.挤扩支盘桩受力机理试验研究[J].铁道学报，2002.6：62-66.
[7]巨玉文，穆希军等.挤扩支盘桩变形性状的试验研究及承载力计算[J].工程力学，2003.12：34-38.