擠擴(kuò)支盤樁在橋梁工程中的應(yīng)用

楊 云

(中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江湖州 313000)

0 引言

支盤樁是近幾年發(fā)展較快的具有較高承載力的新型樁，造型上類似于變截面樁或擴(kuò)徑樁，但在成樁機(jī)理及施工工藝上均有不同。最早支盤樁主要應(yīng)用在房屋及民用建筑上，應(yīng)用在橋梁樁基上還不是很多，尤其是用在等級(jí)較高的高速公路上更是不多見。目前橋梁樁基還是多以理論計(jì)算及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都比較成熟的深樁及嵌巖樁為主。

1 工程概況

五鄉(xiāng)互通位于五鄉(xiāng)鎮(zhèn)南側(cè)，上跨同三高速、北侖鐵路。有A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H 共8 條匝道橋，分別在 C，E，H 匝道橋設(shè)計(jì)有擠擴(kuò)支盤樁，直徑分別有 φ1 000，φ1 200，φ1 500。C 匝道橋的CP0號(hào)墩～CP52號(hào)墩普通鉆孔灌注樁變更為擠擴(kuò)支盤灌注樁，樁數(shù)152根。E匝道橋的EP1號(hào)墩～EP14號(hào)墩普通鉆孔灌注樁變更為擠擴(kuò)支盤灌注樁，樁數(shù)36根。H匝道橋的HP1號(hào)墩～HP7號(hào)墩普通鉆孔灌注樁變更為擠擴(kuò)支盤灌注樁，樁數(shù)14根。三座匝道橋共計(jì)202根，樁長(zhǎng)40 m～60.683 m。

2 支盤樁的成樁及承載機(jī)理

擠擴(kuò)支盤樁，顧名思義，有擠、擴(kuò)和盤這幾個(gè)關(guān)鍵字，說(shuō)的形象一點(diǎn)，擠擴(kuò)支盤樁就像是我們冬天常吃的冰糖葫蘆，在原先光滑的竹簽上布置了若干個(gè)山楂，根據(jù)需要，可以放一個(gè)、兩個(gè)或者多個(gè)山楂，還可以放置一些其他水果，做成不同樣式的糖葫蘆。支盤樁就是根據(jù)承載力需要以及工程地質(zhì)情況的不同，在原等截面的直樁不同部位通過(guò)擠擴(kuò)設(shè)備人為做出若干個(gè)擴(kuò)大的盤而形成的。擠擴(kuò)支盤樁成樁和常規(guī)的等直徑樁相比增加了擠擴(kuò)工藝，樁身上的每個(gè)“糖葫蘆”的形成則是通過(guò)在普通灌注樁的樁孔內(nèi)，用吊車吊入液壓擠擴(kuò)機(jī)械設(shè)備，自上而下，在設(shè)計(jì)標(biāo)高位置的孔壁上向外擠出若干個(gè)分支，而且在同一標(biāo)高處還可以在不同的方向上進(jìn)行多次擠擴(kuò)，形成近似圓盤狀突起，灌注混凝土后即形成支盤樁。

我們可以通過(guò)做一個(gè)小試驗(yàn)來(lái)模擬支盤樁的受力機(jī)制，把用竹簽穿起來(lái)的山楂埋在較松散的面粉里，當(dāng)你向外拔的時(shí)候，會(huì)感覺到要比單個(gè)竹簽費(fèi)力的多。當(dāng)面粉被壓得較實(shí)的時(shí)候，力量達(dá)到一定程度，竹簽就會(huì)從山楂里被抽出來(lái)，這類似于支盤與樁體間的剪切破壞。延伸到支盤樁，支盤與樁身間也是通過(guò)剪切力傳遞樁頂?shù)膲毫?。其?shí)支盤樁的荷載傳遞方式與一般樁的傳遞機(jī)理并沒有太大的差別，都是隨著荷載的增加逐漸由上往下傳遞，由側(cè)阻的發(fā)揮到端阻側(cè)阻共同受力。所不同的是支盤的阻力通過(guò)混凝土內(nèi)部的剪應(yīng)力在相應(yīng)的荷載階段逐步發(fā)揮出來(lái)，而且隨荷載的增加不斷增加，支盤樁的荷載傳遞具有明顯的時(shí)間和順序效應(yīng)。另外就是局部擠密效應(yīng)，樁在外力的作用下，會(huì)產(chǎn)生向下的位移，這個(gè)位移會(huì)促使支盤下方的土體得到進(jìn)一步的擠密，土體的承載力就會(huì)隨之提高，摩阻力自行得到修復(fù)，進(jìn)而控制了土體承載后的壓縮沉降，使樁基在新的荷載作用下達(dá)到新的平衡。這與等直徑樁不同，等直徑的樁在土體摩擦力被破壞之后，摩阻力將無(wú)法得到修復(fù)，樁頂?shù)耐饬?huì)向下傳至樁底面，沉降量也會(huì)比較大。

3 擠擴(kuò)支盤樁的施工工藝

3.1 施工主要設(shè)備

擠擴(kuò)支盤樁不僅包括常用的鉆孔樁設(shè)備而且還增加了擠擴(kuò)機(jī)及擠擴(kuò)機(jī)配套的控制設(shè)備。因?yàn)樵谑┕ぶ惺┕?chǎng)地內(nèi)要布置的設(shè)備更多，所以施工組織起來(lái)比常規(guī)樁基要增加一定的難度。支盤機(jī)根據(jù)樁徑、地質(zhì)情況的不同，采用的型號(hào)各不相同，如圖1所示是比較常見的一種擠擴(kuò)機(jī)，通過(guò)液壓傳動(dòng)，產(chǎn)生向兩側(cè)的擠擴(kuò)力，在施工過(guò)程中能從其油壓表的壓力讀數(shù)的大小反映出地層的軟硬程度，通過(guò)這些信息，來(lái)判斷地質(zhì)情況是否與勘察資料相符。再通過(guò)對(duì)支盤位置的控制，對(duì)設(shè)計(jì)支盤的位置、尺寸進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，保證單樁承載力能滿足設(shè)計(jì)要求，在這一點(diǎn)上，支盤樁比常規(guī)的鉆孔樁在處理地質(zhì)變化情況上要靈活，施工質(zhì)量也能得到最大限度的保證，這是支盤樁的一個(gè)非常突出特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐中，還可以根據(jù)地層的特點(diǎn)，選擇正反循環(huán)鉆機(jī)、旋挖鉆等施工效率較高的鉆孔設(shè)備，從而縮短整個(gè)成樁過(guò)程。

圖1 一種較常見的擠擴(kuò)機(jī)

3.2 施工工藝流程

擠擴(kuò)支盤樁的施工工藝是在常規(guī)鉆孔樁的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，泥漿護(hù)壁也是成孔過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，根據(jù)樁位處的地下水及地質(zhì)情況，一般是利用孔內(nèi)地層中的粘性土層造漿達(dá)到泥漿護(hù)壁的效果，再根據(jù)地質(zhì)情況在持力層設(shè)置支盤，按支盤設(shè)計(jì)深度，下入液壓擠擴(kuò)支盤機(jī)，在地面上操作液壓泵將支盤壓臂擠出、收回，再通過(guò)轉(zhuǎn)換一定的角度，經(jīng)多次擠壓成盤，再由上至下或由下至上完成擠擴(kuò)多個(gè)支盤的作業(yè)，吊放鋼筋籠、清孔、灌注混凝土成樁。特殊情況下，通過(guò)加放膨潤(rùn)土等材料進(jìn)行造漿，如圖2所示。

圖2 施工工藝流程圖

4 與傳統(tǒng)鉆孔樁對(duì)比

4.1 施工機(jī)械對(duì)比

傳統(tǒng)鉆孔樁的設(shè)備主要有回旋鉆機(jī)、旋挖鉆機(jī)、沖擊鉆機(jī)等。擠擴(kuò)支盤樁除上述設(shè)備外，還需配備擠擴(kuò)機(jī)、高壓油泵等輔助設(shè)備，但是根據(jù)本工程的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，由于擠擴(kuò)的工序用時(shí)較短，3臺(tái)～4臺(tái)常規(guī)鉆機(jī)配備一臺(tái)擠擴(kuò)機(jī)就能滿足施工要求，從機(jī)械設(shè)備及人員投入上說(shuō)，用于擠擴(kuò)施工而增加的人力物力相對(duì)較少。

4.2 施工工期對(duì)比

以C匝道橋?yàn)槔?，某墩位樁徑?20 cm的非擠擴(kuò)樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為60 m，改為擠擴(kuò)支盤樁后樁長(zhǎng)縮短為51.7 m，同時(shí)下部40 m采用100 cm直徑樁。采用循環(huán)鉆機(jī)平均約3 d時(shí)間能鉆至60 m，一臺(tái)鉆機(jī)鉆4根樁就要用12 d時(shí)間。如果采用擠擴(kuò)支盤樁，一般鉆孔時(shí)上部地層容易成孔，下部成孔時(shí)間稍長(zhǎng)，根據(jù)本工程實(shí)際情況，鉆孔50 m，通常只用2 d時(shí)間，鉆孔和擠擴(kuò)施工可以交叉進(jìn)行，擠擴(kuò)工序可按半天計(jì)算，一臺(tái)鉆機(jī)一臺(tái)擠擴(kuò)機(jī)施工4根樁只用8.5 d時(shí)間。因此從整體上看，采用擠擴(kuò)支盤樁會(huì)有效地提前施工工期。

4.3 工程投資對(duì)比

由于樁長(zhǎng)縮短，鋼筋籠會(huì)相應(yīng)減少，混凝土也有大幅度減少，還以上述C匝道橋某樁位為例，采用傳統(tǒng)摩擦樁，混凝土用量約為69 m3，鋼筋約為5.8 t。采用擠擴(kuò)支盤樁混凝土用量約為44.2 m3，鋼筋約為5.6 t。樁長(zhǎng)及樁徑的減小使鉆孔過(guò)程中產(chǎn)生的泥漿量也同比減少，處理費(fèi)用及環(huán)境保護(hù)方面的費(fèi)用也相應(yīng)減少。施工機(jī)械及人工等其他費(fèi)用上，減少常規(guī)鉆孔施工時(shí)間節(jié)約的費(fèi)用與擠擴(kuò)工藝所產(chǎn)生的費(fèi)用基本相抵還略有節(jié)余，具體到本工程，綜合計(jì)算，采用擠擴(kuò)支盤樁每根樁比原摩擦樁大約能節(jié)省投資3 000元～5 000元。

4.4 承載力比較

在寧波繞城東段的擠擴(kuò)支盤樁中，通過(guò)自平衡靜載荷試驗(yàn)和堆載靜載試驗(yàn)，得出如下數(shù)據(jù):支盤樁K38+841極限承載力為15 203 kN，查閱兩處支盤樁的荷載試驗(yàn)資料，看出樁端阻力為4 210 kN，占27.7%;樁身側(cè)摩阻力為 5 026 kN，占 33.1%;而支盤發(fā)揮的承載力為5 967 kN，占39.2%。支盤樁K38+860極限承載力為16 482 kN，樁端阻力為3 407 kN，占20.7%;樁身側(cè)摩阻力為6 312 kN，占38.3%;而支盤發(fā)揮的承載力為6 763 kN，占41.0%。我們從這組數(shù)據(jù)資料里可以明顯看出支盤樁的支盤在整個(gè)樁的承載力中發(fā)揮了比較重要的作用，也從實(shí)踐上充分證明了支盤在提高承載力方面不可忽視的作用。

再選取兩根等截面樁并查閱其承載力實(shí)驗(yàn)值，平均后作為等截面樁承載力，與同樁徑的支盤樁進(jìn)行對(duì)比。再計(jì)算支盤樁和等截面樁的混凝土單方承載力，支盤樁:246.56 kN/m3，等截面樁:172.36 kN/m3，混凝土單方承載力提高了43%，明顯高于等截面樁。

4.5 沉降量比較

沉降量小是擠擴(kuò)支盤樁的又一明顯的優(yōu)點(diǎn)，如圖3所示可以明顯看出等直徑樁與支盤樁沉降量的差別。在荷載較小的時(shí)候，由于支盤樁和等直徑樁一樣，都是通過(guò)樁身的摩擦力來(lái)承受樁頂荷載，隨著荷載的增加，沉降量就出現(xiàn)明顯的差別，支盤樁的沉降量小于等直徑樁。

圖3 Q—S靜載試驗(yàn)曲線

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)支盤樁在實(shí)際橋梁工程中的應(yīng)用，我們初步了解到了它的一些特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的等直徑的鉆孔樁相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn):

1)經(jīng)濟(jì)性。

采用支盤樁比普通等直徑樁節(jié)約大量建設(shè)投資。

2)承載力大而沉降量小。

對(duì)橋梁工程非常有利，尤其是對(duì)于基礎(chǔ)沉降反應(yīng)非常敏感的高架橋梁中的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，對(duì)改善連續(xù)梁內(nèi)部應(yīng)力非常有利。

3)施工工期短。

由于樁長(zhǎng)的縮短，以及與擠擴(kuò)工藝交叉施工，為基礎(chǔ)施工節(jié)約大量的時(shí)間，有利于工程總體工期的控制。

4)節(jié)能環(huán)保。

施工中產(chǎn)生的泥漿明顯減少，減少處理費(fèi)用，工地的文明施工也得到較大提升，社會(huì)效益明顯。

通過(guò)本工程實(shí)踐驗(yàn)證，可以預(yù)見到，擠擴(kuò)支盤樁施工工藝有很大的應(yīng)用前景。

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