第十七章软土地区扩底抗拔桩第一节概述沿海地区的常年地下水位较高，一般年平均水位埋深为O.5---1. Om.地下结构工程的抗浮设计显得尤为重要.目前抗拔桩基础仍为各种抗拔措施的首选形式传统的等截面抗拔桩，仅靠桩土间的侧摩阻力提供抗拔阻力，并非最为理想Q为了提高桩的竖向抗抗拔承载能力，通常可以将桩身做成变截面形式，其主要目的是使桩体不仅能发挥桩一土问侧摩阻力，而且还能充分发挥桩身扩大部分的扩孔阻力这种变截面桩通过改变桩身截面，以较小的材料增加获取量著的承载力的提高.已成为桩基础发展的有效途径之一根据变截面形状、位置的不同，可衍生出不同的形式:扩底桩、多级扩径桩、分段变截面桩和组合型桩等，其中仅对桩端截面进行扩大而成的扩底抗拨桩，由于施工工法相对简单、效果明显，成为最主要的变截国抗拔桩型国内外扩底桩的应用愈来愈广泛.设计理论也随之发展，而这种桩型在抵抗上拔荷载的能力方面更显示出巨大的潜力1972年在国际大电网会议曾举出这样一个实例: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当于半径扩大O.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O.53t.即从5.4 1 t增至5.94t 0美国的DownsDL相ChieurzdR等人根据长期实践和现场真型试验结果分析而得:带扩大头的圆柱形桩，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不断地增加，呈现所谓的“有后劲“的现象，和等截面抗拔桩受力性状不同，扩底桩一般在小位移时不会达到其上拔阻力的峰值我国的冶金、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拨承载力的百分比很大冶金部第七J台金建设公司1968年对桩杆直径为300mm，桩埋人士中深度为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芝分之二以上第二节扩底抗拔桩的形式与施工方法一、扩底桩型扩底桩的桩型设计及施工工艺选择主要取决T土层条件，士层特性同时影响了扩底桩编写人:王卫东吴江斌(华东建筑设计研究院有限公司)第二节扩底抗拉拉的形式与施工方法485 的桩长和扩大头的形状总体来说岩石和硬土地区以短桩为主且扩大头的扩展角度较大;软土地区以长桩为主，且由于受成孔稳定性的限制.扩大头扩展角度较小扩底桩的承载特性与土性、桩长及扩底形状因素有关1.现有的扩底抗拔桩形式扩底抗拔桩的形状与土层条件和施工工艺有较大的关系。
人工挖孔桩的扩展角度较大，爆扩桩的扩大头形状较难控制，通常呈球形目前扩大头的形状主要如图17-2-]所示d d ←D斗fD JJD J 件宏发(2001) IIamparuth1(200 I ) {α(b) (c) •D• (d) 图17-2-1已高丈献检出的扩大头m状2.软土地区小扩展角扩底抗拨桩型受土层和施工工艺的影响，软土地区当前采用的扩底桩的扩底端呈圆锥台状，具有小扩展角的特点，见图]倍左右.且不应大于桩身直径的1. 5m，直径小时取小值，同时应满足抗剪要求，锥台面扩展角80____120相对于国内其他地区而言，扩底的扩展角度较小.但效果明显为了充分发挥扩底端的作用，要求扩底端起始位置进入较硬土层宜为1---3D~且不小于1m上海工程界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试验场位于市区，属、滨海平原地貌，试验桩长范围内可分为6个士层，为典型的E海软土地层，各士层的分布与物理力学参图17-2-2 上海地区数指标参见图17-2-3据不同的桩径与桩长，足尺试验共分为两扩底形状组，见图17-2-3第一组试桩桩径为450mm，桩长均为27肌桩尖进入第⑤层盼质黠士3. 1m;第二组试桩桩径400mrn，桩长均为20m.桩尖进入第⑤层黠土3.5mo每组3根试桩.其中一根为等截面桩.另两根为扩底桩，各试桩的具体参数见表17-2-10 6号桩在扩底施工时由于操控原因其扩底段的长度达到了2.5m。
布拉怡F UU由足尺试验试桩基本参数表l7-2-1组号桩号桩身直径扩底直径总桩长扩底民扩展角 充盈系数(mm) (mm) (m) (m) (0) 第1号150 27 无1. 03 2号450 800 27 1.5 8.3 1. 04 组3号450 800 27 1.5 8.3 1. 06 第4号400 20 无1. 25 一5号400 800 20 1.5 9.5 1. 20 一 组6号400 800 20 2. 5 5. 2 1. 07 00叶飞-町的S N 2}由1』〔comm 软土地区扩底抗拔桩①杂填上松散 ←-一一-F气-丐03.73MPa]卜一一一一一②柑质量占上可塑一软翻N=-J.6①黯泥质物质辑土掩塑只.::;:0.70MPa N =2 6 c = 2kPa 伊=220④l曾令把质黠士梳塑只=0.65MPa N -=q 2 c ““12 kPa 伊=180 (P.=o 69MPa N =3. 2 2黠土软塑c=9kPa φ=19①黯土软塑 〈山P.-= 1. 10MPa N -=4 5 乍一一c=t6kPa 伊=]20LLID ⑥粉质带土可塑一软塑P.=')(.，气MP月N=l“l.Q.800叫。
只K第十七章486 伊==20C=15kPa 试验结果表明与等截面桩相比，直径为450mm及400四m的扩底桩抗拔极限承载力均可提高1.5倍以上，见表17-2-2和图17-2-40而桩身棍凝土仅增加5%左右，故经济效益明显表17-2-2桩号最大加载桩顶位移桩喘位移桩顶残余桩端辈革余极限展载力桩顶回桩端回 组号O 606 O O 79 1.5 5 763 44 44 208 2.0 9 2.5 14 3.0 18 4.0 868 868 337 性:表中D为扩大头直径d为等截面桩径F也l 0.4 II |川:JID=2d “1 唱D==2.5d3d扩大头阻力U'Jx十八)所占比例提高ckN> 一书中第一次全面阐述极限分析上下限方法在岩土工程稳定性求解问题中应用经过三十多年的发展，目前的极限分析法无论在处理问题的复杂程度还是求解精度上都有了很大的进步.这里简要介绍极限分析法在深基础租桩基础中的研究初发展现状a) (b) 图175-3Kumar (1997>用于分析砂土边坡中锚板成载力的破坏模式及速度场Kumar 水平向锚板以及平放置时，与d/h相同的地表面水平时的抗拔承载力相同;当锚板与坡面平行放置时，抗拔承载力随坡面倾角的增大而减/1，0 Merifield等(2001)利用极限分析有限元上限法分析了数土不排水条件下没埋锚桩和深埋锚桩的承载力以及速度场的分布形态，通过研究发现技埋扩底锚桩是从锚桩底至IJ地表面的整体滑移破坏，而深埋扩底锚桩的破裂面则是一个局部闭合的剪切滑移面.如图17 -5-4所示。
其中闭合座度场最外圈则刚好租Rowe租Davis(1982)描述的上限解的速f最'B=3(0) (b) 图17-5-4战埋锚和深埋锚的速度场(Merifield等.2001) (ω、t是埋锚桩tb)深埋锚桩第五节扩底抗拉桩承载力计算方法495 度场形态吻合o Kumar (2003)运用图17-5-5所示的破坏模式根据上限理论分析探讨了双层砂土中条形锚以及圆形锚的抗拔承载力问题，分析中作了一将假定，包括锚定板与土体界丽的粘结强度以及双层砂土层面之间的抗剪强度等q (0) (b) 图17-5-5Kumar (2003)用于分析条形以及圆形锚抗拔承载力的破坏模式以及相容速度场(a)伊'2>伊1日才Cb)伊1>伊时Vo Merifield非线性规划方法的极限分析有限元方法探讨了不排水条件下教土土体中倾斜条形锚板的承载力问题，主要考虑了锚板埋置深度以及倾角对承载力的影响上述研究概述己强有力地说明了极限分析方法是岩土工程稳定问题分析的有效工具，而且完全可以应用于深基础和桩基础的稳定问题中二、经验方法经验方法就是在理论研究成果基础上，总结出一些规律，结合一些试验结果提出了一些经验关系式;国内外二些岩土工程专家都做过类似的总结性工作，包括《桩基工程于册》和《实用桩基工程子册》里也收录了其中一部分的经验公式，这里将一些经典的尤其是适合上海软土地区的经验公式简述一下GMeyerhof和Adams(1968)如前一节所述，提出了一个半经验的方法来计算扩底桩的抗拔极限承载力O其中涉及到两个经验系数Ku(竖直剪切面上土压力的标定上拔系数)和Sr(决定圆柱体侧面t被动士压力大小的形状系数);经验系数的选取可参考原文献或《实用桩基工程手册>>0Meyerhof和Adams(1968)等人分别针对浅基础和深基础提出了不同的计算模式，见图17-5-60为了设计方便，他们也给出了一个浅基础与深基础的界限:设浅基础与深基础的临界深度为H，当基础深度D小于破坏面竖直方向的深度H时，这种短的扩底桩称为浅基础;当D大于这一深度H时，这种长的扩底桩称为深基础。
《建筑桩基技术规范))(JGJ 94二2008)中规定的汁算参数Ui为破坏表面周长，取值可参考表11-5-20496 第十七章软土地区扩底抗拔桩自桩底起算的长度叫(削(b) 图17-5-6Meyerhof剧Adams(j 968)计算简图{u}氓基础=他)深基础扩底桩破坏表面周长运(4~10)d 计算曹切面 听一表17-5-2> (4~IO) d 黄绍铭等承载力的经验方法句分别是圆柱面剪切法、扩大系数法和旁压法所谓圆柱面剪切法，就是假设桩端扩大头底部以上一定疮围内的上体剪切面直径同扩大头最大直径.同时假设超过此范围的等截面部分的侧摩阻力不受影响.并分段套用现有规范的抗拔桩计算公式，见图17-5-7 (α) 0 Q (a) (b) 图17-5-7叶算示意图(a)圆柱面剪tfH去CbJ扩大系数法这种汁算方法可利用现有规范中的参数根据对比试验结果拟合，扩底影响民度取为扩大头起始位置以上8D.并加上扩大头长度，且不大于桩进入较硬土层的深度第五节扩底抗拔桩承载力计算方法497 扩大系数法则是假设扩底桩的抗拔性能与等截国桩相似，即其破坏形式为沿桩→土侧壁界面剪破桩端扩大头范围内的土体由于上覆土重及扩大头的旁压作用使其抗剪强度得到增强，并用扩大系数来反映，见图17号子(b)。
旁压法则是考虑到在扩大头角度较小的情况下，扩大头周围土体受到扩大头的旁压作用，土体变形和破坏特性表现为局部区域土体的压缩变形，而非整体或局部剪切破坏扩大头形状引起扩大头面上土压力的升高是扩大头抗拔力提高的主要原因，而等截面段侧摩阻力变化较小，图17-5名为扩大头受力示意图可以建立扩底抗拔桩承载力的经验表达式，公式中参数?为扩大头侧表面法向应力扩大倍数，卢为扩大头侧表面摩擦系数折减值，可参见表17-5-3取值;μ为桩士摩擦系数，可参见表17一5-4选取十 Ls~二巳?平向压力后盲目 扩大头受力示意十 山扩大头抗拔阻力示意摩擦力坚向分力罔17-5-8扩大头受力与抗拔力计算示意图叼和P参鼓取值表17-5-3扩大头角度αC)5 」15 30 ? 1 2.1 2.65 2. 7 卢l O. 95 O. 92 O. 7 注:扩大头角度α在某区间变化时，其q、F值可线性插值得到当α>30，认为该公式不适用oμ取值料- 叶-μ 面一数 触一系 接一擦 土一摩 νt-ill· 』'句'-黠土亚黯土粉土质亚甜土0.31 O. 30 0.50 4-砂 ι-实 用户-密表卢中密砂0.82 0.91 除了以上所列的经验方法，美国国家标准草案(1985年订立)H十日'范围: 上海软土l，2一-自桩底起算的长度.取H 范围s平1一一扩底放大系数，根据士质情况分别取，一般可取为1.5; rrz 考虑扩底的旁压作用对侧摩阻力的上海软土|影响系数，根据士质情况分别取为地区中长桩1.5~2.5.持。