软土地基中爆扩短桩设计施工的应用探讨
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摘要：爆扩短桩基础是近年来建筑科学技术方面的一项新成就，实践证明爆扩短桩基础比天然地基基础具有经济、功效高、节约材料、节省土方工程的施工费用等优点，如果能够在一般工业与民用建筑中采用爆扩短桩基础，则在节省土方工程费用、加快施工进度有重要意义。本文在工程施工、设计、实践的基础上，根据理论和试验研究资料，初步分析和探讨了现浇混凝土爆扩短桩在软土地基中的应用，并着重结合设计和桩基试验，分析了爆扩桩桩身的强度计算，扩大头计算，炸药量计算、沉降问题、以及技术经济指标的比较，提出了一些初浅看法，以供工业与民用建筑结构基础设计、施工参考。
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
一、引言
1986年贵州铝厂三期烧结法工程中的二号叶滤车间室外设备储罐基础就采用了爆扩短桩基础。该车间位于贵州铝厂氧化铝厂厂区预留空地内，地势空旷平坦，建厂前为农田，地质情况为粘土、淤泥质粘土、草炭等，一般情况挖土不深即会有地表水的渗出，但无地下水，根据地勘报告，天然地面下2m以内为粘土，局部为人工土，2m以下为灰黑色淤泥质粘土，厚度约12m，之间夹有草炭层。是否能在这样的工业建筑、这样的地质条件中采用爆扩短桩基础，国内尚无成熟的实践经验，在建设单位贵州铝厂、设计单位贵阳铝镁设计研究院、施工单位中国有色金属工业总公司第七冶金建设公司第一工程公司的的共同探讨和实践下，通过静载试验，分别对不同情况进行了爆扩短桩试验，满足了设计要求。
二、软土地基中爆扩短桩的试验
（一）试验简况：
室外储罐基础工程分为两种基础：一种为钢筋混凝土筏板基础，另一种为筏板下设爆扩短桩基础。根据实际勘探的软土地质情况，以及设计荷载的不同情况，分别选用了爆扩短桩的深度为2m、2.6m、3.5m，爆扩短桩扩大头直径控制在0.8m~1.2m之间，其标准荷载在90KN~240KN，为了确定桩基的承载力，以便验证采用爆扩短桩基础的可靠性，按照已完成的设计图纸确定的爆扩短桩直径及埋深，分别做了7根试验桩。试验桩种类如下表：
（二）试验分析：
如果加荷设备用1000KN~1200KN的液压千斤顶，测量仪表采用百分表。加荷稳定条件为在每级荷载下，粘土类土中，最后1小时内桩基下沉量不大于0.1mm，按照这个方法去进行试验，在设备条件、现场条件方面有困难，我们从实际情况出发，爆扩桩的加荷是用一台报废底盘，直接搁置在爆扩短桩上部的钢筋混凝土承台上，借助于一旁设置的扒杆式起重吊装设备，将压重块逐一按加荷要求叠放在加荷台上。
沉降观测：用水准仪进行。试验中将加荷条件改为：在每级荷载下，粘土类土中最后30分钟内，爆扩短桩桩基下沉量不大于1mm，用这种方法做了垂直压缩荷载试验。其中4根爆扩短桩的荷载沉降曲线图（下图所示）。
实验过程中发现，1号桩加压到50KN时，沉降速度很快，刚达到设计荷载（p1=93.7KN）就满足了加荷最终条件，分析其主要原因是混凝土养护时温度较低，强度不够所造成。经挖出爆扩短桩检查，发现由于人工捣实不密实，以及混凝土强度由桩身从上而下逐渐降低的原故；2号桩桩身被农用拖拉机撞断了，于是立即采用1:1.5水泥砂浆灌在用8mm钢板做好的钢箍里，对桩进行加固，待达到强度满足要求后才进行桩试压。
从荷载沉降曲线上看，没有转折点，压沉150mm，也没有突然下沉而失去稳定。
图2为6号桩、7号桩的荷载------沉降曲线。6号桩是当荷载增加到206.6KN时由于上部荷载加荷时偏心作用，造成桩身断裂，加荷台倾斜，上部压重坍塌而终止试验，此时沉降为120.3mm。
从以上图1图2曲线中可以看出：对于压缩性较大的软塑层土，如淤泥质粘土、草炭土层，爆扩短桩的S=F(P)曲线，仍然不出现明显的转折点，只是沉降量比较大，从而大大降低了爆扩短桩的容许承载力。
（三）容许承载力的确定
在淤泥质粘土中的爆扩短桩基础，最好以地基变形来控制承载力。但是，如果容许沉降值取值过大，地基计算强度就会有显著提高，桩的扩大头直径就相应减小，这时可能会影响上部结构的正常使用，反之，如果控制过严，又不能充分发挥地基的承载力，桩扩大头直径就相应增加，这样有偏于安全，加大了材料消耗。
根据爆扩短桩基础设计，这个容许沉降量取建筑物地基的极限值乘以0.25~0.60。按天然地基规范查得该建筑物地基沉降值为80mm，则此时爆扩短桩容许沉降量为2~48mm，以2号桩S=F(P)曲线为例，取沉降量等于30mm所对应的荷载作为桩的容许荷载，即Pm=87KN，已知桩扩大头直径为760mm， ，则地基此时计算强度F按下式计算：
所以此时地基的计算强度为193.3KN/m2
按设计作用于爆扩桩顶的垂直容许荷载为110KN，则有：
又则爆扩桩扩大头直径D=0.85m
三、软土地基中爆扩短桩的施工情况
（一）爆扩短桩施工工具
1、钻头：爆扩短桩土孔成型，是用施工单位自制的铁钻头进行，钻头直径按设计爆扩桩直径而定，本工程均为250mm，一般钻头长80cm，用一根钢管和少量钢板，就可以加工而成，很方便，总重量约30kg，
2、支架：支架是用来与钻头配合使用，一般可用原木搭设成三脚架，构造简单、轻便灵活、高约2m左右，钻孔时人可以在三脚架下活动，能更好地保证和控制土孔垂直。
3、夹具：夹具是用来夹住钻杆推钻的工具，在钢筋头一端焊上铁链，在钻杆上每隔30cm钻一个小孔洞，将钢筋头插入孔洞内，并在铁链内穿上木杆便于推钻杆。
4、掏水桶：掏水桶是用来掏出土孔内积水，一般可用铁皮制成，高50cm左右，直径比土孔直径稍小一点，在 桶底留设7cm左右园孔，并在桶底圆孔内侧钉一块橡胶皮，因土孔内水压力将橡胶皮自动打开，随水桶往上提升、土孔内水压力减小而自动关闭，直到将土孔内的积水掏出。
随着科学技术的发展，成孔工具已经有了变化，现在均为钻机施工，潜水泵排水。
（二）爆扩短桩的布置、构造
爆扩短桩位于同一标高，采用C20混凝土，内配4φ12主筋，φ6@200螺旋箍筋，形成骨架，桩身钢筋锚入基础承台。
（三）爆扩短桩试爆
1、为了得到理想的桩扩大头直径，必须经过试爆来决定炸药用量。为了增加桩扩大头横断面积，炸药包如果包成扁圆形，爆扩出来的空腔就是一个椭圆球，这样截面面积就能满足设计要求，又节省混凝土用量。
2、一般试爆时，可做孔爆试验，即把炸药放在土孔内，上部用砂子代替混凝土，然后引爆，可同样达到试爆目的。
3、如果要观察和研究爆扩成型，则也可以用碎砖混凝土，代替碎石混凝土，以便挖开进行成型观察和分析研究。
（四）注意事项
1、爆扩短桩是隐蔽工程，它的技术并不复杂，要确保每个爆扩短桩基础可靠性，则必须确保施工的严格要求，一丝不苟，要有工作责任心，要强调施工过程的质量控制，人人树立严细作风。
2、爆扩短桩扩大头最好支承在与试压时相同的土质上，当土孔已钻到设计标高，仍不能满足要求时需要加深土孔，则桩身钢筋骨架也相应加长。
3、施工中当遇到瞎炮，或钻到石头或其它特殊情况无法在原桩位施工时一般应进行加桩。此时的桩间距要求比原设计小，所以加桩的扩大头直径要求比原设计桩的扩大头要小。
4、应做好施工记录，为总结设计，编制预结算积累原始资料。
四、软土地基中爆扩短桩设计探讨
通过在软土地基中进行爆扩桩试验与分析，使我们在软土地基中应用它，有了一个初步概念，为了使爆扩短桩基础能在实际工程中得到广泛应用，现将有关的几点看法总结如下：
爆扩短桩桩身强度计算：
P≤φ(fcA+fyAs)
当爆扩短桩桩长L＜5m，计算桩身强度时，可不考虑纵向弯曲影响，故式中：
φ------纵向弯曲系数取1.0
fc------桩身混凝土计算强度，按现行规范取用。
A------桩身截面面积。
Fy-----钢筋设计强度，按现行规范取用。
AS-----桩身内主筋截面面积。
P-------作用于桩顶的总荷载。
利用上式计算爆扩短桩桩身强度，土壤对于桩身的约束没有考虑。施工时要按规程操作，加强混凝土振捣，土壤与桩身结合是紧密的，所以取纵向弯曲系数φ=1.0是完全可以的。
爆扩桩扩大头的计算
P≤KfkA
式中：P------作用于基础底面的荷载，包括作用于桩顶面的垂直荷载和桩基自重，但不计爆扩桩扩大头以上的土重。
K-------系数，在亚粘土中取1.50~2.50，在砂土中比亚粘土中有所提高。
fk-------天然地基计算强度，按现行规范采用，或按实际确定。
A-------爆扩桩扩大头最大直径水平投影面积。
一般在设计时往往没有做静载试验，要想把K值取得恰到好处，使之适合外界的规律性，是比较困难的。只有经过静载试验，再决定扩大头直径，才是较符合实际的。所以，有条件时，一般应在设计前做单桩静载试验，由于各地土质不同，施工方法不同，因此要想得到一个各地都适用的K值是较困难的，但是，将将各地试验资料汇集、整理、分析，是可以得出在不同类型土壤中的K值，供爆扩短桩设计时参考。
根据荷载------沉降曲线得出的地基计算强度fk包括了桩身摩擦力的影响。可见爆扩短桩基础的地基计算强度比天然地基计算强度有所提高。它不仅与土质和爆扩效果有关，而且与摩擦力也是有关系的。因此，K值是和土质、爆扩效果、桩身摩擦力等因素有关。
在静载试验时，利用公式PM＜fkA来计算地基计算强度，其公式中：
fk-------天然地基计算强度
PM---------作用于桩顶的荷载（不计桩自重及桩扩大头上部的土重）
A---------桩扩大头水平投影面积
因此，在没有做静载试验时，则可以先行假设，进行试算调整，则上式可改写成：
PM=fkA
所以设计试算时，PM应该是作用于桩顶的荷载，不计桩自重及桩扩大头上部土重。
炸药用量的计算;
爆扩短桩桩端爆扩时的炸药用量，不仅取决于爆扩直径大小和炸药性能，而且与桩的四周土壤性质，桩的入土深度及药包包法等因素有关。在试验工作过程中，我们曾对炸药用量与爆扩体直径的关系做了认真记录，并挑选出具有代表性的加以整理，其结果如下：
试 爆 汇 总 表
试桩
桩号 桩直径cm 桩深m 炸药用量kg 按公式计算 实测
直径 实际爆扩参数K 备注
1 25 1.80 0.375 84.00 80.00 5.85 (1)采用硝铵炸药
（2）计算公
Q=K(
2 25 1.65 0.405 86.50 90.00 4.45
3 25 1.90 0.525 94.50 100.00 4.20
4 25 1.94 0.600 98.97 110.00 3.60
5 25 2.10 0.675 103.00 120.00 3.12
6 25 1.95 0.375 84.00 83.00 5.21
7 25 2.25 0.515 94.50 90.00 5.77
8 25 2.05 0.600 98.97 96.00 5.40
9 25 2.33 0.675 103 110.00 4.07
从试爆汇总表中得到的实际爆扩参数K值，均在3.00~6.00范围内。
因此我们认为：在淤泥质土中，当桩端深在2.0m左右时，K值根据扩大头直径的大小而定，是比较符合实际的，扩大头直径越大，K值则越小。
四、沉降问题
在淤泥质粘土中，采用爆扩短桩基础，沉降情况是一个新的问题。尤其是我们把加荷稳定条件由在粘土类土中最后1小时内桩基下沉降量不大于0.1mm，改成在淤泥质粘土中最后30分钟内桩基下沉降量不大于1.0mm。这样，建筑物由施工完成直至沉降稳定为止的情况，还有待于今后长期观测。
试验沉降观测工作是从基础承台施工完成后开始直到设备安装完成，共设置12个沉降观测点，最大沉降值为14mm。
五、爆扩短桩在软土地基中应用的几点看法
（一）通过这次对施工阶段的设计、施工、试验的总结工作，我们初步认为：在淤泥质粘土中做爆扩短桩基础是可行的。通过试验分析可以看出：淤泥质粘土层中的爆扩短桩基础，地基计算强度可以比天然地基计算强度大，大约可以提供1.5倍左右。由于它具有经济、功效高、介意材料、节约土方工程费用、不受天气和土体内含水影响等优点，而且为现场文明施工创造了条件，深受施工单位的欢迎。
（二）爆扩短桩的试验工作，考虑一般在施工现场进行，故原则应因地制宜，因陋就简进行，一般可采用量物加荷、水准仪测量的方法进行桩的静载试验，虽然精度上粗糙，但基本上仍能够满足设计、施工提出的要求。
（三）爆扩短桩设计时，基础的横向承载力的决定：一般宜在施工工地做试验决定，其方法仍按爆扩短桩设计。并取其桩顶水平位移=10mm时的荷载为横向承载力。
（四）爆扩桩是一项新技术，而运用在淤泥质粘土中仅是开始，由于我们初次接触，无论在设计和试验方面都还比较粗糙，对于施工中颈缩现象和沉降观测还有待进一步探讨。因此还有不少不足之处，希望在今后的工程实践中逐步积累，逐步完善。
参考文献
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【2】、《建筑地基基础设计规范》GB5007-2011中国建筑工业出版社
【3】、《工业与民用建筑灌注桩基础设计与施工规程》JGJ4-80中国建筑工业出版社
【4】、《建筑地基基础施工施工质量验收规范》GB50202-2002中国建筑工业出版社
【5】、《简明建筑结构设计手册》中国建筑工业出版社 唐锦春 郭鼎康主编
【6】、《混凝土结构设计规范》GB50010-2010中国建筑工业出版社