挤扩支盘桩承力盘成型过程对桩周土的影响分析研究
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摘要
摘要
挤扩支盘灌注桩是一种新型桩，是在原有等截面钻孔灌注桩的基础上发展而
来的。该桩利用桩身不同部位的硬土层设置分支或承力盘, 将摩擦桩变革为变截
面多支点摩擦端承桩, 改变了桩的受力机理，使桩的承载力大大提高,沉降变形
显著减小。
本文重点研究了挤扩设备挤压土体形成承力盘的力学过程和该过程对桩周
围土体的影响范围。考虑土应力-应变关系的非线性，假设挤土臂上的土压力服
从二次抛物线分布；考虑土的回弹性，假设挤土臂与土体的接触长度满足公式
x=l[(90－α)/90]1/2。在以上假设的基础上建立了挤扩装置工作时的力学模型，得
出了挤扩装置作用力和挤土臂土压应力的关系式。利用圆柱孔扩张理论分析了承
力盘挤扩过程，通过计算得到了不同挤扩张角下的塑性区范围开展图，并得出结
论：（1）单向挤扩时，承力盘以下土体受到充分挤压，能有效提高支盘桩的竖向
承载力；（2）双向挤扩时，承力盘水平方向土体受到充分挤压，能有效提高支盘
桩的横向承载力。
运用大型有限差分计算软件 FLAC-2D 对挤扩过程进行了数值模拟分析。根据
挤密效应试验资料建立了挤扩过程数值计算模型，得到了承力盘挤扩成型后对桩
周土的影响范围:（1）单向挤扩时，桩周土挤密效应的影响范围在水平方向达到
1.8m，尤其在 0.9m 内挤密效果显著；竖向方向挤密效应的影响范围为承力盘以
下 1.4m,承力盘以上 0.7m，尤其在盘下 0.6m 以内挤密效果显著。（2） 双向挤扩
时，桩周土挤密效应的影响范围在水平方向达到 2.5m，在 1.3m 范围内挤密效果
显著；竖直方向挤密效应影响范围达到 1.1m。
理论分析和数值模拟结果与试验数据吻合较好，说明本理论模型符合工程实
际情况，为今后进一步研究奠定了基础。
As a type of new pile, the squeezed pile with expanded branches or
plates is developed on top of the traditional cast-in-place pile. In this
approach, the hard soil layers around different parts of the pile are
utilized to form branches or plates to turn a friction pile into a
multi-fulcrum, end bearing one. By changing the mechanism of bearing of
the pile, the capability of bearing is improved significantly while the
settlement of the pile decreases dramatically.
This paper focuses on our study of the squeezing process as well as
the suffering area of the soil surrounding the pile in the process of
squeezing. Considereding the non-linearity of soil, we supposed that the
pressure on the squeezing arms obey the law of two-times-parabola
distributing;Considering the flexibility of soil, we gave the formula of
the contact length,namely (x=l[(90－α)/90]1/2).Based on two assumptions
above, we built the mechanic model for the squeezing equipment and derived
the mechanic parameter expressions . We then applied the Columnar Hole
Expansion Theory to the squeezing process to analyze the influence on soil
around the branches or plates in two different squeezing processes,
one-side and two-side squeezing. For both cases, we plotted the plastic
area as a function of the expanding angle. Finally, we came to the
following conclusions: 1. One-side squeezing process can significantly
improve the vertical load because the soil under the plates has been fully
squeezed; 2. Two-side squeezing process can significantly improve the
lateral load because the soil about the plates has been well squeezed.
Finally, we simulated the squeezing process using the software of FLAC.
According to the date derived from squeezing effect experiment, we built
the numerical calculating model for the squeezing equipment,and got the
suffering area after squeezing process..For one-side squeezing,the
impact area reaches 1.8m in the level direction and,especially, the soil
within 0.9m is well squeezed; In the vertical direction, the inpact area
reaches 1.4m under the plate and 0.7m on top of it.For two-side
squeezing,the impact area reaches 2.5m in the level direction and the soil
within 1.3m is fully squeezed;In the vertical direction,the impact area
reaches 1.1m.
The experimental result of the squeezing effect matches well with the
conclusions drawn from the theoretical analysis thus it verified that our
mechanical models are correct and it is a good beginning for deep research
in the future.
挤扩支盘灌注桩是一种新型桩，是在原有等截面钻孔灌注桩的基础上发展而
来的。该桩利用桩身不同部位的硬土层设置分支或承力盘, 将摩擦桩变革为变截
面多支点摩擦端承桩, 改变了桩的受力机理，使桩的承载力大大提高,沉降变形
显著减小。
本文重点研究了挤扩设备挤压土体形成承力盘的力学过程和该过程对桩周
围土体的影响范围。考虑土应力-应变关系的非线性，假设挤土臂上的土压力服
从二次抛物线分布；考虑土的回弹性，假设挤土臂与土体的接触长度满足公式
x=l[(90－α)/90]1/2。在以上假设的基础上建立了挤扩装置工作时的力学模型，得
出了挤扩装置作用力和挤土臂土压应力的关系式。利用圆柱孔扩张理论分析了承
力盘挤扩过程，通过计算得到了不同挤扩张角下的塑性区范围开展图，并得出结
论：（1）单向挤扩时，承力盘以下土体受到充分挤压，能有效提高支盘桩的竖向
承载力；（2）双向挤扩时，承力盘水平方向土体受到充分挤压，能有效提高支盘
桩的横向承载力。
运用大型有限差分计算软件 FLAC-2D 对挤扩过程进行了数值模拟分析。根据
挤密效应试验资料建立了挤扩过程数值计算模型，得到了承力盘挤扩成型后对桩
周土的影响范围:（1）单向挤扩时，桩周土挤密效应的影响范围在水平方向达到
1.8m，尤其在 0.9m 内挤密效果显著；竖向方向挤密效应的影响范围为承力盘以
下 1.4m,承力盘以上 0.7m，尤其在盘下 0.6m 以内挤密效果显著。（2） 双向挤扩
时，桩周土挤密效应的影响范围在水平方向达到 2.5m，在 1.3m 范围内挤密效果
显著；竖直方向挤密效应影响范围达到 1.1m。
理论分析和数值模拟结果与试验数据吻合较好，说明本理论模型符合工程实
际情况，为今后进一步研究奠定了基础。
As a type of new pile, the squeezed pile with expanded branches or
plates is developed on top of the traditional cast-in-place pile. In this
approach, the hard soil layers around different parts of the pile are
utilized to form branches or plates to turn a friction pile into a
multi-fulcrum, end bearing one. By changing the mechanism of bearing of
the pile, the capability of bearing is improved significantly while the
settlement of the pile decreases dramatically.
This paper focuses on our study of the squeezing process as well as
the suffering area of the soil surrounding the pile in the process of
squeezing. Considereding the non-linearity of soil, we supposed that the
pressure on the squeezing arms obey the law of two-times-parabola
distributing;Considering the flexibility of soil, we gave the formula of
the contact length,namely (x=l[(90－α)/90]1/2).Based on two assumptions
above, we built the mechanic model for the squeezing equipment and derived
the mechanic parameter expressions . We then applied the Columnar Hole
Expansion Theory to the squeezing process to analyze the influence on soil
around the branches or plates in two different squeezing processes,
one-side and two-side squeezing. For both cases, we plotted the plastic
area as a function of the expanding angle. Finally, we came to the
following conclusions: 1. One-side squeezing process can significantly
improve the vertical load because the soil under the plates has been fully
squeezed; 2. Two-side squeezing process can significantly improve the
lateral load because the soil about the plates has been well squeezed.
Finally, we simulated the squeezing process using the software of FLAC.
According to the date derived from squeezing effect experiment, we built
the numerical calculating model for the squeezing equipment,and got the
suffering area after squeezing process..For one-side squeezing,the
impact area reaches 1.8m in the level direction and,especially, the soil
within 0.9m is well squeezed; In the vertical direction, the inpact area
reaches 1.4m under the plate and 0.7m on top of it.For two-side
squeezing,the impact area reaches 2.5m in the level direction and the soil
within 1.3m is fully squeezed;In the vertical direction,the impact area
reaches 1.1m.
The experimental result of the squeezing effect matches well with the
conclusions drawn from the theoretical analysis thus it verified that our
mechanical models are correct and it is a good beginning for deep research
in the future.
引文
参考文献
1 张延庆 周明芳 液压挤扩支盘桩成型过程研究 北京工业大学学报 2001，
3，54-56
2 史鸿林 胡林忠 王维亚 周志强 新型挤压分支桩的计算与试验研究 建
筑结构学报 1997，1 49-55
3 王尔钢 挤扩多支盘桩单桩承载力浅析 建筑结构 2000（3），61~62
4 战永亮 张延庆 孟凡丽 周明芳 挤扩多支盘桩的试验研究 工程力学增刊
1999，542~546
5 杨锦东 崔江余 唐业清 挤扩支盘混凝土灌注桩现场试验研究 工业建筑
1999（10），49-51
6 吴永红 郑刚 多支盘钻孔灌注桩沉降计算理论研究与方法 岩土工程学报
2000（5），528-531
7 吴兴隆 李广茂 魏章和 DX 桩单桩承载力设计分析 岩土工程学报
2000，（9），581-585
8 魏章和 李光茂 贺得新 DX 桩的试验及研究 基础工程 2000，5，12-16
9 黄生根 多级挤扩钻孔灌注桩的应用研究 探矿工程 1998，增刊，1-4
10 贺得新 沈宝汉 DX 挤扩装置及 DX 多节挤扩桩的应用 工业建筑
2001，31（1）27-32
11 周青春 于南燕 DX 桩的试验研究 岩土力学 2001，09 22-3
12 张怡泉 夏柏如 多分支承力盘桩竖向静载荷试验极限承载力的判定
探矿工程 2000（5），27-29
13 周湘明 变截面人工挖孔桩在复杂地基条件中的应用 土工基础 1998，3，
47-50
14 吴静海 挤扩多分支承力盘混凝土灌注桩的工程应用 中国市政工程
1998，1， 44-47
15 张体斋 张依忠 田杰 苏连凯 DX 多节扩孔灌注桩施工方法 施工技术
2001，9，15-18
- 73 -
北京工业大学工学硕士学位论文
16 张辉 人工挖孔桩桩端土承载力的研究 桂林工学院学报 1997，4，
147-151
17 刘瑞期 张福存 超高层（重型）建筑的新型桩基-葫芦桩 岩土工程界
2001，4，13-16
18 张永久 变径灌注桩及其制造工艺 土工基础 2001，1，1-6
19 赵法锁 俞见勇 罗丽绢 卢泉中 胡志平 灌注桩桩土共同作用试验及有限
元模拟研究 工程地质学报 2001，1 87-93
20 高笑绢 崔广俊 刘凤军 人工挖孔变形桩的三维有限元分析 洛阳工学院学
报 2001，2 74-79
21 赵树德主编 土力学 高等教育出版社 2001，8
22 朱百里 沈珠江等编 计算土力学 上海科学技术出版社 1990
23 龚晓南 土塑性力学 浙江大学出版社 1990
24 蒋明镜 沈珠江 考虑材料应变软化的柱形孔扩张问题 岩土工程学报
1995，7 17-4
25 潘林有 利用园孔扩张理论分析静压桩挤土效应 地下空间 1999，9 19-3
26 刘万兴 张 璞 桩挤土效应的极值原理分析方法 大坝观测与土工测试
2000，8，20 24-4
27 章根德 著 土的本构模型及其工程应用 科学出版社 1995
28 殷宗泽 朱泓 许国华 土与结构材料接触面的变形及其数学模拟 岩土工程
学报 1994，05 16-3
29 胡黎明 濮家驹 土与结构物接触面物理力学特性试验研究 岩土工程学报
2001（7）431~435
30 樊良本 朱国元 桩周土应力状态的圆柱孔扩张理论试验研究 浙江大学学
报 1998，3 32-2
31 林天健 现代异形桩及其力学特点的理论评述 力学与实践 1998，20-5
32 林天健 熊厚金 王利群编 桩基础设计指南 中国建筑工业出版社 1999
33 徐至均 张国栋 新型桩挤扩支盘灌注桩设计与工程应用 机械工业出版社
2002
34 中华人民共和国国标“建筑地基基础设计规范”（GB5007-2002），北京；中
- 74 -
参考文献
国建筑工业出版社，2001
35 中华人民共和国行业标准“建筑桩基技术规范”（JGJ94-1994），北京：中国
建筑工业出版社，1995
36 中华人民共和国国标“岩土工程勘测规范”（GB50021-2001），北京：中国建
筑工业出版社；2002
37 周明芳 挤扩支盘桩的承载性能分析 石油大学硕士毕业论文 2000.3
38 苑辉 液压挤扩支盘桩承力盘成型过程及承载性能研究 北京工业大学工学
硕士学位论文 2003.5
39 孙雅欣 液压挤扩支盘桩水平承载性能研究 北京工业大学工学硕士学位论
文 2003.5
40 FLAC-2D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 2 Dimensions) Version
4.0 user manual USA;Itasca Consulting group,Inc.
41 Goodman R F,Taylor R L,Brekke T L.A Model for the mechanics of jointed
Rock.Journ Soil Mech & Found Div ASCE,1968,94(SM3):637~660.
42 Potyondy J.G..Skin friction between various soils and construction
material[J] Geotechnique.1961,11(4);339~353
43 Mark F.Randolph and C.Peter Wroth: Analysis of Deformation of ver-
tically Loaded Piles.Journal of Geot. Engrg Divn.,ASCE,104, (GT12),
1987
44 R.Butterfild and P.K.Banerjee:The Problem of Pile Group-pile Cap
Interaction. Geotechnique,1971,21(2),135~142
45 H.G.Poulos:Pile behaviour—theory and application. Geotechnique,1989
,1989,39(3),365~415
46 Andrew G.Heydinger and Michael W. O’Neill:Analysis of Axial Pile-Soil
Interaction in Clay. International Journal for Numerical and
Analytical Methods in Geomechanics,1986,10,367~381
47 Jose L.M.Clemente and Jesus M.Polo:Micro-computer Analysis of Pile
Group Settlement Using Independent Point and Shaft Loads. Computers
and Structrues 1988,29(2),241~255
1 张延庆 周明芳 液压挤扩支盘桩成型过程研究 北京工业大学学报 2001，
3，54-56
2 史鸿林 胡林忠 王维亚 周志强 新型挤压分支桩的计算与试验研究 建
筑结构学报 1997，1 49-55
3 王尔钢 挤扩多支盘桩单桩承载力浅析 建筑结构 2000（3），61~62
4 战永亮 张延庆 孟凡丽 周明芳 挤扩多支盘桩的试验研究 工程力学增刊
1999，542~546
5 杨锦东 崔江余 唐业清 挤扩支盘混凝土灌注桩现场试验研究 工业建筑
1999（10），49-51
6 吴永红 郑刚 多支盘钻孔灌注桩沉降计算理论研究与方法 岩土工程学报
2000（5），528-531
7 吴兴隆 李广茂 魏章和 DX 桩单桩承载力设计分析 岩土工程学报
2000，（9），581-585
8 魏章和 李光茂 贺得新 DX 桩的试验及研究 基础工程 2000，5，12-16
9 黄生根 多级挤扩钻孔灌注桩的应用研究 探矿工程 1998，增刊，1-4
10 贺得新 沈宝汉 DX 挤扩装置及 DX 多节挤扩桩的应用 工业建筑
2001，31（1）27-32
11 周青春 于南燕 DX 桩的试验研究 岩土力学 2001，09 22-3
12 张怡泉 夏柏如 多分支承力盘桩竖向静载荷试验极限承载力的判定
探矿工程 2000（5），27-29
13 周湘明 变截面人工挖孔桩在复杂地基条件中的应用 土工基础 1998，3，
47-50
14 吴静海 挤扩多分支承力盘混凝土灌注桩的工程应用 中国市政工程
1998，1， 44-47
15 张体斋 张依忠 田杰 苏连凯 DX 多节扩孔灌注桩施工方法 施工技术
2001，9，15-18
- 73 -
北京工业大学工学硕士学位论文
16 张辉 人工挖孔桩桩端土承载力的研究 桂林工学院学报 1997，4，
147-151
17 刘瑞期 张福存 超高层（重型）建筑的新型桩基-葫芦桩 岩土工程界
2001，4，13-16
18 张永久 变径灌注桩及其制造工艺 土工基础 2001，1，1-6
19 赵法锁 俞见勇 罗丽绢 卢泉中 胡志平 灌注桩桩土共同作用试验及有限
元模拟研究 工程地质学报 2001，1 87-93
20 高笑绢 崔广俊 刘凤军 人工挖孔变形桩的三维有限元分析 洛阳工学院学
报 2001，2 74-79
21 赵树德主编 土力学 高等教育出版社 2001，8
22 朱百里 沈珠江等编 计算土力学 上海科学技术出版社 1990
23 龚晓南 土塑性力学 浙江大学出版社 1990
24 蒋明镜 沈珠江 考虑材料应变软化的柱形孔扩张问题 岩土工程学报
1995，7 17-4
25 潘林有 利用园孔扩张理论分析静压桩挤土效应 地下空间 1999，9 19-3
26 刘万兴 张 璞 桩挤土效应的极值原理分析方法 大坝观测与土工测试
2000，8，20 24-4
27 章根德 著 土的本构模型及其工程应用 科学出版社 1995
28 殷宗泽 朱泓 许国华 土与结构材料接触面的变形及其数学模拟 岩土工程
学报 1994，05 16-3
29 胡黎明 濮家驹 土与结构物接触面物理力学特性试验研究 岩土工程学报
2001（7）431~435
30 樊良本 朱国元 桩周土应力状态的圆柱孔扩张理论试验研究 浙江大学学
报 1998，3 32-2
31 林天健 现代异形桩及其力学特点的理论评述 力学与实践 1998，20-5
32 林天健 熊厚金 王利群编 桩基础设计指南 中国建筑工业出版社 1999
33 徐至均 张国栋 新型桩挤扩支盘灌注桩设计与工程应用 机械工业出版社
2002
34 中华人民共和国国标“建筑地基基础设计规范”（GB5007-2002），北京；中
- 74 -
参考文献
国建筑工业出版社，2001
35 中华人民共和国行业标准“建筑桩基技术规范”（JGJ94-1994），北京：中国
建筑工业出版社，1995
36 中华人民共和国国标“岩土工程勘测规范”（GB50021-2001），北京：中国建
筑工业出版社；2002
37 周明芳 挤扩支盘桩的承载性能分析 石油大学硕士毕业论文 2000.3
38 苑辉 液压挤扩支盘桩承力盘成型过程及承载性能研究 北京工业大学工学
硕士学位论文 2003.5
39 孙雅欣 液压挤扩支盘桩水平承载性能研究 北京工业大学工学硕士学位论
文 2003.5
40 FLAC-2D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 2 Dimensions) Version
4.0 user manual USA;Itasca Consulting group,Inc.
41 Goodman R F,Taylor R L,Brekke T L.A Model for the mechanics of jointed
Rock.Journ Soil Mech & Found Div ASCE,1968,94(SM3):637~660.
42 Potyondy J.G..Skin friction between various soils and construction
material[J] Geotechnique.1961,11(4);339~353
43 Mark F.Randolph and C.Peter Wroth: Analysis of Deformation of ver-
tically Loaded Piles.Journal of Geot. Engrg Divn.,ASCE,104, (GT12),
1987
44 R.Butterfild and P.K.Banerjee:The Problem of Pile Group-pile Cap
Interaction. Geotechnique,1971,21(2),135~142
45 H.G.Poulos:Pile behaviour—theory and application. Geotechnique,1989
,1989,39(3),365~415
46 Andrew G.Heydinger and Michael W. O’Neill:Analysis of Axial Pile-Soil
Interaction in Clay. International Journal for Numerical and
Analytical Methods in Geomechanics,1986,10,367~381
47 Jose L.M.Clemente and Jesus M.Polo:Micro-computer Analysis of Pile
Group Settlement Using Independent Point and Shaft Loads. Computers
and Structrues 1988,29(2),241~255