扩底灌注桩承载力对比分析
陈胜利
摘 要：扩底灌注桩是以灌注桩为基础的新型桩型，通过压力和相关机械方式在桩底制造一个底部，从而增大整个桩柱的承载面积，进而提高桩柱整体的承载力。本文主要根据相关试验分析了扩底灌注桩承载力的变化以及灌注桩的相关特性。
关键词：扩底灌注桩；钢筋应力；承载力；载荷；对比分析
0 引言
随着我国经济不断发展，城市建设也在不断增速，城市的大型公共建筑和工业建筑数量在不断增多，城市的轨道交通建设也在不断增速。为了提高建筑地基的承载力，满足现阶段建筑的相关建筑要求，不断提高建筑物的建筑质量，扩底灌注桩的应用已经成为了建筑桩中的主体。
1 灌注桩及优点简介
灌注桩主要用于城市建筑建设，灌注桩可以直接在所设计的桩位上打孔，在打孔之后可以在孔体内放入钢筋，之后对孔体进行灌注混凝土，这就是所谓的灌注桩。由于灌注桩在施工时的噪声极小、震动小，同时还可以保持施工周围的土层的完整性，被广泛使用在城市建筑建设中。根据打孔的工艺技术不同，灌注桩又可以分为钻孔灌注桩、沉管灌注桩、人工挖孔灌注桩、爆扩灌注桩。
2 扩底灌注桩的承载和变形机理
扩底灌注桩在垂直载荷的影响下，桩顶总沉降由此可以分为三个组成部分：一是桩体材料的弹性压缩、二是桩体侧面地变形、三是桩体底面地变形。经过相关文献可以看出，三种变形中，桩体底部的变形时较为重要的、也是最为基础的。本文也将从桩体的变形对扩底灌注桩的承载力进行对比分析。
由于桩体的顶部进入岩土层的桩基，整个桩身的材料变形的比例则较大。有时桩身的承载能力则由桩身进行控制，因此可以得出桩身的自身强度。扩底灌注桩的承载力又可以分为两个部分：桩周围土的摩擦力和桩顶部承载力，由此可以得到如下公式。
公式中Qb、Qs分别代表桩总端承载力和单位面积摩阻力；qb、qs则分别代表单位面积端的承载力和单位面积摩阻力；Ab、As则代表桩底的底面截面积和桩体侧面的有效摩阻段表面积。
扩底灌桩柱的下部分桩身摩擦阻力很难充分发挥作用，如果桩体周围的土层能形成拱状结构，则桩体的整体摩擦损失可以减到最小。反观桩体周围的土层较软，不能形成"拱状"结构时，桩体自身的摩擦阻力将会大大损失，有时还会产生负摩擦阻力，当桩体产生负摩擦阻力时，桩体的桩径比处于较大的数值。
扩底灌注桩底部的土层主要以竖向变形为主，同时还伴有侧向挤压的现象出现。当桩体的整体载荷进一步加大时，扩底灌注桩底部的上面则会产生一个界面，我们称这个界面为"临空面"，加之桩体周围产生了"拱效应"和土层的粘聚力地同时作用，这个临空面并不会塌落。同时，扩底灌注桩的底部外侧还存在伞形裂缝，接近桩体底部的裂缝较宽，随着距离底部的距离不断增加，裂缝将会逐渐消失，在裂缝周围还会出现拉应力区。如下图。
3 高层住宅中扩底灌注桩承载力对比分析
本次扩底灌注桩试验以高层建筑为模拟，高层建筑的结构为框架-剪力墙结构。假设使用桩结构为基础，本次试验中的土层地质基本条件主要分为几个部分：一层为填土，填土结构强度低；二层中的第一层为粉质粘土，该层结构硬性较强，可承受压力为190千帕，二层中的第二层同样为粉质粘土，该层的结构的软至可承受120千帕；三层中第一层结构为粉土夹粉质粘土结构，该结构属于流塑性，三层中的第二层结构为淤泥质粉质粘土，也属于流塑性，可承受压力为150千帕；四层结构为粉质粘土，属于软塑性结构；五层中的第一层为粉质粘土，该粘土属性为偏硬塑性，可承受200千帕的压力，五层中的第二层为粉质粘土，结构为软塑型，可承受150千帕的压力，五层中的第三层为粉质粘土，结构为硬塑性，可承受240千帕的压力；六层中的第一层为粉质粘土夹砾石，该结构为硬塑性，可承受220千帕的压力，六层中的第二层为卵砾石，密度中等，可承受300千帕的压力；七层中的第一层为强风化粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩，该层结构为土状或者块状，下部分多为碎块状，可承受320千帕的压力，七层中的第二层为微风化粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩，主要结构为块状，可承受2000千帕的压力。
以上便是高层建筑的试验基本条件，同时为了研究扩底灌注桩的承载力，本次试验主要使用了三根灌注桩，并将其中的两根桩编号为1和2，分别对1和2号桩进行桩体应力测试试验。其中一号桩为扩底桩，二号桩为不扩底桩，通过桩体应力测试分析两种桩体的受力特性，进而分析出桩体的承载力特点。
进行模拟试验时应该先将振弦式钢筋应力测量计焊接于试验的桩体主结构上，之后使用频率仪器测量钢筋的频率变化，通过频率即可换算成钢筋的应力。振弦式钢筋应力测量计具有抗干扰能力强、不会受到温度影响、性能较为稳定、数据较为稳定，使用寿命较长，该测量计还能适应环境恶劣的环境，还能适应远距离观测。在进行试验时，量测工作和桩体载荷试验需要同时进行，本次模拟试验所使用的载荷测试方法主要使用堆载反压法，在试验中采用慢速加荷方式维持现有的载荷。值得注意的是，本次试验主要进行了2根桩体的载荷试验。桩体在进行沉降时应该在桩体下沉稳定时进行钢筋的应力量测。本次试验中一号桩体模拟载荷为4700千牛顿；二号桩体模拟载荷为6400千牛顿。其中一号和二号桩体的堆载荷重分别为5200千牛顿和8580千牛顿。
除了按照上述方法进行试验之外，还需要按照钢筋应力测试原理对钢筋进行测试。钢筋应力测试的计算数据主要来源于各个断面位置的钢筋应力测量计的统计数据，根据所收集的数据我们可以得出各个断面位置上的主钢筋受力Pg，通过相关理论，我们便可以得出桩体轴力Pz与主钢筋受力Pg的比例关系。
公式中A为桩体的截面积；Egh为桩体的弹性模量；Ag1为主钢筋的截面积；Ag2为钢筋应力测量计的截面积；Eg为钢筋弹性模量；Ec为混凝土的弹性模量。根据上述公式我们还可以腿的相关公式，以此求得两个测量断面的主体身侧摩擦阻力Q。
经过以上试验步骤和相关计算，我们可以得到扩地灌注柱的承载力对比分析。二号柱柱体侧摩擦阻力在柱体顶部的作用要比柱体端部的作用更强，而一号柱的柱体侧摩阻力端部的作用则比柱体上部的作用明显。因此可以得出，一号柱体和二号主体在较低载荷作用下，桩体端部的载荷较小，但是随着应力不断增加，柱体端部的载荷也随之增加，当载荷达到柱体所能承受的最大载荷时，一号柱体的柱端载荷为柱体顶部载荷32.5%，二号柱体的柱端载荷为柱体顶部载荷的51%；而两根柱体在同等载荷下，二号柱体顶端沉降现象明显小于一号柱体，二号柱体的最大载荷7180千牛顿时沉降为14米，一号柱体在最大载荷5400千牛顿时沉降为14.2米，由此可以得出扩底能够减小桩体的沉降效果。具体试验数据如图。
通过一号桩体和二号桩体的承载力试验来看，扩底桩体的极限承载力要高于不扩底的桩体，因此不扩底的桩体能够有更高的承载力，这样就可以极大的减小桩体的沉降，从而减小建筑物的沉降效果；而对于同直径、同样长度的桩体，扩底桩体的抗沉降效果也是极为明显的。
4 城市工厂扩底灌注桩承载力对比试验分析
该试验的对象是城市工厂，场地的土层特点是第四系更新统冲积、沉积黄土，同时需要覆盖的厚度为270米，在铺设时土质需要均匀铺设。具体的土层数据见下表。
使用相关试验方法，我们可以根据参考文献4中的参考方法，对相关试验数据进行数据处理。经过筛选本次试验的有效样本主要有14个，分别为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个数据的平均值为52.4千帕，标准值为5.79，变异系数为0.115。根据JGJ94-94，建筑桩基技术规范，我们可以得出变异系数小于等于0.15时，标准值应当取平均值，由此可以得出本试验的侧阻特征值为52.4千帕，变异系数较小，也证明其离散型较小，数据较为稳定。根据极限端阻力试验所得到的数据（如下图），并没有发现该数据存在规律。
但是按照端阻所占总载荷的比例分析，我们可以得到以下结论。扩底灌注桩当变异系数等于额定值时，端阻占总载荷的百分之23，该种场地更适合灌注桩。
5 结语
总而言之，经过本文的相关试验探究，我们不难发现扩底灌注桩在抗沉降方面的优势，通过试验我们可以准确的判定扩底灌注桩的承载力要好于不扩底灌注桩的承载力。值得注意的是，在实际施工中还需要根据工程的特点合理地使用扩底灌注桩，这样才能保证工程的整体质量。
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