21世紀(jì)的樁基新技術(shù):DX旋挖擠擴(kuò)灌注樁

王夢(mèng)恕，賀德新，唐松濤

(1．北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044;2．中鐵隧道集團(tuán)，河南洛陽 471001;3．北京中闊地基基礎(chǔ)技術(shù)有限公司，北京 100097)

1 前言

樁基是一種歷史悠久的基礎(chǔ)形式，在我國(guó)很早就已成功地使用木樁來解決軟土地基上的基礎(chǔ)建造問題。到了近代，一方面是高、重建筑和精密設(shè)備對(duì)地基基礎(chǔ)的要求日益嚴(yán)格，另一方面是成樁技術(shù)的進(jìn)步，使樁基具有更突出的承載力高、變形量小、抗液化、抗拉拔能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，促使樁基發(fā)展十分迅速，已廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、鐵路、水利、港口和近海工程等諸多領(lǐng)域。從發(fā)展趨勢(shì)看，它是實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)施工工業(yè)化的途徑之一，因而是一種很有發(fā)展前途的深基礎(chǔ)。

截至2010年年末，我國(guó)高鐵的運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)到8358 km，路網(wǎng)規(guī)模和速度等級(jí)均已居世界第一。京滬高鐵全長(zhǎng)1318 km，其中近80%為橋梁，是當(dāng)今世界上一次建成線路最長(zhǎng)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最高的高速鐵路。這些實(shí)踐均證明了所采用的樁基礎(chǔ)是安全、穩(wěn)定和可靠的。同時(shí)，城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展也為樁基的發(fā)展提供廣闊的空間。

隨著生產(chǎn)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，樁基技術(shù)在樁型和施工工藝等方面不斷地推陳出新，樁的成樁工藝和應(yīng)用都比過去更為多樣化，特別是在樁基設(shè)計(jì)和施工領(lǐng)域中提出了許多嶄新的概念和理論。具體表現(xiàn)在單樁設(shè)計(jì)承載力越來越大，設(shè)計(jì)者不得不從諸如樁身材料優(yōu)選，加大樁身截面，尋求新的、有效的沉樁工藝等途徑入手，于是出現(xiàn)了各種新型系列的改良樁系。各種不同樁型的對(duì)比情況見表1。

隨著21世紀(jì)的到來，樁基礎(chǔ)施工技術(shù)在各個(gè)方向都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展:a．樁的尺寸向長(zhǎng)、大方向發(fā)展;b．樁的尺寸向短、小方向發(fā)展;c．向攻克樁成孔難點(diǎn)方向發(fā)展;d．向低碳節(jié)能工法樁方向發(fā)展;e．向擴(kuò)底樁方向發(fā)展;f．向變截面樁方向發(fā)展;g．向埋入式樁方向發(fā)展;h．向組合式工藝樁方向發(fā)展;i．向高強(qiáng)度樁方向發(fā)展;j．向多種樁身材料方向發(fā)展;k．向條形樁基方向發(fā)展。

DX樁作為變截面新樁型的代表，近年來得到了迅速的發(fā)展。它是在鉆孔灌注樁的基礎(chǔ)上，使用專用的擠擴(kuò)設(shè)備在樁底和樁身擠擴(kuò)成為支盤狀，然后澆灌混凝土形成樁身、承力盤和樁根共同承載的樁型。由于承力盤增大了樁身的有效承載面積，同時(shí)擠擴(kuò)設(shè)備對(duì)周圍土體有一定的擠密作用，因此DX樁可較大幅度提高單樁承載力。

經(jīng)過多年工程實(shí)踐證明，DX樁技術(shù)具有工藝獨(dú)特，設(shè)備操作簡(jiǎn)便，機(jī)械先進(jìn)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)，單樁承載力高，成樁差異小，盤腔成形穩(wěn)定，節(jié)約成本，降低造價(jià)等特點(diǎn)，是一種較成熟的樁基技術(shù)。目前在山東、山西、天津等地的部分地區(qū)和企業(yè)已制訂了DX樁設(shè)計(jì)與施工的規(guī)程和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使得DX樁在這些地區(qū)得到推廣應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。但DX樁由于其多級(jí)擴(kuò)徑體的存在改變了傳統(tǒng)等截面樁的荷載傳遞和變形性狀，樁與土之間的相互作用問題較為復(fù)雜，目前人們對(duì)DX樁承載機(jī)理的認(rèn)識(shí)還很不充分，制約了DX樁在工程中應(yīng)用的發(fā)展。

表1 各種樁型優(yōu)缺點(diǎn)比較Table 1 Advantages and disadvantages of several piles

2 多節(jié)擴(kuò)孔樁的發(fā)展

20世紀(jì)50年代后期，印度開始在膨脹土中采用多節(jié)擴(kuò)孔樁，20世紀(jì)60年代和70年代印度、英國(guó)及前蘇聯(lián)在黑棉土、黃土、亞粘土、粘土和砂土中采用多節(jié)擴(kuò)孔樁。國(guó)外經(jīng)驗(yàn)表明，多節(jié)擴(kuò)孔樁與直孔樁相比，承載力大大提高，沉降小，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果顯著。

1978年初，北京市建筑工程研究所等在團(tuán)結(jié)湖小區(qū)進(jìn)行干作業(yè)成孔的小直徑(樁身直徑300 mm、擴(kuò)大頭直徑480 mm)兩節(jié)和三節(jié)擴(kuò)孔短樁(樁長(zhǎng)不足5 m)施工工藝及靜載試驗(yàn)研究。

1979年建設(shè)部建筑機(jī)械研究所和北京市機(jī)械施工公司在國(guó)內(nèi)首先研制開發(fā)出擠擴(kuò)、鉆擴(kuò)和清虛土的三聯(lián)機(jī)，簡(jiǎn)稱ZKY－100型擴(kuò)孔器，同年北京市樁基研究小組首先在勁松小區(qū)對(duì)用該機(jī)的擠擴(kuò)裝置制作成的四節(jié)擠擴(kuò)分支樁(樁身直徑400 mm，擠擴(kuò)分支直徑560 mm，每一節(jié)為6個(gè)分支，單支寬度200 mm、高度200 mm，樁長(zhǎng)8．70 m)和相應(yīng)的直孔樁(樁徑400 mm、樁長(zhǎng)8．85 m)進(jìn)行豎向受壓靜載試驗(yàn)，結(jié)果表明，前者的極限荷載為后者的138%。

20世紀(jì)90年代，北京俊華地基基礎(chǔ)工程技術(shù)集團(tuán)研制開發(fā)出該公司的第一代錘擊式擠擴(kuò)裝置和第二代YZJ型液壓擠擴(kuò)支盤成型機(jī)及擠擴(kuò)多分支承力盤樁，后者在北京、天津、河南、安徽、湖北等地的工程中得到應(yīng)用，取得了較顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。支盤樁的單樁承載力一般為相應(yīng)直孔樁的2倍左右。

近年來，上海地區(qū)推出凹凸型鉆孔灌注樁，即在成孔過程中，采用高速、控壓造凹凸工藝，選擇合適部位，擴(kuò)大孔徑，然后灌注混凝土而成樁體，并在幾個(gè)工程中成功地應(yīng)用。

同時(shí)，AM樁也得到了很大的發(fā)展。AM樁是一種旋挖鉆孔擴(kuò)底灌注樁，即在直孔樁鉆孔完成后，采用特有的AM“魔力桶”進(jìn)行液壓切削擴(kuò)底。

基于國(guó)內(nèi)外建筑業(yè)市場(chǎng)前景，擴(kuò)孔灌注樁技術(shù)運(yùn)用廣泛，而擴(kuò)孔樁施工機(jī)具技術(shù)落后的現(xiàn)狀，1998年，賀德新在應(yīng)用YZJ型支盤擠擴(kuò)機(jī)的基礎(chǔ)上，認(rèn)真分析，潛心研究，研制出國(guó)內(nèi)外同類型機(jī)具中新一代全智能多功能液壓擠擴(kuò)裝置(簡(jiǎn)稱DX擠擴(kuò)裝置)。之后，在第一代DX擠擴(kuò)裝置的基礎(chǔ)上，研發(fā)出第二代鉆擴(kuò)清一體化機(jī)，該設(shè)備可以同時(shí)完成鉆孔、擴(kuò)孔以及清孔施工，大大提高了施工效率。

2006年，北京中闊地基基礎(chǔ)技術(shù)有限公司又將現(xiàn)有的擠擴(kuò)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)明了DX旋挖擠擴(kuò)鉆機(jī)。該設(shè)備將原來的非連續(xù)成盤作業(yè)變?yōu)檫B續(xù)的切削碾壓作業(yè)，成盤的質(zhì)量更高，速度更快。設(shè)備的革新也帶來了施工工藝的革新，采用新工藝以后，DX樁擴(kuò)盤的適用范圍更加廣泛。對(duì)于以前純擠壓方式無法施工的硬土層或強(qiáng)風(fēng)化巖層，新一代設(shè)備也同樣可以保質(zhì)保量的完成，大大拓寬了DX樁的適用范圍。

隨著DX樁技術(shù)及工藝的普及，DX樁在住宅樓、高層辦公樓樁基、電廠公路橋梁樁基以及液化天然氣儲(chǔ)存罐樁基等工程中得到了大規(guī)模應(yīng)用。這些工程涵蓋了從普通的工業(yè)與民用建筑，到大型、重型荷載作用下的建筑物基礎(chǔ)，為DX樁規(guī)范的制訂提供了大量可靠的依據(jù)。截至目前，已經(jīng)有5個(gè)省市的相關(guān)部門先后頒布了6本DX樁的地方技術(shù)規(guī)程以及建設(shè)部的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 DX樁的工藝特點(diǎn)

3．1 基本原理

三岔雙向擠擴(kuò)灌注樁(簡(jiǎn)稱 DX樁)是在鉆(沖)孔后，向孔內(nèi)下入專用DX擠擴(kuò)裝置，通過液壓系統(tǒng)控制該裝置的擠擴(kuò)臂的擴(kuò)張和收縮，按承載力要求和地層土質(zhì)條件在樁周土不同位置旋挖擠擴(kuò)出勻稱分布的擴(kuò)大盤腔后，放入鋼筋籠，灌注混凝土，形成由樁身、承力盤和樁根共同承載的樁型。

DX樁實(shí)質(zhì)上是多節(jié)擴(kuò)孔樁的新一代產(chǎn)物，是在應(yīng)用YZJ型支盤擠擴(kuò)機(jī)的實(shí)踐中，總結(jié)國(guó)內(nèi)外同類型機(jī)具的優(yōu)劣特點(diǎn)，分析各類擴(kuò)孔機(jī)具在不同土體中的成型機(jī)理，在支盤樁的基礎(chǔ)上進(jìn)行多方位的實(shí)質(zhì)性改進(jìn)，明顯地改善了旋挖擠擴(kuò)成型效果的一種新樁型。

3．2 DX樁施工工藝

DX樁施工工藝簡(jiǎn)單，主要的工藝流程包括:DX樁成直孔施工→將DX擠擴(kuò)裝置放入孔內(nèi)→按設(shè)計(jì)位置自下而上依次擠擴(kuò)形成承力盤腔體→測(cè)定盤腔體的位置與尺寸→下放鋼筋籠→插入導(dǎo)管→灌注混凝土→成樁。

1)DX樁屬于鉆孔多節(jié)擠擴(kuò)灌注樁，它區(qū)別于鉆孔擴(kuò)底樁與人工挖擴(kuò)樁基本不改變?cè)鼗廖锢砹W(xué)特性，將樁端承壓面積擴(kuò)大，DX樁是在原等截面鉆孔灌注樁施工增加一道工序，將DX旋挖擠擴(kuò)裝置下入孔中，通過地面液壓站控制擠擴(kuò)臂的擴(kuò)張和收縮以及裝置的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋擴(kuò)出DX樁的承力盤腔，旋擴(kuò)后腔體周圍的土體被擠密，該擠密后的土體與隨后澆注入盤腔內(nèi)的混凝土緊密地結(jié)合成一體。通過擴(kuò)大樁身多個(gè)斷面直徑，增大了樁的有效承載面積，同時(shí)由于擠密土體效應(yīng)，較充分地發(fā)揮樁土共同承載作用，從而提高了單樁承載力，同時(shí)也改善了群樁的應(yīng)力分布，進(jìn)而達(dá)到減少沉降的目的。

2)DX樁的擠擴(kuò)成孔工藝適用范圍廣，可用于泥漿護(hù)壁、干作業(yè)、水泥漿護(hù)壁及重錘搗擴(kuò)成直孔工藝。

3)機(jī)具入孔過程，可對(duì)直孔部分的成孔質(zhì)量(孔徑、孔深及垂直度的偏差等)進(jìn)行二次定性檢測(cè)。

4)施工工藝中實(shí)施二次回鉆及增加旋挖斗等手段，保證樁底沉渣滿足國(guó)家規(guī)范要求。

4 DX樁的優(yōu)勢(shì)

DX樁無論是設(shè)備還是工藝都具有非常先進(jìn)的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)包括:a．盤結(jié)構(gòu)上下對(duì)稱;b．成腔質(zhì)量可靠;c．設(shè)計(jì)靈活、盤位可調(diào);d．不均勻沉降小;e．適用土層廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)。

4．1 盤結(jié)構(gòu)上下對(duì)稱

雙向擠擴(kuò)形成的上下對(duì)稱帶坡度的盤具有施工和受力上的諸多優(yōu)點(diǎn):

1)抗壓性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的直孔樁。

2)具有非常好的抗拔性能。

3)在成腔的施工過程中，沉渣能夠順著斜面落下，避免沉渣在空腔底面的堆積。

4)斜面便于混凝土的澆筑，混凝土靠自身的流動(dòng)性就能充分灌滿整個(gè)腔體，同時(shí)還不夾泥，利于控制混凝土的密實(shí)程度。

5)承力盤的斜面形狀(見圖1)，保證了承力盤的混凝土處于受壓狀態(tài)。盤的剪切通過樁身的鋼筋，所以承力盤不會(huì)發(fā)生剪切破壞。

6)在豎向受力時(shí)，承力盤下方的斜面可以增加承力盤施加給土體的附加應(yīng)力的擴(kuò)散范圍，避免對(duì)土體造成剪切(見圖2)。

4．2 成腔質(zhì)量可靠

圖1 承力盤剪切受力示意圖Fig．1 Schematic diagram of shear force of bell

圖2 承力盤下土體受力示意圖Fig．2 Force diagram of soil under each bell

多節(jié)擴(kuò)孔類的灌注樁成敗的關(guān)鍵在于擴(kuò)孔形成的盤腔的質(zhì)量以及能否按設(shè)計(jì)要求順利形成盤腔。旋轉(zhuǎn)擠擴(kuò)技術(shù)是目前唯一能快速、高效、高質(zhì)量完成各種土層條件下盤腔施工的技術(shù)，原因如下:

1)旋轉(zhuǎn)擠擴(kuò)設(shè)備獨(dú)特的雙缸雙向液壓結(jié)構(gòu)保證了盤腔周圍土體的穩(wěn)定性。

2)一次旋擴(kuò)三對(duì)擠擴(kuò)臂同時(shí)工作，三向支撐，三向同時(shí)受力，擠擴(kuò)機(jī)能準(zhǔn)確與樁身軸心對(duì)齊。

3)腔體下側(cè)面的這種斜面形狀可以保證沉渣能順利掉落，而不會(huì)堆積在承力盤腔體內(nèi)，確保了腔體的完整性。

4)旋轉(zhuǎn)擠擴(kuò)方式能適用N＞40的土層。

5)旋轉(zhuǎn)擠擴(kuò)施工方式比水平擠擴(kuò)方式施工速度提高數(shù)倍。

圖3是某次施工形成的盤腔，從照片上看，盤腔十分規(guī)則，而且盤腔壁的土體十分密實(shí)、堅(jiān)硬，施工現(xiàn)場(chǎng)用鐵釬都很難撬動(dòng)。

4．3 設(shè)計(jì)靈活、盤位可調(diào)

圖3 旋轉(zhuǎn)擠擴(kuò)所成的盤腔Fig．3 Bell cavity by rotary extruding-expanding

由于承力盤是通過液壓臂旋挖擠擴(kuò)土層形成的，擠擴(kuò)過程相當(dāng)于旁壓實(shí)驗(yàn)，施工過程同時(shí)也是對(duì)土層承載力的一種檢驗(yàn)。因此，施工時(shí)能大致了解到土層軟硬性即持力層的適宜程度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)與試樁施工有差別時(shí)，可按照設(shè)計(jì)變更要求，采取調(diào)整盤位置或增設(shè)盤數(shù)量的措施，如圖4所示。這樣可以確保樁基承載力，以及各樁承載力的一致性，這是其他樁型無法實(shí)現(xiàn)的。

圖4 盤位隨土層變化示意圖Fig．4 Sketch map of bell locations varied as the soil changes

4．4 不均勻沉降小

由于承力盤可以根據(jù)持力層的深度變化隨時(shí)調(diào)整，確保同一工程中不同DX樁的承載力離散性小。同時(shí)，DX樁施工工藝可靠，成樁性能穩(wěn)定。這兩方面的因素，保證了DX樁群樁工程中，不同單樁的沉降差異小。

4．5 適應(yīng)性強(qiáng)、適用土層廣泛

DX樁按不同成孔工藝可結(jié)合采用潛水鉆機(jī)、正循環(huán)鉆機(jī)、沖擊鉆機(jī)、螺旋鉆機(jī)、鉆斗鉆機(jī)、全套管貝諾特鉆機(jī)及沉管機(jī)等成孔鉆機(jī)。

隨著不斷的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和技術(shù)革新，DX樁的設(shè)備和技術(shù)發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)更高的階段。DX樁可在多種土層中成樁，不受地下水位限制，并可以根據(jù)承載力要求采取增設(shè)承力盤數(shù)量來提高單樁承載力。

DX樁承力盤的設(shè)置原則:

對(duì)于第一代和第二代DX裝置，承力盤應(yīng)設(shè)置在:a．可塑～硬塑狀態(tài)的粘性土中，或稍密～密實(shí)狀態(tài)(N＜40)的粉土和砂土中;b．承力盤也可設(shè)置在密實(shí)狀態(tài)(N≥40)的粉土和砂土或中密～密實(shí)狀態(tài)的卵礫石層的上層面上;c．底承力盤也可設(shè)置在強(qiáng)風(fēng)化巖或殘積土層的上層面上。

而對(duì)于新一代的DX裝置，由于設(shè)備和工藝的進(jìn)步，適用的土層大大拓寬，一般遵循如下原則:對(duì)于標(biāo)貫擊數(shù)在15～40的土體，采用切削碾壓工藝進(jìn)行施工;而當(dāng)標(biāo)貫擊數(shù)大于40時(shí)，由于此時(shí)土體的密實(shí)度已經(jīng)相當(dāng)高，再進(jìn)行擠擴(kuò)可能會(huì)使土體發(fā)生剪脹效應(yīng)，且擠擴(kuò)所需的壓力極大，施工困難，因而采用切削工藝，盡量保持土體的原狀性，以達(dá)到充分利用土體承載力的效果，見圖5。

圖5 不同土層適用的旋擴(kuò)方法Fig．5 Methods using in different soils

5 研究進(jìn)展

在設(shè)備和工藝發(fā)展的同時(shí)，DX樁的理論研究也同樣得到了蓬勃的發(fā)展。先后有很多國(guó)內(nèi)外的專家和學(xué)者對(duì)DX樁的承載機(jī)理、荷載傳遞規(guī)律和沉降特性進(jìn)行了研究。對(duì)DX樁承力盤的角度、盤間距、群樁的樁間距等各方面都進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

5．1 國(guó)外研究

在印度等國(guó)家，從20世紀(jì)50年代開始進(jìn)行了擴(kuò)孔樁的廣泛的應(yīng)用與研究［1～5］。

1955年，擴(kuò)孔(Under-reamed)樁在印度的黑棉土地區(qū)開始應(yīng)用。該樁型一般設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)承力盤，并作為錨樁或者承載力要求不高的抗壓樁。受當(dāng)時(shí)施工機(jī)械的限制，該樁樁長(zhǎng)一般為4 m左右，樁徑也非常小。

Mohan［3］等人的研究表明，與一個(gè)承力盤的擴(kuò)孔樁相比，相同樁徑和盤徑的兩個(gè)承力盤的擴(kuò)孔樁盤間距在 1．25～1．5倍盤徑時(shí)，承載力能提高50%。兩個(gè)承力盤的最佳間距為1．5倍盤徑。研究中所采用的盤徑和樁徑比為2．5∶1。

在承載力計(jì)算方面，建議采用兩種方法:

1)盤間距較小時(shí)

式(1)中，Ap為樁身截面積;Nc為承載力系數(shù)(對(duì)于粘土通常取9);cp為樁端處土體的抗剪強(qiáng)度值;Aa為/4(D2u－D2)，Du和D分別為盤徑和樁徑;ca′為盤端土體平均抗剪強(qiáng)度;As′為承力盤形成的土柱的側(cè)表面積;f為折減系數(shù)(對(duì)于印度黑棉土，通常取0．5);ca為沿樁身的土體平均抗剪強(qiáng)度;As為樁身側(cè)表面。

2)盤間距較大時(shí)

式(2)中，N為承力盤個(gè)數(shù)。

同一時(shí)期，在俄羅斯Mintskovskii等人也進(jìn)行了相關(guān)研究，其采用的設(shè)備與Mohan等人的施工設(shè)備相似，其樁型也相似。得出的結(jié)論與Mohan等人的結(jié)果相似。

Martin［4］等在美國(guó)進(jìn)行了兩個(gè)承力盤的擴(kuò)孔樁的研究，此時(shí)大型設(shè)備的發(fā)展使得該樁型在大直徑樁中的應(yīng)用成為可能。其研究成果大致與Mohan等人的研究成果一致。

5．2 承載性能與機(jī)理研究

魏章和［5］、周青春［6］等通過現(xiàn)場(chǎng)試樁靜載荷試驗(yàn)對(duì)DX樁的受力特性及變形破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。其研究成果表明與相同直徑和樁長(zhǎng)的直孔樁相比，DX樁能提高承載力1倍以上。在比較均勻的底層中，DX樁各承力盤端阻力的發(fā)揮具有明顯時(shí)間和順序效應(yīng)?？傮w趨勢(shì)是上盤比下盤承載力發(fā)揮得早、荷載分擔(dān)得多。DX樁的破壞模式是在極限荷載下各承力盤阻力先后達(dá)到極限狀態(tài)而破壞，表現(xiàn)在樁頂上為破壞迅速發(fā)生。其試驗(yàn)表明，在極限荷載作用下，第1盤承受的荷載最大，土體剪切破壞瞬間發(fā)生，從而導(dǎo)致下盤受力迅速增加，達(dá)到極限狀態(tài)，荷載又迅速下傳，直至樁身發(fā)生急劇的、不停滯的下沉而破壞。

楊志龍［7］等根據(jù)擠擴(kuò)多支盤混凝土灌注樁(DX樁)的現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)結(jié)果，分析DX樁的荷載傳遞機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著豎向荷載的增加，由上到下各承力盤先后發(fā)揮其端承作用;各承力盤上下一定范圍內(nèi)樁側(cè)摩阻力不能發(fā)揮出來，建議在DX樁設(shè)計(jì)時(shí)，承力盤或分支間間距宜不小于4～6d(d為樁徑);對(duì)于粉土、粉質(zhì)粘土，樁側(cè)極限摩阻力為30 ～70 kPa，所對(duì)應(yīng)的極限位移為5～20 mm;樁側(cè)極限側(cè)摩阻力和極限位移隨土層埋深而增大。在相同條件下DX樁的極限承載力比等截面樁高50%。

陳輪［8］等用有限元法對(duì)豎向樁頂荷載作用下DX樁樁周土的應(yīng)力變形及樁身荷載傳遞特點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)值分析。給出了樁周土體的應(yīng)力位移等值線，分析了擴(kuò)徑體數(shù)量、間距及形狀對(duì)DX樁承載性能的影響，進(jìn)一步揭示了DX樁的單樁承載力機(jī)理。

陳輪［9］等對(duì)DX樁進(jìn)行了大比尺的模型試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:a．同一地質(zhì)條件下，與直孔樁相比，在混凝土體積增加26% ～50%的情況下，DX樁單樁極限承載力比直孔樁提高了106% ～171%，整根樁的單方極限承載力提高了62% ～81%;b．DX樁的Q－s曲線與直孔樁相比，曲線變化較為平緩并向右(即荷載增大的方向)拓延，曲線的第二拐點(diǎn)位置向右、向下移動(dòng);c．荷載作用下，DX樁承力岔的端阻力發(fā)揮較早，由于DX樁的承力岔空腔是通過擠擴(kuò)裝置在較大的壓力下擠密周圍土體形成的，土體的強(qiáng)度提高而且在承受豎向荷載時(shí)，DX樁不再或很少經(jīng)歷將承力岔下方土體由原位狀態(tài)進(jìn)行擠密壓實(shí)的過程，所以承力岔的端承作用可以發(fā)揮較大的端阻力，在樁沉降量較小的情況下提供支持力;d．DX樁承力岔端阻力的發(fā)揮具有明顯的順序。自上而下，第一承力岔先承力而下部承力岔要滯后些承力，待上部承力岔接近于或達(dá)到極限承載力時(shí)，樁身軸力像“接力棒”一樣逐漸向下部傳遞，使下部承力岔的承力作用逐步得到發(fā)揮。

陳輪［10］等還對(duì)單位端阻力進(jìn)行了研究，認(rèn)為隨著樁頂荷載的增加，DX樁擴(kuò)徑體的單位端阻力逐漸增大;與下部擴(kuò)徑體相比，上部擴(kuò)徑體的單位端阻力較早達(dá)到極限值，而此后基本保持不變;而在上部擴(kuò)徑體達(dá)到極限單位端阻力后，下部擴(kuò)徑體的單位端阻力仍有較大的增長(zhǎng)幅度和較長(zhǎng)的發(fā)揮過程。達(dá)到極限荷載后，隨樁頂沉降的再增加，下部擴(kuò)徑體的單位端阻力也略有增加。只有荷載接近破壞荷載時(shí)，下部擴(kuò)徑體的單位端阻力才會(huì)達(dá)到極限值并保持不變。

沈保漢［11，12］總結(jié)了諸多與DX樁類似的樁型的承載機(jī)理，并詳細(xì)討論和總結(jié)了DX樁的承載機(jī)理。同時(shí)，其對(duì)影響DX樁承載力的主要因素進(jìn)行了總結(jié)，這些因素包括樁身和承力盤的直徑大小，承力盤的數(shù)量、間距和位置，承力盤端部土層的特性，盤腔的首次擠擴(kuò)壓力值及成孔成樁的施工工藝和施工質(zhì)量等［13］。

5．3 承載力的計(jì)算

史鴻林(1997)通過17組試樁的原型荷載試驗(yàn)及計(jì)算，提出了支盤樁的單樁承載力計(jì)算公式:

式(3)表明，支盤樁承載力除保留原直孔樁的側(cè)摩阻力和樁端阻力外，還增加了分支兩側(cè)的摩阻力和分支的端阻力。側(cè)阻和端阻完全是參照有關(guān)直孔樁或擴(kuò)底樁的規(guī)定推算的，并且在最后一項(xiàng)中各分支的端阻力乘上大于1的系數(shù)，以考慮擠擴(kuò)分支時(shí)的擠密效應(yīng)對(duì)承載力的有利影響，并分析了承載力影響因素，如分支時(shí)擠壓地基土對(duì)承載力的影響，分支或分盤的數(shù)量、間距、形狀及施工質(zhì)量對(duì)承載力的影響等。

吳興龍［14］等在對(duì)DX樁現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、理論分析的基礎(chǔ)上，分析了DX樁的變形破壞機(jī)理，提出了單樁極限承載力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式和影響承載力的因素，這些因素包括承力盤的數(shù)量和支盤間距、成樁工藝、尺寸效應(yīng)等，還提出了DX樁的適用土層為粉細(xì)砂、中密粉細(xì)砂土。文中提出的DX樁單樁承載力計(jì)算公式考慮了多種承載力的影響因素，其承載力計(jì)算表達(dá)式為

式(4)中，等號(hào)右邊3項(xiàng)分別表示樁的側(cè)阻、擴(kuò)徑體的端阻、樁的端阻，3個(gè)系數(shù) ψsi、ψBj、η 分別表示第 i土層樁側(cè)阻綜合修正系數(shù)，第j個(gè)承力盤端阻力綜合修正系數(shù)，承力盤發(fā)揮性狀修正系數(shù)。在系數(shù)ψsi、ψBj中分別考慮了施工工藝、尺寸效應(yīng)、承力盤間距等的影響，系數(shù)η是考慮到單樁達(dá)到極限承載力時(shí)并不是每個(gè)承力盤都能達(dá)到極限承載力。文章中除了對(duì)個(gè)別影響因素的量化取值提出自己的建議外，沒有對(duì)這些系數(shù)的取值作更多的研究。

錢永梅［15］等根據(jù)DX樁承力盤下土體的滑移破壞形式，運(yùn)用滑移線理論確定的盤下土體應(yīng)力計(jì)算模式，結(jié)合塑性勢(shì)理論和虛功原理，確定DX樁的土體極限承載力，修正并完善了現(xiàn)有的樁端承載力及樁側(cè)阻力的計(jì)算公式，提出了全新擠擴(kuò)多盤樁單樁承載力的計(jì)算公式。

沈保漢［16］提出確定DX擠擴(kuò)灌注樁極限承載力的兩種方法:對(duì)試驗(yàn)完整的樁采用s－lgQ法;對(duì)試驗(yàn)不夠完整的樁先用逆斜率法擬合外推，而后采用s－lgQ法。此外，還提出DX擠擴(kuò)灌注樁極限承載力的綜合評(píng)價(jià)方法。

5．4 沉降計(jì)算

近年來，隨著DX樁使用范圍的越來越廣，已有學(xué)者對(duì)DX樁沉降方面進(jìn)行了一些可行性的研究，但是由于DX樁的承力盤的存在使得沉降問題變得極為復(fù)雜，使得無論是DX樁單樁還是群?jiǎn)螛兜某两?，目前業(yè)內(nèi)都沒有形成統(tǒng)一的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。在三岔雙向擠擴(kuò)灌注樁設(shè)計(jì)規(guī)程(JCJ 171－2009)中，對(duì)于DX單樁沉降采用直孔樁的計(jì)算方法，乘以0．6～0．8的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。同濟(jì)大學(xué)的胡安兵［17］根據(jù)擠擴(kuò)灌注樁為變截面的摩擦多支點(diǎn)端承樁，則擠擴(kuò)體及樁端的端承力均可用集中力來近似代替，在Geddes應(yīng)力解的基礎(chǔ)上考慮樁身的彈性壓縮量與樁周土的位移協(xié)調(diào)，引入分層總和法計(jì)算單樁沉降，而曹正舸［18］對(duì)擠擴(kuò)體部分進(jìn)行了優(yōu)化，把擠擴(kuò)體簡(jiǎn)化為以盤徑為直徑，擠擴(kuò)體高度為樁長(zhǎng)的短樁，在Geddes應(yīng)力解的基礎(chǔ)上通過理論分析，提出了適合擠擴(kuò)灌注樁單樁的沉降計(jì)算方法。

天津大學(xué)的吳永紅教授［19］根據(jù)DX樁屬于多支點(diǎn)端承樁的受力特點(diǎn)，提出了承力盤分段擴(kuò)散的技術(shù)方法，并在此基礎(chǔ)上引入了樁與樁的相互作用系數(shù)，從而導(dǎo)出DX樁群樁沉降的計(jì)算方法，并用工程實(shí)例驗(yàn)證了計(jì)算的沉降值與實(shí)測(cè)值吻合較好，上述方法計(jì)算過于復(fù)雜。唐松濤依據(jù)DX群樁大比例尺模型試驗(yàn)中DX群樁受力特性，提出了一種新的DX群樁沉降計(jì)算方法，將群樁基礎(chǔ)分為兩部分:第一個(gè)承力盤以上的樁身與承臺(tái)內(nèi)的土組成實(shí)體基礎(chǔ);第一個(gè)承力盤以下各DX樁組成樁基礎(chǔ)。對(duì)樁端下層土體的附加應(yīng)力采用Mindlin解，引入分層總和法計(jì)算沉降，計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合得很好。

上述方法都是各學(xué)者對(duì)DX樁進(jìn)行的一些探討，還欠缺實(shí)際工程的檢驗(yàn)，工程界并沒有對(duì)DX樁群樁的沉降計(jì)算形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)群樁沉降計(jì)算主要參考實(shí)體基礎(chǔ)的做法。而從實(shí)測(cè)結(jié)果看，計(jì)算成果往往對(duì)沉降估算偏大，過于保守，在客運(yùn)專線和高速鐵路中，沉降恰恰是重點(diǎn)關(guān)注的問題，因此這方面的研究亟待加強(qiáng)。

6 工程應(yīng)用

目前，DX樁已經(jīng)在諸多領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用，包括建筑樁基，工業(yè)廠房及構(gòu)筑物樁基，液化天然氣儲(chǔ)氣罐樁基，大型和特大型公路橋梁樁基等，并且取得了非常良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

以某工程為例，設(shè)計(jì)方案有普通直孔灌注樁和DX樁兩種。兩種樁型的基本參數(shù)見表2。

表2 兩種樁型的基本參數(shù)Table 2 Parameters of two kinds of piles

通過試樁的結(jié)果分析，DX樁樁長(zhǎng)比直孔樁縮短了30 m，僅為直孔樁57%，兩者樁徑一樣。而承載力方面直孔樁為18711 kN，DX樁為16396 kN，DX樁僅比直孔樁小12%左右，見表3。但是由于樁長(zhǎng)的縮短，帶來的施工的方便與快捷，同時(shí)對(duì)材料的大量節(jié)省，是直孔樁無法比擬的。

表3 兩種樁型的試樁結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of two kinds of piles test results

工程實(shí)例2，該項(xiàng)目中也是采用了DX樁和直孔樁的對(duì)比，見表4。兩者的樁長(zhǎng)一致，DX樁樁徑比直孔樁大100 mm，但是DX樁的極限承載力比直孔樁提高了54%。由此，該工程在設(shè)計(jì)時(shí)，每個(gè)橋墩下的樁數(shù)由原來直孔樁的4根，減少到DX樁的2根。每墩樁基(半幅)總造價(jià)由316472元減少到203110元，節(jié)約了36%，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

表4 經(jīng)濟(jì)效益分析Table 4 Analysis of economic benefit

7 結(jié)語

當(dāng)前是我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的高潮期，高速鐵路、城市軌道交通、城市化進(jìn)程以及各種港口、橋梁建筑等重大項(xiàng)目不斷開工建設(shè)，工程中涉及的樁基礎(chǔ)不計(jì)其數(shù)，每年灌注樁的混凝土方量超過億萬噸。如此重要和巨大的工程量，十分有必要積極采用先進(jìn)的技術(shù)和理念，建設(shè)更安全、更經(jīng)濟(jì)、更具社會(huì)效益的基礎(chǔ)。DX樁通過旋挖擠擴(kuò)技術(shù)，將傳統(tǒng)的直孔樁轉(zhuǎn)變?yōu)槎帱c(diǎn)支撐的新型樁，充分利用了土體端阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摩擦力這一天然特性，充分挖掘了土體的潛力，從而有更高的豎向抗壓和抗拔承載力。DX樁技術(shù)走出了傳統(tǒng)樁基技術(shù)靠增加樁長(zhǎng)或樁徑來提高承載力的做法，通過橫向擠擴(kuò)，將二維的樁基技術(shù)擴(kuò)展到了三維空間。大量的工程實(shí)踐證明這一技術(shù)具備安全、可靠、效率高的特點(diǎn)，能為工程提供更高的安全性并具備良好的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)可以大量節(jié)約混凝土和鋼筋用量，為當(dāng)前節(jié)能減排做出重要貢獻(xiàn)。

與工程實(shí)踐相比，DX樁的相關(guān)研究還急待提高，特別是群樁抗壓抗拔機(jī)理和沉降計(jì)算。當(dāng)前的重大工程都是沉降控制設(shè)計(jì)，如高速鐵路要求沉降小于15 mm甚至小于10 mm。對(duì)于群樁基礎(chǔ)，如果仍然采用規(guī)范中的實(shí)體基礎(chǔ)假設(shè)進(jìn)行沉降計(jì)算，DX樁與直孔樁相比并無明顯優(yōu)勢(shì)，這顯然將制約該技術(shù)的應(yīng)用。

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