扩底桩专利技术综述

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摘 要：扩底桩因其优良的承载性能而成为一种应用广泛的桩型。本文分析了扩底桩的作用机理及主要类型，介绍了不同种类扩底桩的施工方法，并进一步基于扩底桩的专利分析方法梳理了其技术演进过程及发展方向。

关键词：扩底桩；承载力；施工方法；专利分析

引言

灌注桩是一种历史悠久，应用广泛的桩基形式，由于普通灌注桩依靠混凝土自重成桩，易发生断桩、缩颈、夹渣、孔底虚土等问题，导致承载力不足，沉降过大。为解决上述问题，一种新桩型――扩底桩应运而生。扩底桩通过压力或机械的方式在桩底形成一个扩大头，增大有效承载面积，从而提高桩端承载力，使扩底桩成为以桩端支承为主，桩周侧摩阻力为辅的桩型。在同样桩长的情况下，可大大提高其承载力。

一、扩底桩的作用机理及分类

扩底桩的承载力[1]主要有三部分组成，即桩周摩阻力、扩大头部分的抗拔力和桩本身的自重。在上拔力的作用下，下部桩体带动周围土体挤压上部土体，从而使上部土的剪应力提高而改善上部土体的力学性能。即使桩不带扩大头，这种挤压作用也是存在的。而扩大头的存在对其上层土体产生更有效的挤压，受其影响，扩大头上方桩周围剪应力也将有相应的提高。

扩底的成型工艺有钻扩、爆扩、振扩、锤扩、压扩、冲扩、夯扩、注扩、挖扩及挤扩等种类[2]。根据扩底桩形成底部扩大头的方法不同，又可分为夯扩桩、静压扩底桩、机械扩底桩、人工挖孔扩底桩、压力注浆扩底桩、爆炸扩底桩和胀扩体扩底桩[3]等.

二、扩底桩领域专利申请情况概述

1.全球专利申请量发展趋势分析

1960年之前，世界各国有关扩底桩的专利申请有122件，自1980年以来，世界各国在该领域的专利申请总量为2222件左右，图5示出了1960年以来扩底桩领域专利申请量发展趋势，由图5可以看出，1970年起，该领域的专利申请量开始小幅度增长，至2000年则开始较大幅的增长，随着近年来桩型的逐步扩底化，近三四年该领域专利申请量呈现大幅增长，从2010年至今专利申请量达到242件。

2.专利申请的国家分布

图2示出了扩底桩领域专利申请人国家分布图。其中，日本申请人提出的专利申请共计1061件，占专利申请总量的33%，排在第一位。中国申请人提出的专利申请共计713件，占专利申请总量的23%，排在第二位，其次是美国、德国等。日本作为桩基础技术的大国，其在扩底桩专利申请领域也是占据绝对领先的位置；我国近四十年来在改革开放和经济建设的推动下建筑行业蓬勃发展，对建筑行业中的扩底桩性能要求越来越高，带动了技术的革新与发展，专利申请量大幅提高，在该领域跃居第二。

3.我国扩底桩专利申请状况

（1）申请人分析

在扩底桩领域，中国区域内申请量在前20名的申请人中，个人申请人占75%，其次是施工单位和企业、高校、科研院所等。其中，王国奋的申请量最大，申请量较多的院校有河海大学；在施工单位和企业中，土工技术强化公司、上海城地建设发展有限公司、安蓉建设总公司在这方面的申请量较多。

（2）申请内容

在扩底桩领域，中国的申请量仅次于日本，排在第二位，并且占据了全球总申请量的23%。中国的第一篇涉及扩底桩的专利申请的申请日为1987年10月8日，公告号为CN87204672U，其涉及一种振动锤击桩机，可用于扩底桩的施工。总体来看，我国扩底桩的技术发展较为成熟，没有什么开拓性的改进，其发明方向主要是基于实际工程所积累的工程经验，对施工方法、施工机具、桩身、桩身材料所进行的改进。

三、扩底桩技术的发展趋势

技术的发展演进总是由粗放到精细，由单一到复合，由单向到多元，目前，我国的钻孔扩底桩种类有20种以上，日本的大直径钻扩桩工法有将近40种。综合扩底桩技术的专利申请及非专利文献状况，扩底桩基础施工技术发展中呈现了如下动向：桩体造价降低、桩基承载力提升、扩孔机具效率改善，施工方法绿色环保[5]。本文将扩底桩技术大致分为以下几类。

1.基于材料改进的技术

桩身材料对桩基性能影响很大，近年来，桩身材料种类日趋多样化。以灌注桩为例，普通混凝土、超流态混凝土、无砂混凝土、纤维混凝土、自流平混凝土及微膨胀混凝土等均被采用。打入式桩亦有组合材料桩，如钢管外壳加混凝土内壁的合成桩等。

为了提高桩体强度，预应力钢筋混凝士桩和预应力高强度混凝土桩的使用越来越多。最近几年，上海中技桩业公司开发出外方内圆的PC和PHC桩混凝土空心方桩，得到了广泛应用，也申请了大量的专利。

典型专利：专利申请CN103741683A涉及一种囊袋扩底刚柔组合桩（图3），组合桩主体至上而下分别由以下预制管桩连接而成：TSC桩、PRC桩和PHC桩；PHC桩底端设有外包囊袋的桩底扩大头；各预制管桩壁内预留有注浆孔道，桩节两端设有带孔的管桩接头，底部桩节侧壁设有出浆口；组合桩外侧包裹桩周水泥土。

2.基于施工方法改进的技术

钢筋混凝土预制桩和钢桩的设桩工艺有打入式、压入式、静压式和埋入式 4种。打入式施工中存在一次公害，打入式和压入式设桩工艺在施工中产生挤土效应；泥浆护壁法钻、冲孔灌注桩在地下水位高的软土地区虽然被较广泛地采用，但也存在着施工现场不文明，泥浆排除困难（称为二次公害）的缺陷。

为了消除一次公害和挤土效应，日本在近20多年来开发出埋入式桩工法共60余种[4]；浙东建材集团研制了植桩法集成了预制桩和灌注桩的优点，在北京地区广泛采用；钻斗钻成孔灌注桩，因其干取土作业加之所使用的稳定液由专用的仓罐贮存，较少产生污染，在日本建筑业界此类桩型已成为泥浆护壁灌注桩的主力桩型，国内此类桩型的采用亦日趋增多。贝诺特灌注桩（液压全套管钻孔灌注桩）在海内外被广泛采用，我国香港地区此类桩型的市场份额约占45%，昆明、温州及北京地区10余个工程已成功地采用此类桩型。

3.基于桩身形状改进的技术

桩按形状可分为圆形桩（实心圆断面桩、空心圆断面桩和管桩）、角形桩（三角形桩、四角形桩、六角形桩、八角形桩、外方内圆空心桩及外方内异形空心桩等）、异形桩（十字形桩、X形桩、楔形桩、扩底桩、桩身扩大桩、树根形桩、梯形桩、锥形桩、 T形桩及波纹形锥形桩等）、螺旋桩、带扩大头的钢筋混凝土预制桩、多节桩、多分支承力盘桩、DX桩、凹凸形灌注桩等。

典型专利：专利申请CN102051877A公开了一种预制挤扩桩（图4），其特征是包括中空的预制桩（2）、桩底扩大段（4）、桩塞（1）及钢绞线（3）四部分，其中桩底扩大段（4）位于中空的预制桩（2）下部，桩塞（1）位于桩底扩大段（4）下部，钢绞线（3）为穿越桩底扩大段（4），通过中空的预制桩（2）中的预留孔道（6），并与桩塞（1）牢固连接的构件。

4.其他

此外，还有桩端压力注浆桩、载体桩等。桩端压力注浆桩是指钻孔、冲孔或挖孔灌注桩在成桩后，通常通过预埋在桩身的注浆管利用压力作用，将能固化的浆液（诸如纯水泥浆、水泥砂桨、加外加剂及掺合料的超细水泥浆、化学浆液等）经桩端的预留压力注浆装置均匀地注入桩端地层。

载体桩是指由载体和混凝土桩身构成的桩。与同桩长、桩径的普通混凝土桩承载力相比，载体桩承载力提高2倍以上。该项专利技术已在全国180个中等城市的数千项工程中推广应用，年总产值已超过10亿元。如专利申请CN1621625A（图5）就公开了上述载体桩技术。

值得注意的是，由于承载力的要求、环境保护的要求及工程地质与水文地质条件的限制等，采用单一工艺的桩型往往满足不了工程要求，实践中经常出现组合式工艺桩。例如，钻孔扩底灌注桩有成直孔和扩孔两个工艺、桩端压力注浆桩有成孔成桩与成桩后向桩端地层注浆两个工艺等。

四、结束语

桩基础作为一种古老而又年轻的基础形式，其专利申请量大，改进方向繁多，随着工程实践以及理论研究的不断深入，新的桩基形式和施工机械必将逐渐开发普及，实现高效、安全、绿色施工。

参考文献

[1]魏祥.扩底抗拔桩的承载力和变形研究[D].上海：同济大学土木工程学院，2007.

[2]沈保汉.桩基础施工技术现状及发展方向[J].施工技术，2000，29（5）：43-45.

[3]李冬霜.高压脉冲放电扩桩机理及试验研究[D].吉林：吉林大学建设工程学院，2011.建筑，2007，33（30）：122-123.

[5]杜经宇.浅谈桩基础施工技术发展[J].世界家苑，2012（4）：2.