擴底灌注樁承載力對比分析

陳勝利

摘 要：擴底灌注樁是以灌注樁為基礎的新型樁型，通過壓力和相關機械方式在樁底制造一個底部，從而增大整個樁柱的承載面積，進而提高樁柱整體的承載力。本文主要根據相關試驗分析了擴底灌注樁承載力的變化以及灌注樁的相關特性。

關鍵詞：擴底灌注樁；鋼筋應力；承載力；載荷；對比分析

0 引言

隨著我國經濟不斷發(fā)展，城市建設也在不斷增速，城市的大型公共建筑和工業(yè)建筑數量在不斷增多，城市的軌道交通建設也在不斷增速。為了提高建筑地基的承載力，滿足現階段建筑的相關建筑要求，不斷提高建筑物的建筑質量，擴底灌注樁的應用已經成為了建筑樁中的主體。

1 灌注樁及優(yōu)點簡介

灌注樁主要用于城市建筑建設，灌注樁可以直接在所設計的樁位上打孔，在打孔之后可以在孔體內放入鋼筋，之后對孔體進行灌注混凝土，這就是所謂的灌注樁。由于灌注樁在施工時的噪聲極小、震動小，同時還可以保持施工周圍的土層的完整性，被廣泛使用在城市建筑建設中。根據打孔的工藝技術不同，灌注樁又可以分為鉆孔灌注樁、沉管灌注樁、人工挖孔灌注樁、爆擴灌注樁。

2 擴底灌注樁的承載和變形機理

擴底灌注樁在垂直載荷的影響下，樁頂總沉降由此可以分為三個組成部分：一是樁體材料的彈性壓縮、二是樁體側面地變形、三是樁體底面地變形。經過相關文獻可以看出，三種變形中，樁體底部的變形時較為重要的、也是最為基礎的。本文也將從樁體的變形對擴底灌注樁的承載力進行對比分析。

由于樁體的頂部進入巖土層的樁基，整個樁身的材料變形的比例則較大。有時樁身的承載能力則由樁身進行控制，因此可以得出樁身的自身強度。擴底灌注樁的承載力又可以分為兩個部分：樁周圍土的摩擦力和樁頂部承載力，由此可以得到如下公式。

公式中Qb、Qs分別代表樁總端承載力和單位面積摩阻力；qb、qs則分別代表單位面積端的承載力和單位面積摩阻力；Ab、As則代表樁底的底面截面積和樁體側面的有效摩阻段表面積。

擴底灌樁柱的下部分樁身摩擦阻力很難充分發(fā)揮作用，如果樁體周圍的土層能形成拱狀結構，則樁體的整體摩擦損失可以減到最小。反觀樁體周圍的土層較軟，不能形成"拱狀"結構時，樁體自身的摩擦阻力將會大大損失，有時還會產生負摩擦阻力，當樁體產生負摩擦阻力時，樁體的樁徑比處于較大的數值。

擴底灌注樁底部的土層主要以豎向變形為主，同時還伴有側向擠壓的現象出現。當樁體的整體載荷進一步加大時，擴底灌注樁底部的上面則會產生一個界面，我們稱這個界面為"臨空面"，加之樁體周圍產生了"拱效應"和土層的粘聚力地同時作用，這個臨空面并不會塌落。同時，擴底灌注樁的底部外側還存在傘形裂縫，接近樁體底部的裂縫較寬，隨著距離底部的距離不斷增加，裂縫將會逐漸消失，在裂縫周圍還會出現拉應力區(qū)。如下圖。

3 高層住宅中擴底灌注樁承載力對比分析

本次擴底灌注樁試驗以高層建筑為模擬，高層建筑的結構為框架-剪力墻結構。假設使用樁結構為基礎，本次試驗中的土層地質基本條件主要分為幾個部分：一層為填土，填土結構強度低；二層中的第一層為粉質粘土，該層結構硬性較強，可承受壓力為190千帕，二層中的第二層同樣為粉質粘土，該層的結構的軟至可承受120千帕；三層中第一層結構為粉土夾粉質粘土結構，該結構屬于流塑性，三層中的第二層結構為淤泥質粉質粘土，也屬于流塑性，可承受壓力為150千帕；四層結構為粉質粘土，屬于軟塑性結構；五層中的第一層為粉質粘土，該粘土屬性為偏硬塑性，可承受200千帕的壓力，五層中的第二層為粉質粘土，結構為軟塑型，可承受150千帕的壓力，五層中的第三層為粉質粘土，結構為硬塑性，可承受240千帕的壓力；六層中的第一層為粉質粘土夾礫石，該結構為硬塑性，可承受220千帕的壓力，六層中的第二層為卵礫石，密度中等，可承受300千帕的壓力；七層中的第一層為強風化粉砂質泥巖夾泥質粉砂巖，該層結構為土狀或者塊狀，下部分多為碎塊狀，可承受320千帕的壓力，七層中的第二層為微風化粉砂質泥巖夾泥質粉砂巖，主要結構為塊狀，可承受2000千帕的壓力。

以上便是高層建筑的試驗基本條件，同時為了研究擴底灌注樁的承載力，本次試驗主要使用了三根灌注樁，并將其中的兩根樁編號為1和2，分別對1和2號樁進行樁體應力測試試驗。其中一號樁為擴底樁，二號樁為不擴底樁，通過樁體應力測試分析兩種樁體的受力特性，進而分析出樁體的承載力特點。

進行模擬試驗時應該先將振弦式鋼筋應力測量計焊接于試驗的樁體主結構上，之后使用頻率儀器測量鋼筋的頻率變化，通過頻率即可換算成鋼筋的應力。振弦式鋼筋應力測量計具有抗干擾能力強、不會受到溫度影響、性能較為穩(wěn)定、數據較為穩(wěn)定，使用壽命較長，該測量計還能適應環(huán)境惡劣的環(huán)境，還能適應遠距離觀測。在進行試驗時，量測工作和樁體載荷試驗需要同時進行，本次模擬試驗所使用的載荷測試方法主要使用堆載反壓法，在試驗中采用慢速加荷方式維持現有的載荷。值得注意的是，本次試驗主要進行了2根樁體的載荷試驗。樁體在進行沉降時應該在樁體下沉穩(wěn)定時進行鋼筋的應力量測。本次試驗中一號樁體模擬載荷為4700千牛頓；二號樁體模擬載荷為6400千牛頓。其中一號和二號樁體的堆載荷重分別為5200千牛頓和8580千牛頓。

除了按照上述方法進行試驗之外，還需要按照鋼筋應力測試原理對鋼筋進行測試。鋼筋應力測試的計算數據主要來源于各個斷面位置的鋼筋應力測量計的統(tǒng)計數據，根據所收集的數據我們可以得出各個斷面位置上的主鋼筋受力Pg，通過相關理論，我們便可以得出樁體軸力Pz與主鋼筋受力Pg的比例關系。

公式中A為樁體的截面積；Egh為樁體的彈性模量；Ag1為主鋼筋的截面積；Ag2為鋼筋應力測量計的截面積；Eg為鋼筋彈性模量；Ec為混凝土的彈性模量。根據上述公式我們還可以腿的相關公式，以此求得兩個測量斷面的主體身側摩擦阻力Q。

經過以上試驗步驟和相關計算，我們可以得到擴地灌注柱的承載力對比分析。二號柱柱體側摩擦阻力在柱體頂部的作用要比柱體端部的作用更強，而一號柱的柱體側摩阻力端部的作用則比柱體上部的作用明顯。因此可以得出，一號柱體和二號主體在較低載荷作用下，樁體端部的載荷較小，但是隨著應力不斷增加，柱體端部的載荷也隨之增加，當載荷達到柱體所能承受的最大載荷時，一號柱體的柱端載荷為柱體頂部載荷32.5%，二號柱體的柱端載荷為柱體頂部載荷的51%；而兩根柱體在同等載荷下，二號柱體頂端沉降現象明顯小于一號柱體，二號柱體的最大載荷7180千牛頓時沉降為14米，一號柱體在最大載荷5400千牛頓時沉降為14.2米，由此可以得出擴底能夠減小樁體的沉降效果。具體試驗數據如圖。

通過一號樁體和二號樁體的承載力試驗來看，擴底樁體的極限承載力要高于不擴底的樁體，因此不擴底的樁體能夠有更高的承載力，這樣就可以極大的減小樁體的沉降，從而減小建筑物的沉降效果；而對于同直徑、同樣長度的樁體，擴底樁體的抗沉降效果也是極為明顯的。

4 城市工廠擴底灌注樁承載力對比試驗分析

該試驗的對象是城市工廠，場地的土層特點是第四系更新統(tǒng)沖積、沉積黃土，同時需要覆蓋的厚度為270米，在鋪設時土質需要均勻鋪設。具體的土層數據見下表。

使用相關試驗方法，我們可以根據參考文獻4中的參考方法，對相關試驗數據進行數據處理。經過篩選本次試驗的有效樣本主要有14個，分別為56.7、56.5、39.2、53、58.5、58.6、55.8、48.6、58.7、48.6、51.4、49.7、45.9、55。由此可以得出14個數據的平均值為52.4千帕，標準值為5.79，變異系數為0.115。根據JGJ94-94，建筑樁基技術規(guī)范，我們可以得出變異系數小于等于0.15時，標準值應當取平均值，由此可以得出本試驗的側阻特征值為52.4千帕，變異系數較小，也證明其離散型較小，數據較為穩(wěn)定。根據極限端阻力試驗所得到的數據（如下圖），并沒有發(fā)現該數據存在規(guī)律。

但是按照端阻所占總載荷的比例分析，我們可以得到以下結論。擴底灌注樁當變異系數等于額定值時，端阻占總載荷的百分之23，該種場地更適合灌注樁。

5 結語

總而言之，經過本文的相關試驗探究，我們不難發(fā)現擴底灌注樁在抗沉降方面的優(yōu)勢，通過試驗我們可以準確的判定擴底灌注樁的承載力要好于不擴底灌注樁的承載力。值得注意的是，在實際施工中還需要根據工程的特點合理地使用擴底灌注樁，這樣才能保證工程的整體質量。

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