摘要：大直徑擴底灌注樁以其承載力高、沉降小等優點，在高層建筑等重要工程中得到廣泛應用，但在水利水電工程應用較少。本文簡述鉆孔擴底灌注樁的基本原理，通過荷載試驗成果分析擴底灌注樁的沉降特性，探討了擴底樁與直樁之間的受力和破壞機理，研究擴大頭樁后壓漿機理。結合工程實例，通過與人工挖孔直樁的對比，分析鉆孔擴底灌注樁的經濟技術特點。并系統闡述鉆孔擴底灌注樁的設計計算及其在水利水電工程應用前景。
　　關鍵詞：鉆孔擴底灌注樁,承載性狀,設計計算,水利水電工程應用
　　1基本原理
　　鉆孔擴底灌注樁是在鉆孔灌注樁的基礎上發展起來的。施工時先用普通鉆孔樁鉆頭（直狀）遵循一般鉆孔方法按樁身直徑鉆進至設計持力層，然后提取鉆具，將普通鉆頭更換為特制的擴底鉆頭至孔底，通過加壓使擴底鉆頭的兩翼張開并使之旋轉、切削巖土層來擴大樁底直徑形成擴大頭，待擴底直徑達到設計要求后放入鋼筋籠，灌注混凝土，形成底部具有擴大頭的鉆孔擴底灌注樁，以提高樁端承載力。
　　與普通鉆孔灌注樁相比，擴底樁的關鍵性技術問題有：（1）擴底及擴底鉆進；（2）擴底端孔壁的穩定；（3）擴底端孔底沉渣厚度的控制（清孔）；（4）擴底尺寸參數的檢測；（5）超大初灌量混凝土的灌注。
　　2鉆孔擴底灌注樁的承載性狀
　　2.1荷載－沉降特性
　　某徑流式水電站安裝間地基土層自上而下分別為雜填土、粉土、粉細砂。其中雜填土地層埋深4.2～6.2m，粉土底板埋深7.0～8.3m，粉細砂地層埋深7.0～8.3m。該工程采用鉆孔擴底灌注樁和直樁，兩種樁型的樁身直徑、樁長以及所穿過的土層和持力層等基本相同，但荷載－沉降曲線卻
　　有很大區別。圖1
　　圖1中顯示，擴底樁的沉降曲線遠比直樁平緩，說明擴底樁具有良好的端承性狀。當樁頂沉降為30mm時，擴底樁的樁頂荷載為直樁樁頂荷載的5.5倍；當樁頂荷載都為2700kN時，擴底樁的樁頂沉降僅為直樁樁頂沉降的5％左右。經初步估算，如果以樁頂沉降30mm為極限狀態，擴底樁比直樁每多用1m3混凝土時，樁頂極限承載力可提高1746kN。
　　                     
　       　圖1擴底樁與直樁的荷載----沉降曲線
　　2.2破壞機理
　　圖2為大直徑擴底樁的受力示意圖。由于拉裂縫的出現，使得摩阻力和端阻力處于分離狀態，與直樁的受力和破壞機理不同。
　　  
　　                         圖2擴底樁的受力原理圖
　　普通直樁的破壞模式一般屬于深層剪切破壞和刺入破壞，變形主要表現為剪切變形，樁端承載力由地基抗剪強度控制；而大直徑擴底樁在豎向荷載作用下，地基以豎向壓縮變形為主，基底土被壓縮，基底兩側土體出現拉應力區，荷載大時出現傘形拉裂紋，大變形時也未觀察到連續的滑動面和整體的剪切破壞。而在擴大頭上方有脫空現象，樁基的變形明顯表現為基底土壓縮變形，所以樁基的承載力由變形控制，這是大直徑樁不同于普通樁的主要特點。在豎向荷載作用下，樁底應力一般以持力層土的內摩擦角向下擴散，從而引起樁端下土層壓縮。
　　2.3擴大頭樁后壓漿機理
　　由于擴大頭增加了清渣的難度，或遇到松散土體做持力層時，擴大頭不易形成。此時可采用孔底高壓注漿技術，使壓漿后單樁承載力顯著提高。樁端擴大頭后壓漿能夠提高擴底樁的承載力，其主要機理是：（1）改善持力層條件，提高樁的端承力；（2）大幅度提高樁側摩阻力；（3）改善持力層的受力狀態和荷載傳遞性能。
　　3鉆孔擴底灌注樁的設計
　　3.1樁長設計
　　擴底樁是基于增大擴大頭來增加樁端承載力，樁的側摩阻力在這類樁的承載力中所占比例一般不超過30％，在樁長較短和持力層強度較高時可降至10％左右。樁端持力層的類型及物理力學性質對擴底樁承載力的影響較大，一般要求以地基承載力較高的粘土或砂卵（礫）石層以及強風化或弱風化巖層作為擴底樁的持力層。
　　樁長與地質條件、樁端間凈距、施工條件、持力層埋深及嵌巖深度有關。規范規定灌注樁孔深不宜大于40m，鉆孔擴底灌注樁樁長一般為10～25m。對嵌巖深度的確定，應考慮各類持力層中成樁的可能性和提高樁端阻力的要求，如樁端以下3倍樁徑深度范圍內應無軟弱夾層、斷裂破碎帶和溶洞分布，在樁底應力擴散范圍內無巖體臨空面，另外還應滿足建筑物整體穩定所需的抗滑要求和抗震要求。
　　3.2單樁豎向承載力計算
　　《建筑結構設計規范》按下式確定單樁容許承載力：
　　（1）
　　
　　式中，α、β為地基系數與樁徑折減系數，α對礫石和硬粘土取1，對砂取0.85，β=1-（×0.3）為樁底上4d及樁底下d范圍內平均標貫擊數（d為樁身直徑）；Ap為樁端計算面積，根據樁底直徑比施工直徑小20cm的值計算；Ns為樁周砂土標貫擊數平均值，Ns≥25時取25；LS和LC為樁周砂土和粘性土層厚度；qu為樁周粘性土不排水抗剪強度平均值；ψ為計算樁側阻力部分樁的樁長；為樁身混凝土重減去樁排土重。
　　根據受力機理，設計時可通過對樁的側摩阻力和樁端承力機理，按式（2）計算其單樁豎向承載力。
　　Ra=ξsπdΣqsikli+ξpψrqpkAp（2）
　　式中，ξs、ξp分別為樁周土側摩阻力特征值和樁端直樁土承載力特征值的修正系數；qsik為樁周土側摩阻力特征值；qpk為樁端土承載力特征值；li為計算樁側摩阻力部分樁周土層厚度；d為樁身直徑；ψr為折減系數，根據巖體的完整性取0.3～0.5。
　　3.3單樁水平承載力計算
　　單樁水平承載力特征值取決于樁的材料強度、截面剛度、樁頂嵌固程度、入土深度及各土層的物理力學參數。在缺少單樁水平靜載試驗資料時，對于樁身配筋率小于0.65%的灌注樁，其單樁水平承載力設計值為：
　　（3）
　　
　　式中，±號根據樁頂豎向力性質確定，壓力取“+”，拉力取“-”；Rh為單樁水平承載力設計值；α為樁的水平變形系數；γm為樁截面模量塑性系數；ft為樁身混凝土抗拉強度設計值；W0為樁身換算截面受拉邊緣的截面模量；νm為樁身最大彎矩系數；An和ρg分別為樁身換算截面積及配筋率。
　　大直徑擴底樁抵抗水平荷載的能力較強，尤其對設置樁帽或承臺的情況，由于樁帽或承臺周圍土的嵌固作用，抵抗水平力的能力進一步提高。經對大量工程實踐進行分析可以得出，對于一般多層框架結構房屋下的大直徑擴底樁，可不進行水平承載力驗算；對承受較大水平荷載建筑物的大直徑擴底樁，應進行水平承載力的驗算；對于受水平力較大的一級建筑樁基，應通過試驗確定單樁水平承載力設計值。
　　3.4構造尺寸設計
　　擴底樁擴大頭的尺寸，按通常采用的鍋底形(圖3)，一般取d≥0.8m，擴徑比D/d≤3，為保證施工質量，實際工程設計和施工時一般取1.5～2.0；擴底矢高H1一般取（0.25～0.4）D；擴底端最大直徑高度H2為0.3～0.5m，視擴底直徑而定，一般取0.2～0.3m；沉渣孔高度H4一般為0.1～0.3m；擴大頭放坡夾角θ不超過30°，對于粘土或砂石土類不宜超過12°，卵石或巖石類不宜超過20°，一般可取θ=10°~20°。最小樁間距為1.5D或擴大頭間凈距不小于0.5m。
　　                    
　　                                                               圖3擴大頭的結構
　　d－直孔段樁徑；D－擴底最大直徑；θ－擴底邊錐角；
　　H1－擴底矢高；H2－擴底端最大直徑高度；H3－擴底段斜邊高度；
　　H4－沉渣孔高度；d1－沉渣孔直徑；γ－擴底錐角
　　4結論
　　（1）施工時應嚴格控制擴底鉆進、清孔及初灌混凝土等關鍵工序，并進行有效檢測。
　　（2）擴底樁具有良好的端承性狀，在豎向荷載作用下，地基以豎向壓縮變形為主，樁基承載力主要由變形控制。
　　（3）后壓漿技術可改善持力層條件，提高樁側摩阻力，改善持力層的受力狀態和荷載傳遞性能，從而提高擴底樁的承載力。
　　（4）徑流式水電站廠房一般位于河邊沖積層上，覆蓋層較厚，水電站廠房的安裝間一般不能置于巖基之上。安裝間荷載較大，對沉降控制要求嚴格。鉆孔擴底灌注樁具有較好的適應性和良好的經濟效益。