变截面灌注桩工程应用现状

丁思华

【论文摘要】变截面灌注桩属于端承桩，相对于直孔桩，单方承载力更大，性价比更高。本文总结此类桩的工程应用现状，给设计同行提供参考。

【论文关键词】变截面灌注桩 工程应用现状 受力性能 造价

概述

在工程应用中，桩基一般分为灌注桩和预制桩。其中灌注桩，按照施工工艺可分为：正循环、反循环、旋挖、长螺旋、冲孔、人工挖孔、沉管内夯灌注桩，其共同形态通常都是等直径桩身的直孔桩。而桩身变截面灌注桩，则是在等直径桩身的施工过程中，增加了扩径体（承力盘）的施工步骤，可以设置在桩身中部或者底部，位置是依据地勘提供的承载力较好的硬质土层埋深而定。设计思路就是利用扩径体的端阻替换桩长提供的侧阻，仅从同承载力的桩身材料用量上进行造价统计，变截面灌注桩造价就能节省20%~30%。

但是实际上变截面灌注桩在工程中应用实例有限，本文试着从以下几方面进行分析其受力原理及应用前景。

1. 技术历史及现状

目前实现工程应用的变截面灌注桩，常用的有旋挖扩底（图1）和挤扩桩（图2图3）两种，区别如下图。挤扩桩根据施工设备、工艺、厂家的不同，称作挤扩支盘桩/DX桩/多节钻扩桩；区别在于：1.旋臂的顶点位置不同，致使扩径体的上表面斜率不同（图4）2. 变截面桩均有扩径体，而支盘桩桩身顶部还有支角（图7 a）的构造。旋挖扩底桩一般用于大直径扩底，且只有单个扩径体，经济性有限；下文讨论以挤扩桩为主。

图1旋挖扩底桩 图2支盘挤扩桩 图3 DX挤扩桩

（桩底扩径） （桩中、底扩径） （桩中、底扩径）

图4

挤扩桩自1998年，中国北方光电工业总公司发明人贺德新（HeDeXin简称DX）开发出多功能液压挤扩装置以来，进入到较成熟的工程实践当中。2000年，山西金石基础支盘桩工程有限公司，成功研制出双油缸换臂式立板液压支盘成型机和可变式支盘扩底成桩工艺，实现单设备不同孔径的挤扩施工。2018年，荣创岩土张宝成研制出钻扩清一体机，再次提升了工效和桩身的质量。

目前，该桩型和工法经过了多次改进，基本解决了以下关键问题：

在既往的工程经验中，挤扩桩在孔深较大、土质松软或者地下水位下施工时，承力盘下部土体塑性变形较大，上部脱空，导致土体脱落严重、沉渣较多，最终承力盘成型形状欠佳，需要根据成盘质量返工，二次挤扩+清孔，导致了实际工效远不如直孔灌注桩。

针对以上问题，有以下改进：

1. 土体自稳定设计

软弱土中土体脱落的解决方式，是根据土本身的稳定放角，限制扩径体半径，以调整扩径体上表面的斜率，尽量维持土体的自稳定。这需要与工程本地的勘探经验相结合，属于每个工程现场必要的施工措施。

2. 设备钻头

在土体砂石粒径较大时，钻头扩孔产生跳动移位，切削效果不佳。通过改进钻头来解决。

（a）两向挤扩钻头 （b） 三向挤扩钻头 （c）三向挤扩（+下支点）钻头

图5

由图5（a）（b）对比及图6可见，钻头两旋臂到三旋臂的改进之后，对于所有方向的侧向外力，都有外力对侧的旋臂接触土体来提供约束反力分量，因而减小了在钻进过程中，由于旋臂切削土体中石块所产生的偏心、抖动和钻杆上浮。

由图5（b）（c）对比可见，当增加了下支点后，相当于提供了附加的水平双向约束和竖向约束，将钻进过程中钻杆的受力状态由图5（b）的下悬臂杆改进为图5（c）的下铰接竖杆，进一步减小了在钻进过程中，由于旋臂切削土体中石块所产生的偏心、抖动和钻杆上浮。

图6 悬臂数量的改进

3. 设备工效

灌注桩打桩机设备系统包括：液压油缸装置、液压定位装置、压力/角度/位移传感器、连接部件、电脑监控/自控系统；在此基础上，挤扩桩增加了挤扩装置。原设备挤扩装置需要在成直孔完毕后，取出钻杆，单独进行挤扩作业。而如今采用钻扩清一体机，可以将成直孔、扩孔、清孔三个步骤合并在一次钻杆的钻进回程中，免去了单独挤扩桩装置进出的步骤：

原工艺：成直孔-提钻-放入挤扩装置-扩孔-提升挤扩装置-清孔-检测--放入钢筋笼-浇筑混凝土-成桩；

现工艺：成直孔-展开挤扩臂-扩孔-收拢挤扩臂-提钻-清孔-检测-放入钢筋笼-浇筑混凝土-成桩。

改进后，在单日工效上，变截面灌注桩与后压浆灌注桩基本相同。

3） 清孔工艺

为了提高清孔效果，变截面灌注桩采用泵吸反循环替代了正循环的工法，使得泥浆和沉渣从钻杆内部抽出，直接进入导管，避免施工现场泥浆漫灌的情况，同时也提高了清底的效果。

综上所述，经过不断的工法与设备的改进，施工设备的工效、切削土体的稳定性、成桩的质量都有了明显的提升（图7），避免桩身凹凸导致的应力集中。只有最终成桩形态符合预期，我们才能有凭据地认为实际桩身受力与设计预期相符。

（a）桩身有凹凸 （b）桩身平滑

图7桩身质量的改进

也是在工程实践中不断改进的基础上，省、行会、国家均制定有相关的规范/规程，部分列出如下：

《三向挤扩支盘灌注桩》CECS192：2005

《三岔双向挤扩灌注桩设计规程》JGJ 171-2009

《山东省螺旋挤土灌注桩技术规程》DBJ14-091-2012

《浙江省钻孔扩径混凝土灌注桩技术规程》DB33/T 1182-2019

《多节钻扩灌注桩技术规程》T/CECS601-2019

2. 受力原理及优势对比

参照《桩基规范》6.7节，后压浆灌注桩采用桩底‘后注浆技术’来提高承载力，其过程是通过PVC导管向桩下地基进行0.15~5Mpa的压力灌浆，充电砂、砾、卵石间的孔隙（当有细砂夹层时，压力宜大于10Mpa，形成劈裂灌浆），使桩头周围形成半胶结状的‘结石体’，从而增大桩身的嵌固深度和扩径体直径。

而在变截面灌注桩在成桩的过程中，可以做到一次性将桩身与扩径体浇筑成型，最终的受力形态与桩底后注浆灌注桩一致，但是工艺、工期、质量都有明显优势：

1. 扩径体最终的截面尺寸与形态可控，在设计阶段就可以按照扩径体的截面来计算桩端阻承载力；相比之下，注浆形成的‘结石体’与注浆质量有着较大关系，而注浆工艺本身只能控制注浆总量和注浆速率，并不能直接控制成型，最终得到的承载力提高系数较难控制在理想范围内。

2. 桩底后注浆灌注桩需要施工桩身+注浆两道工序，而目前挤扩桩施工已经合并了清孔工艺，也可以实现钻扩清桩身一次成型，因此，两者在工效上无明显差别。

3. 在灌注桩施工中，反循环工艺比正循环清孔效果好，几乎没有桩底沉渣，但泥浆量多2~3倍。普通旋挖灌注桩一般都采用正循环工艺，桩底沉渣往往影响桩端阻承载力的实际发挥，所以采用反循环工艺的变截面灌注桩，同截面的桩端承载力也一定好于正循环工艺的普通旋挖灌注桩，也就是优于设计中一般所指的混凝土灌注桩。

三、总结

1. 从工程应用角度看，变截面灌注桩的施工工法及工效已经不逊于直孔灌注桩。主要是由于设备专利的限制，和以往工法容易出现质量问题的经验认知，而没有被广泛采用。

2. 从造价角度看，在有较好的持力层的地质条件下，桩基的设计考虑以端阻为主，此时变截面桩优势在于用扩径体替换增加桩径及桩长所提供的的承载力，整体造价优于直孔后压浆灌注桩，不如管桩。在管桩施工有困难的，或者地方规范、质检站不建议使用管桩的情况下，变截面灌注桩的方案仍旧有优势。

参考文献：

[1]李绪慧. 挤扩支盘桩的有限元数值仿真模拟及应用研究[D]. 河北工程大学, 2011.

[2]马宏伟, 丁曼曼, 吴怡颖,等. 挤扩单支盘桩的承载力和沉降计算方法:, CN111680353A[P]. 2020.

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[4]钱德玲. 挤扩支盘桩受力性状的研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(03):494-494.

[5]张延庆, 周明芳. 液压挤扩支盘桩成型过程研究[J]. 北京工业大学学报, 2001(01):54-56.

作者简介：姓名：丁思华 性别：男 出生年：1987年 研究方向：大跨空间结构 职称：中级工程师