挤扩支盘桩在桥梁工程中的应用

杨 云

(中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江湖州 313000)

0 引言

支盘桩是近几年发展较快的具有较高承载力的新型桩，造型上类似于变截面桩或扩径桩，但在成桩机理及施工工艺上均有不同。最早支盘桩主要应用在房屋及民用建筑上，应用在桥梁桩基上还不是很多，尤其是用在等级较高的高速公路上更是不多见。目前桥梁桩基还是多以理论计算及实践经验都比较成熟的深桩及嵌岩桩为主。

1 工程概况

五乡互通位于五乡镇南侧，上跨同三高速、北仑铁路。有A，B，C，D，E，F，G，H 共8 条匝道桥，分别在 C，E，H 匝道桥设计有挤扩支盘桩，直径分别有 φ1 000，φ1 200，φ1 500。C 匝道桥的CP0号墩～CP52号墩普通钻孔灌注桩变更为挤扩支盘灌注桩，桩数152根。E匝道桥的EP1号墩～EP14号墩普通钻孔灌注桩变更为挤扩支盘灌注桩，桩数36根。H匝道桥的HP1号墩～HP7号墩普通钻孔灌注桩变更为挤扩支盘灌注桩，桩数14根。三座匝道桥共计202根，桩长40 m～60.683 m。

2 支盘桩的成桩及承载机理

挤扩支盘桩，顾名思义，有挤、扩和盘这几个关键字，说的形象一点，挤扩支盘桩就像是我们冬天常吃的冰糖葫芦，在原先光滑的竹签上布置了若干个山楂，根据需要，可以放一个、两个或者多个山楂，还可以放置一些其他水果，做成不同样式的糖葫芦。支盘桩就是根据承载力需要以及工程地质情况的不同，在原等截面的直桩不同部位通过挤扩设备人为做出若干个扩大的盘而形成的。挤扩支盘桩成桩和常规的等直径桩相比增加了挤扩工艺，桩身上的每个“糖葫芦”的形成则是通过在普通灌注桩的桩孔内，用吊车吊入液压挤扩机械设备，自上而下，在设计标高位置的孔壁上向外挤出若干个分支，而且在同一标高处还可以在不同的方向上进行多次挤扩，形成近似圆盘状突起，灌注混凝土后即形成支盘桩。

我们可以通过做一个小试验来模拟支盘桩的受力机制，把用竹签穿起来的山楂埋在较松散的面粉里，当你向外拔的时候，会感觉到要比单个竹签费力的多。当面粉被压得较实的时候，力量达到一定程度，竹签就会从山楂里被抽出来，这类似于支盘与桩体间的剪切破坏。延伸到支盘桩，支盘与桩身间也是通过剪切力传递桩顶的压力。其实支盘桩的荷载传递方式与一般桩的传递机理并没有太大的差别，都是随着荷载的增加逐渐由上往下传递，由侧阻的发挥到端阻侧阻共同受力。所不同的是支盘的阻力通过混凝土内部的剪应力在相应的荷载阶段逐步发挥出来，而且随荷载的增加不断增加，支盘桩的荷载传递具有明显的时间和顺序效应。另外就是局部挤密效应，桩在外力的作用下，会产生向下的位移，这个位移会促使支盘下方的土体得到进一步的挤密，土体的承载力就会随之提高，摩阻力自行得到修复，进而控制了土体承载后的压缩沉降，使桩基在新的荷载作用下达到新的平衡。这与等直径桩不同，等直径的桩在土体摩擦力被破坏之后，摩阻力将无法得到修复，桩顶的外力会向下传至桩底面，沉降量也会比较大。

3 挤扩支盘桩的施工工艺

3.1 施工主要设备

挤扩支盘桩不仅包括常用的钻孔桩设备而且还增加了挤扩机及挤扩机配套的控制设备。因为在施工中施工场地内要布置的设备更多，所以施工组织起来比常规桩基要增加一定的难度。支盘机根据桩径、地质情况的不同，采用的型号各不相同，如图1所示是比较常见的一种挤扩机，通过液压传动，产生向两侧的挤扩力，在施工过程中能从其油压表的压力读数的大小反映出地层的软硬程度，通过这些信息，来判断地质情况是否与勘察资料相符。再通过对支盘位置的控制，对设计支盘的位置、尺寸进行相应的调整，保证单桩承载力能满足设计要求，在这一点上，支盘桩比常规的钻孔桩在处理地质变化情况上要灵活，施工质量也能得到最大限度的保证，这是支盘桩的一个非常突出特点和优点。实践中，还可以根据地层的特点，选择正反循环钻机、旋挖钻等施工效率较高的钻孔设备，从而缩短整个成桩过程。

图1 一种较常见的挤扩机

3.2 施工工艺流程

挤扩支盘桩的施工工艺是在常规钻孔桩的基础上发展起来的，泥浆护壁也是成孔过程中的一个重要环节，根据桩位处的地下水及地质情况，一般是利用孔内地层中的粘性土层造浆达到泥浆护壁的效果，再根据地质情况在持力层设置支盘，按支盘设计深度，下入液压挤扩支盘机，在地面上操作液压泵将支盘压臂挤出、收回，再通过转换一定的角度，经多次挤压成盘，再由上至下或由下至上完成挤扩多个支盘的作业，吊放钢筋笼、清孔、灌注混凝土成桩。特殊情况下，通过加放膨润土等材料进行造浆，如图2所示。

图2 施工工艺流程图

4 与传统钻孔桩对比

4.1 施工机械对比

传统钻孔桩的设备主要有回旋钻机、旋挖钻机、冲击钻机等。挤扩支盘桩除上述设备外，还需配备挤扩机、高压油泵等辅助设备，但是根据本工程的实际经验，由于挤扩的工序用时较短，3台～4台常规钻机配备一台挤扩机就能满足施工要求，从机械设备及人员投入上说，用于挤扩施工而增加的人力物力相对较少。

4.2 施工工期对比

以C匝道桥为例，某墩位桩径为120 cm的非挤扩桩设计桩长为60 m，改为挤扩支盘桩后桩长缩短为51.7 m，同时下部40 m采用100 cm直径桩。采用循环钻机平均约3 d时间能钻至60 m，一台钻机钻4根桩就要用12 d时间。如果采用挤扩支盘桩，一般钻孔时上部地层容易成孔，下部成孔时间稍长，根据本工程实际情况，钻孔50 m，通常只用2 d时间，钻孔和挤扩施工可以交叉进行，挤扩工序可按半天计算，一台钻机一台挤扩机施工4根桩只用8.5 d时间。因此从整体上看，采用挤扩支盘桩会有效地提前施工工期。

4.3 工程投资对比

由于桩长缩短，钢筋笼会相应减少，混凝土也有大幅度减少，还以上述C匝道桥某桩位为例，采用传统摩擦桩，混凝土用量约为69 m3，钢筋约为5.8 t。采用挤扩支盘桩混凝土用量约为44.2 m3，钢筋约为5.6 t。桩长及桩径的减小使钻孔过程中产生的泥浆量也同比减少，处理费用及环境保护方面的费用也相应减少。施工机械及人工等其他费用上，减少常规钻孔施工时间节约的费用与挤扩工艺所产生的费用基本相抵还略有节余，具体到本工程，综合计算，采用挤扩支盘桩每根桩比原摩擦桩大约能节省投资3 000元～5 000元。

4.4 承载力比较

在宁波绕城东段的挤扩支盘桩中，通过自平衡静载荷试验和堆载静载试验，得出如下数据:支盘桩K38+841极限承载力为15 203 kN，查阅两处支盘桩的荷载试验资料，看出桩端阻力为4 210 kN，占27.7%;桩身侧摩阻力为 5 026 kN，占 33.1%;而支盘发挥的承载力为5 967 kN，占39.2%。支盘桩K38+860极限承载力为16 482 kN，桩端阻力为3 407 kN，占20.7%;桩身侧摩阻力为6 312 kN，占38.3%;而支盘发挥的承载力为6 763 kN，占41.0%。我们从这组数据资料里可以明显看出支盘桩的支盘在整个桩的承载力中发挥了比较重要的作用，也从实践上充分证明了支盘在提高承载力方面不可忽视的作用。

再选取两根等截面桩并查阅其承载力实验值，平均后作为等截面桩承载力，与同桩径的支盘桩进行对比。再计算支盘桩和等截面桩的混凝土单方承载力，支盘桩:246.56 kN/m3，等截面桩:172.36 kN/m3，混凝土单方承载力提高了43%，明显高于等截面桩。

4.5 沉降量比较

沉降量小是挤扩支盘桩的又一明显的优点，如图3所示可以明显看出等直径桩与支盘桩沉降量的差别。在荷载较小的时候，由于支盘桩和等直径桩一样，都是通过桩身的摩擦力来承受桩顶荷载，随着荷载的增加，沉降量就出现明显的差别，支盘桩的沉降量小于等直径桩。

图3 Q—S静载试验曲线

5 结语

通过支盘桩在实际桥梁工程中的应用，我们初步了解到了它的一些特点，与传统的等直径的钻孔桩相比，主要有以下优点:

1)经济性。

采用支盘桩比普通等直径桩节约大量建设投资。

2)承载力大而沉降量小。

对桥梁工程非常有利，尤其是对于基础沉降反应非常敏感的高架桥梁中的连续梁结构，对改善连续梁内部应力非常有利。

3)施工工期短。

由于桩长的缩短，以及与挤扩工艺交叉施工，为基础施工节约大量的时间，有利于工程总体工期的控制。

4)节能环保。

施工中产生的泥浆明显减少，减少处理费用，工地的文明施工也得到较大提升，社会效益明显。

通过本工程实践验证，可以预见到，挤扩支盘桩施工工艺有很大的应用前景。

［1］戴显荣，叶 涛，龚维明，等.支盘桩抗压承载性能试验研究［J］.公路交通科技，2009(9):33-34.

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