建筑施工中支盘桩单桩受力机理分析

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【摘 要】支盘灌注桩是在钻孔灌注桩的基础上发展而来的,十几年来已在10多个省市的近百项工程中采用。该桩型可大幅度提高桩承载力,受荷变形小,抗震性能好,使结构设计方案优化。本文对建筑施工中支盘桩单桩受力机理进行简要的分析与探讨。

【关键词】建筑；施工；支盘桩；单桩；受力机理

支盘灌注桩是在钻孔灌注桩的基础上发展而来的,十几年来已在10多个省市的近百项工程中采用。该桩型可大幅度提高桩承载力,受荷变形小,抗震性能好,使结构设计方案优化。

1 单桩竖向荷载的传递

1.1 桩土体系的荷载传递

桩侧阻力与桩端阻力的发挥过程就是桩土体系荷载的传递过程。当竖向荷载逐步施加于单桩桩顶时，桩身上部受到压缩而产生相对于土的向下位移，此时，桩侧表面会受到土向上的摩阻力。桩顶荷载通过所发挥出来的摩阻力传递到桩周土层中去，致使桩身轴力和桩身压缩变型随深度递减。随着荷载的增加，桩身压缩量和位移量增大，桩身下部的摩阻力逐步发挥作用，桩底土层因压缩而产生桩端阻力，同时，桩端土层的压缩加大了桩土相对位移，从而使桩身摩阻力逐步发挥作用。当桩身摩阻力达到极限后，若继续增加荷载，其荷载增量全部由桩端阻力来承担。由于桩端持力层的大量压缩和塑性挤出，桩身位移增长速度显著增大，直到桩端阻力达到极限，位移逐渐增大至破坏。

1.2 影响荷载传递的因素

1.2.1 桩端土与桩周土的刚度比Eb／Es愈小，桩身轴力沿深度衰减愈快，即传递到桩端的荷载愈小。在桩的长径比L／d＝25的情况下，Eb／Es＝1时，即在均匀土层中，桩端阻力占总荷载约5％，接近纯摩擦桩；当Eb／Es增大至100时，其端阻力占总荷载约60％，属于端承桩，桩身下部阻力的发挥相应降低；Eb／Es再继续增大，对端阻力分担荷载比的影响不大。

1.2.2 随着桩土刚度比Ep／Es(桩身刚度与桩侧土刚度比)的增大，传递到桩端的荷载增大，侧阻力相应增大；但当Ep／Es≥1000后，端阻力分担的荷载比变化不明显。

1.2.3随着桩长径比L/d的增大，传递到桩端的荷载比趋于零，当L/d≥40时，端阻力分担的荷载趋于零，当L／d≥100时，不论桩端土刚度多大，端阻分担荷载值小到可以忽略不计。

1.2.4随着桩端扩径比D／d的增大，桩端分担荷载比增加。均匀土层中的长桩(L／d＝25)，其桩端分担荷载比的大小对于等直径桩约5％，对D／d＝3的扩径桩约35％。

上述荷载传递的理论分析结果表明，单桩极限承载力对应的某特定土层的极限侧阻力Qsu和极限端阻力Qpu，由于桩长与桩径比异常，桩端、桩周土刚度比异常，或由于该土层分布位置的变化，其发挥值是不同的。为有效发挥桩的承载性能以取得最佳经济效果，设计中利用桩土体系荷载传递特性，根据土层的分布与性质，合理确定桩径、桩长、桩端持力层是十分必要的。

1.3 桩土荷载传递理论分析方法

桩基础的主要功能是把上部结构的荷载向地基传递，荷载的传递同时出现在桩侧表面和桩端支承面上，并且涉及离开桩身相当距离范围内的土体中。因此，为了能正确解释桩基础中每一根桩的荷载传递机理，必须考虑整个桩――土体系的主要特征，这不仅包括土层地质历史特征，而且也包括在地层的特殊部位设置桩时的施工程序特征。Vesic(1969)指出，桩土体系的荷载传递是与一系列因素有关的复杂过程，不可能或很难用数学公式简单表达。然而，为了合理设计桩基础，需要对桩土体系的荷载传递特性做出定量的评价。

1.3.1 荷载传递法

方法的基本理念都是把桩视作由许多弹性单元组成，每一单元与土体之间用非线性弹簧联系，非线性弹簧表示桩侧摩阻力与其剪切位移之间的关系，此即桩侧荷载传递函数。同时，桩端土也用一个弹簧代替，该弹簧的力―位移关系表示桩端阻力与桩端沉降的关系，即桩端荷载传递函数。该方法的关键在于确定荷载传递函数。

1.3.2 弹性理论法

弹性理论法的基本假定是，桩入一个理想均质、各向同性的弹性半空间内，此范围内的弹性模量和泊松比不因桩的存在而变化，运用Mindlin公式可导出土的柔度矩阵以及满足桩土边界位移协调条件的平衡方程式，即可得到桩的轴向位移和桩侧摩阻力。弹性理论法的优点是考虑了实际土体的连续性，可进行群桩分析，比荷载传递法更合理。

1.3.3 剪切位移法

在竖向剪应力的作用下，周围土体发生相应的剪切变型，直至距离桩轴nd(d为桩径，例如n＝10)处，剪应变可忽略不计。根据任意两个圆环面上剪应力总和相等的条件，可导出桩侧土的剪切变型与剪应力之间的关系。

2 支盘桩的荷载传递机理分析

2.1 支盘桩提高承载力的机理

2.1.1 支盘在其成形过程中挤密了土体。挤扩支盘灌注桩采用普通钻机成孔，通过专用挤扩装置液压挤密成支或盘，属于部分挤土灌注桩。在所需挤扩的支或盘的土层中，支盘成形设备施加较大的油缸压力，最大挤扩压力可达300t。支盘桩在承力时，由于分支和承力盘周边土体预先受到压密，类似于“预应力”作用，因而可减少土体承载后的压缩量，增大土体内摩擦角和压缩模量，则承力盘端阻力可得到相应提高；充分发挥桩同作用性能，提高桩的侧摩阻力和支端阻力，从而提高桩的承载力。

2.1.2 支、盘的存在增大了桩身表面积。支盘桩利用桩周中下部较好的土层，将荷载通过支、盘传递到土层中去，即分层承受荷载。通过荷载沿深度的扩展，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。

2.1.3 挤扩后孔隙水压力得以消散。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。挤扩初期，土体以水平位移为主，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、向下运动，当弓压臂张开到最大时，弓压臂上下端土体承受的挤压作用最强，挤密效果最好。

2.2 承载受力机理

支盘桩是在原钻孔灌注桩基础上衍生出来的一种新型桩基。它根据仿生学原理，在主桩桩身的不同部位，利用特制专用设备挤扩分支或盘，型成介于摩擦桩与端承桩之间的变截面桩型，从而增加桩与周围土层的接触面积，改善桩身受力条件，达到提高单桩竖向承载力的目的。

结语

研究表明支盘桩的受力主要靠支盘承受荷载,支盘桩的承载力是由上部的支盘到下部桩的端承作用逐步发挥的。在模量值相对较高的不同沉积土层中,均可采用支盘桩。

参考文献

[1]宁仁岐.建筑施工技术.北京：高等教育出版社,2002.

[2]张厚先.建筑施工技术.北京：机械工业出版社,2004.