扩大头在抗拔桩中使用的必要性和经济性研究

摘要：近年来抗拔桩应用日趋增多，而对抗拔桩的研究还跟不上工程实践的发展，常规的等截面抗拔桩竖向抗拔承载力十分有限。本文分析了抗拔桩的抗拔机理和常见破坏模式，在合理假定的基础上分析扩大头对抗拔承载力所起的作用，根据国内外经验和工程实例对比分析使用扩大头的抗拔桩与等截面抗拔桩相比的经济性。

关键词：抗拔桩；扩大头；数值分析；极限抗拔承载力；经济性

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

引言

近年来不管是民用建筑还是工业建筑，出现高层建筑的现象越来越普遍。而研究发现城市水位在城市大开发时会出现降低，然而当城市建设趋缓时，水位极有可能回升，当水位回升到一定标高时，会对建筑产生较大浮力，而浮力超过桩的极限抗拔承载力时，桩身将会发生破坏，从而建筑损坏甚至倒塌；另外沿海地区的常年地下水位较高，一般年平均水位埋深为0.5~1m，地下结构工程的抗浮设计显得尤为重要，此时对抗拔桩的性能研究就完全有必要了。传统的抗拔桩一般都是等截面，而常规的等截面抗拔桩承载力十分有限，主要依靠桩侧土的摩阻力来抵抗上拔荷载，而土层往往具有应变软化的性质，即抗拔承载力超过峰值后随上拔位移的增加而逐渐减低，相当不经济，因此并非理想的抗拔形式。随着桩的扩孔技术和施工技术的发展，在桩下面做扩大头以抵抗上拔荷载在工程应用中越来越常见，其最大的优点是经济，用不多的材料和造价来明显改善桩的极限抗拔承载性状 。

与承压桩或等截面抗拔桩相比，有关桩下设扩大头的设计，实验资料和研究报告相对比较少，其抗拔机理也有待进一步完善。结合目前现有的抗拔桩机理，分析抗拔桩设扩大头的必要性和经济性。

抗拔桩下扩大头机理

有扩大头抗拔桩的抗拔力由扩大头部分的抗拔力、桩侧摩阻力以及桩的自重三部分组

成。带扩大头桩的抗拔过程基本可以分以下几个阶段:1)桩顶上拔荷载较小时，由上部桩周土层侧摩阻力来承担，此时下部的桩体和扩大头部分承担的荷载很小。2）随着荷载的增大，桩侧摩阻力逐渐下移，扩大头开始发挥作用，由于它对桩端土体压密效应，扩大头上方有限范围内的桩周的侧摩阻力随着扩大头分担抗拔荷载的增加而具有一定的强化所用。3）随着上拔荷载的继续增加和上拔位移量的增大，桩顶附近的土体松动，侧摩阻力开始降低，桩端附近的土体则由于扩大头的作用，其抗拔机理变得十分复杂，一般可按抗压状态下时的侧摩阻力进行计算，此时扩大头所承担的抗拔力还将继续增大。4）当上拔荷载接近抗拔桩的极限承载力，此时上拔位移量已相当大，桩周土体因整体破坏而失稳，带扩大头的抗拔桩抗拔承载力开始下降。5）当上拔荷载超过限制后，带扩大头桩的极限承载力基本丧失。

3 带扩大头的抗拔桩极限抗拔承载力的确定

3.1规范公式

(JGJ94-2008)5.4.6条规定：1 对于设计等级为甲级和乙级建筑桩基，基桩的抗拔极限承载力应通过现场单桩上拔静载荷试验确定。单桩上拔静载荷试验及抗拔极限承载力标准值可按现行行业标准《建筑基桩检测技术规范》JGJ106进行。2 如无当地经验时，群桩基础及设计等级为丙级建筑桩基，基桩的抗拔极限承载力取值可按下列规定计算：

群桩呈非整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值可按下式计算：

Tuk=∑λiqsikuili、

群桩呈整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值可按下列公式计算:

Tgk= ul∑λiqsikli、

式中参数含义见规范。

式1）和2）对抗拔桩的桩侧摩阻力仅考虑了一个折减系数，而没有体现扩大头提高抗

拔承载力的机理，是个经验公式，鉴于此，我们先分析几种抗拔桩常见的破坏模式。

3.2几种常见的破坏模式

对于给定的具体情况，破裂面是确定的，根据破裂面的形状就可以计算出相应的极限抗拔力。一般破裂面可以分为以下三种情况，如下图所示：

3.3计算模型

上图示意了带扩大头上拔的计算模式，极限上拔阻力Tu由桩的自重G，桩身侧阻力Qsk和扩大头上抬阻Q扩.几个部分组成: Tu=G+Qsk+Q扩.，从公式中可以看出扩大头上抬阻力越大，越经济合理，带扩大头的抗拔桩和等截面抗拔桩相比有很强的经济性。

4带扩大头的抗拔桩经济性

4.1 国外资料

在国际大电网会议（CIGRE）上法国的Martin曾举出这么个实例：某钻孔桩的底部采用机械扩孔，使其下端桩径由原来的等截面直桩桩径0.85m扩到1.30m(相当于半径扩大0.225m)，而抗拔承载力却增加了50%以上，净增200t左右，桩身的混凝土用量只增加了0.53t,即从5.41t增至5.94t.美国的Downs DL和Chieurzd R等人根据长期实践和现场真型实验结果分析而得：带扩大头的圆柱型桩，其抗拔阻力随扩大头直径的增加而迅速增大，而且在很大的上拔变位变化幅度内，上拔阻力随上拔位移量持续的不断增加，呈现所谓的“有后劲”现象，和等截面的抗拔桩受力性状不同，带扩大头的上拔桩一般在小位移时不会达到其上拔阻力的峰值。

4.2 国内研究

我国的冶金，电力部门所作的研究证明：机扩桩，掏挖孔桩和爆扩桩中的扩大头所担负的抗拔阻力占总的抗拔承载力的百分比很大，冶金部第七冶金建设公司对桩杆直径为300mm,桩埋入土中深度为3.0~3.4m,扩大头直径为900mm的爆扩桩做了真型上拔试验，同时还做了短桩（等截面桩）的桩侧壁摩阻力专项试验，以分析侧阻力的作用和地位，试验证明扩大头所担负的抗拔阻力达到整个抗拔承载力的三分之二以上。

4.3 工程实例

上海某工程进行了小扩展角扩底桩与等截面桩抗拔承载力的对比试验，该工程属于明显的滨海平原地貌，选取了其中六根桩作为试验桩。试验桩长范围内可分为6个土层，为典型的上海软土地层，各土层的分布及力学性质见图三，据不同的桩径与桩长，试验共分为两组，第一组试验桩径为450mm,桩长均为27m,桩尖进入第层粉质粘土3.1m;第二组试验桩径400mm,桩长均为20m,桩尖进入第层粘土3.5m.每组三根试桩，其中一根为等截面桩，另外两根为带扩大头桩，各试验桩的具体参数见表一，6号桩在扩底时由于操控原因其扩底段的长度达到了2.5m.

试验结果表明，与等截面桩相比，直径为450mm和400mm的带扩大头的桩抗拔极限承载力均可提高1.5倍以上，见表二，而桩身混凝土量仅增加5%左右，故经济效益明显。

5结论

不难看出，扩大头在抗拔桩中使用是很有必要的，它有着合理的受力模式和显著的经济特点。随着社会的发展和进步，扩大头抗拔桩将越来越多的用于工程建设中。

参考文献

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