输电线路挤扩支盘桩试验及承载力计算研究

赵贞欣，周 卫，张 琰，李 旭，李占岭

(1.河北省电力勘测设计研究院，河北 石家庄 050031；2.中国电力科学研究院，北京 100192)

挤扩支盘灌注桩(图1)具有多层分散承载的特点。与等直径灌注桩相比，充分利用了好土层的地基承载力，具备良好的抗压和抗拔能力。目前，对于挤扩支盘桩荷载传递机理、破坏性状、承载能力以及内力位移的研究，大都限于竖向和横向荷载的单独作用，而输电线路基础以拉压交变和水平荷载共同作用，需对其受力机理进行进一步的研究。此外，尽管部分地区及行业已编制了详细的设计规范，但这些规范也不尽相同，因此，需要对在输电线路中应用的计算方法进行研究。本文结合真型试验对相关规范进行分析，对输电线路挤扩支盘桩单桩抗压、抗拔承载力计算方法进行探讨。

图1 挤扩支盘桩构造示意图

1 现场试验

挤扩支盘桩基础现场静载试验场地选择在沧州地区某变电站北侧，该试桩场地位于华北东部沼泽化滨海平原和滨海滩涂地带，地势开阔平坦。根据勘测报告，试桩区域场地地层岩性除表层为填土外，均为海陆相交互沉积形成的淤泥质土、粘性土、粉土、砂类土为主。

1.1 试验方案

本次现场试验的主要内容是通过挤扩支盘桩的下压+水平联合工况、上拔+水平联合工况现场真型试验，得到挤扩支盘桩的承载性能，为设计提供依据。结合现场试验场地的具体状况，本次试验共5根试验桩，设计桩径均为700mm，承力盘直径1400mm，设计桩长20m。承力盘位置示意图见图2，具体试验工况见表1。

图2 承力盘位置示意图

表1 挤扩支盘桩基础试验工况

1.2 试验结果

1.2.1 下压+水平联合工况

(1)极限承载力结果

1#试桩的下压+水平联合工况静载荷试验下的荷载－位移曲线见图3。

图3 1#试桩下压静载试验Q－s曲线

取沉降量s=40mm对应的荷载值作为下压极限承载力，1#试桩在下压+水平联合工况作用时的下压极限承载力为3600kN，比设计值提高了约25%。由于承力盘的存在，使得挤扩支盘桩受下压荷载时具有端承桩的力学特点，沉降－荷载曲线呈缓变型，具有较大的承载潜能。

图4 1#试桩桩身轴力－深度曲线

由图4可以看出，轴力在承力盘上下发生突变(图中虚线框所示)，轴力明显降低，上盘轴力降低约658kN，下盘轴力降低约570kN。这部分轴力由承力盘承担，并传递到盘底部的土层上。这是挤扩支盘桩荷载传递的突出特点，也是挤扩支盘桩承载力相对较高的原因所在。

图5 1#试桩支盘端承力与总荷载关系曲线

由图5可知，总荷载小于2000kN阶段，上盘端承力增加较快，下盘端承力缓慢增长；总荷载在2000kN～3000kN阶段，上盘端承力增加变缓，下盘端承力增加较快；当总荷载超过3000kN以后，上下两盘端承力均增加较快；当总荷载达到极限荷载3600kN时，上、下两盘的端承力分别为658kN和570kN，分别占总荷载的18.3%和15.8%。可见，挤扩支盘桩的受力特征具有明显的时间效应，各支盘的端承力并非是同步发挥、同时达到极限状态的。

1.2.2 上拔+水平联合工况

(1)极限承载力结果

2#、3#、4#试桩的下压+水平联合工况静载荷试验下的荷载－位移曲线见图6。

图6 2#、3#、4#试桩上拔静载试验U－δ曲线

取沉降－荷载曲线陡变起始点对应的荷载值作为抗拔极限承载力，2#、3#、4#试桩在上拔+水平联合工况作用时的抗拔极限承载力分别为2200kN、2400kN、1980kN。2#、3#试桩为挤扩支盘桩，4#试桩为直孔灌注桩，2#、3#试桩比4#试桩抗拔承载力分别提高了约11%和21%。本次试验直孔灌注桩的承载力远大于规范计算值1390kN，偏大的原因可能是直孔桩存在超灌的现象。

2 挤扩支盘桩承载力设计方法研究

挤扩支盘桩的承载力有支盘端阻力、桩侧阻力及桩端阻力组成，一般计算公式可由三项组成：主桩总侧阻力，各盘端阻力的总和，桩端端阻力。这种表达的经验式，一般著作、论文、规范和规程都是如此，只是各种“修正系数”的差别。

本文通过分析各种规范挤扩支盘桩承载力计算规定，结合试验结果对挤扩支盘桩承载力设计方法进行研究。

2.1 单桩抗压极限承载力计算

2.1.1 不同规范单桩下压承载力公式

表2 不同规范单桩下压承载力公式

2.1.2 规范值和试验值对比分析

表3 挤扩支盘桩极限承载力结果对比

由表3可知，规范①误差较大，主要原因是该规范规定的公式中计算总极限侧阻力时未考虑支盘设置土层高度的折减，其他三种规范是由于考虑支盘设置土层高度的折减方法和支盘端阻力修正系数的不同引起的计算结果不同，其中规范②计算值与试验值最为接近。

四种规范计算得到的挤扩支盘桩的抗压极限承载力均大于试验值，工程设计中是偏于不安全的。原因可能由以下两个方面：一是在该地质条件下，规范中承力盘的端阻力系数和侧阻折减系数对本桩型来说偏大，在实际工程中应根据成桩机具情况适当折减；二是在地下水位以下成桩，桩身尺寸及承力盘形状可能与实际设计值有出入。

表4 挤扩支盘桩承载力类型所占比例结果对比

从表4可以看出，四种规范极限侧阻力基本上占总极限承载力的60%，两盘情况下支盘端承力占总极限承载力的30%，桩端阻力占总极限承载力的10%，与试验值相比，规范公式中桩身侧阻力所占比重略大些，总体来说与试验值比较接近。

根据试验与规范值对比情况，输电线路基础单桩抗压承载力公式推荐采用《挤扩支盘灌注桩技术规程》(CECS192:2005)。本试验端阻和侧阻影响系数按照规范取值乘以0.9的折减系数后与试验值较接近。实际工程应用中，有地下水的软土地基情况，建议公式中侧阻和端阻影响系数适当减小使用。

2.2 单桩抗拔承载力计算

2.2.1 不同规范单桩上拔承载力公式

表5 单桩抗拔承载力公式的分析比较

续表5

2.2.2 规范值与试验值比分析

根据以上几种规范规定的估算公式计算的极限承载力与试验值对比况见表6。

表6 挤扩支盘桩抗拔极限承载力结果对比

由表6可知，规范③计算的抗拔极限承偏于保守；规范①和规范②计算结果与试验值接近，且略小于试验值。

表7 挤扩支盘桩承载力类型所占比例结果对比

从表7可以看出，除规范①公式支盘端阻力是以等效侧阻力的形式表达，其余两种规范支盘端承力在极限承载力中所占的比重与试验值接近，因都未考虑桩体自身的重量，极限侧阻力所占比重与试验值相差较多。规范②计算公式考虑自重后2号桩、3号桩极限承载力值分别为2068kN和2191kN，与试验值更为接近。

分析各种规范的优缺点及与试验结果的对比，本文推荐挤扩支盘桩抗拔极限承载力公式采用《挤扩支盘灌注桩技术规程》(CECS192:2005)规定公式。

3 结论

(1)根据试验结果，1#试桩在下压+水平组合荷载作用下竖向抗压承载力特征值为1800kN，2#试桩在上拔+水平组合荷载作用下竖向抗拔承载力特征值为1100kN，3#试桩在上拔+水平组合荷载作用下竖向抗拔承载力特征值为1200kN，4#试桩在上拔+水平组合荷载作用下竖向抗拔承载力特征值为990kN。

挤扩支盘桩具有较大的抗压承载潜能，其抗拔极限承载力比普通直孔灌注桩提高了10%～20%。

(2)按不同地区现行技术规程所建议的单桩承载力估算公式进行了承载力计算和分析比较，本工程单桩抗压承载力公式推荐采用《挤扩支盘灌注桩技术规程》(CECS192:2005)，结合《建筑桩基技术规范》(JGJ94－2008)，公式中桩端阻力项考虑桩端尺寸效应系数。实际工程在类似本试验场地有地下水的软土地基情况，公式中端阻力系数适当减小使用。

对于抗拔计算，《挤扩支盘灌注桩技术规程》(CECS192:2005)计算结果与试验值基本接近，单桩抗拔极限承载力公式推荐该规范公式。

[1]JGJ 94－2008，建筑桩基技术规范 [S].

[2]JGJ 171－2009，三岔双向挤扩灌注桩设计程[S].[3]CECS192:2005，挤扩支盘灌注桩技术程[S].

[4]高笑娟，朱向荣.支盘桩理论研究及工程应用[M].北京科学出版社，2010.

[5]钱德玲.对挤扩支盘桩破坏性状的探讨[J].合肥工业大学学报，2001，24(5).

[6]张延庆，等.挤扩支盘桩抗拔性能试验研究[J].工程力学，2008，25(SI).

[7]贾子楠，杨道鹏.挤扩支盘抗拔桩在软土地区的试验研究[J].长春工程学院学报(自然科学版).2008，9(4).

[8]赵明华，李徽哲，单远铭.DX桩抗拔承载力机理及设计计算方法研究[J].岩土力学.2006，27(2).

[9]巨玉文.挤扩支盘桩力学特性的试验研究及理论分析[D].太原：太原理工大学，2005.

[10]范平栋，吕帅.支盘桩的承载力计算与取值探讨[J].山西建筑.2008，27(2).