旋挖擠擴灌注樁設計方法探討

陳 飛，陳立宏

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，武漢 430010;2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

1 前言

DX樁由主樁和多個承力盤組成。承力盤是通過專用的DX旋挖擠擴設備旋轉切削或者旋轉碾壓形成的上下對稱的腔體，在澆筑混凝土后與樁身形成整體，共同受力。在旋挖擠擴過程中，三岔的旋挖擠擴臂隨設備轉動緩慢張開，運動軌跡成螺旋線型。整個運動過程中，3個擠擴臂能始終托住盤腔土體，保證盤腔的完整性[1，2]。對于DX樁的承載機理已經有不少學者進行了研究。魏章和、周青春等通過現場靜載試驗對DX樁的承載力以及荷載傳遞特點進行了研究[3，4];陳輪等通過大比例尺的現場模型DX樁靜荷載試驗對DX樁的承載力機理和荷載傳遞規律進行了詳細的研究[5，6]，同時還對DX樁的抗拔承載力機理進行了研究[7];沈保漢對DX樁的承載機制和影響承載力的各個因素進行了廣泛的研究[8～11]。這些研究表明，DX 樁承力盤增大了樁身的有效承載面積，同時擠擴時對周圍土體有擠密作用。與普通直孔等截面灌注樁相比，DX樁因樁身多個承力盤而使有效承載面積大幅度增大，充分利用了良好土層的地基承載力，單樁承載力比普通直孔灌注樁一般可提高1倍以上，并具備良好的抗壓和抗拔能力。近年來DX樁已經應用于房屋建筑、高速公路大橋、發電廠、LNG(液化天然氣)等多個領域，工程效益和經濟效益良好。2009年建設部發布了《三岔雙向擠擴灌注樁設計規程》JGJ 171-2009[12]，提出了 DX樁的設計計算方法，但在鐵路橋梁和公路橋梁設計規范中對于樁端承載力的計算有很大的不同。由于DX樁承力盤承擔較大的荷載，因此不同的方法得到的結果有很大差異。鐵路工程建設中少見使用DX樁的實例。文章主要研究JGJ 171-2009 和 TB 10002.5-2005《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》[13]這兩個規范中單樁豎向抗壓承載力的計算方法，并依據已有詳細資料的18個工程實例，對DX樁在鐵路工程中的設計方法進行研究。

2 兩種規范中的設計方法比較

在《三岔雙向擠擴灌注樁設計規程》JGJ 171-2009中規定單樁豎向抗壓承載力特征值Ra的計算方法如下:

當進行初步設計時，應根據土的物理指標與承載力參數之間的經驗關系確定單樁豎向抗壓極限承載力標準值Quk，可按下式估算:

式(1)～式(4)中各參數所代表的物理意義參見規范說明[12]。在該規范中，認為DX樁的承載力由三部分構成，即側摩阻力、盤端阻力、樁端阻力。

在《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》TB 10002.5-2005中規定的灌注樁單樁豎向抗壓承載力為

式(5)中各參數所代表的物理意義參見規范說明[13]。從上述的計算公式來看，承載力公式中的第一項為樁身側摩阻力，第二項為樁端地基土的允許承載力。這個公式是將荷載、承載力看成不變的定值，以單樁豎向極限承載力除以安全系數作為單樁的豎向容許承載力，安全系數就是度量樁基可靠度的指標，這種設計方法叫做“定值設計法”。因為樁基礎的工作性狀與地基土的性質有關，而樁基礎的施工條件也使其質量變異性很大，另外鐵路工程中樁基礎樁長較大，樁端阻力并不能得到充分發揮，再加上鐵路工程中對樁基礎的沉降控制很嚴格，所以《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》繼續沿用以前的“定值設計法”，這樣既能保證樁的正常使用，又能有效控制沉降。

鐵路規范中沒有盤端阻力的計算公式，只有端阻的計算公式，而且對于灌注樁的端阻、鐵路規范與建筑規范的設計方法也不同。針對DX多節擠擴灌注樁，單樁豎向抗壓承載力可按照下面3種方法來進行計算:

1)按照《三岔雙向擠擴灌注樁設計規程》JGJ 171-2009的規定進行計算，即

2)按照《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》TB 10002.5-2005的規定計算樁端阻力和樁身側摩阻力，借用該規范樁端阻力的計算方法，計算盤端阻力，即

3)按照《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》TB 10002.5-2005的規定計算樁端阻力和樁身側摩阻力，借用《三岔雙向擠擴灌注樁設計規程》JGJ 171-2009的規定計算盤端阻力，即

式(6)～式(8)中的參數均與前述公式一致。

3 結合工程實例進行計算方法的研究

為了對比分析各種方法，對18個有詳細準確資料的工程實例采用如上所述3種方法分別進行計算，并與實測的單樁極限承載力進行對比分析，求出計算值與實測值之間的比值，以確定各種計算方法的誤差。

根據DX樁現場靜荷載試驗結果將這些工程分為兩類:一類是加載達到單樁極限承載力的情況，另一類是未達到單樁極限承載力的情況。

3.1 試樁時達到極限承載力

現場靜載荷試驗達到單樁極限承載力的工程一共有9個，每個工程的具體試樁參數見表1，其按照3種方法計算的結果見表2。各工程計算值與實測值比值的統計結果如圖1所示。

表1 試樁參數表(試樁時達到極限承載力)Table 1 Parameters of test piles(reached the ultimate bearing capacity)

表2 計算結果(試樁時達到極限承載力)Table 2 Calculated results(reached the ultimate bearing capacity)

圖1 不同工程3種計算值與實測值的比例統計(試樁時達到極限承載力)Fig.1 Statistics of ratios of calculated values to measured value(reached the ultimate bearing capacity)

3.2 試樁時未達到極限承載力

對于那些試樁時未達到單樁極限承載力的工程，采用逆斜率法估算其單樁極限承載力。這些試樁的參數見表3，其計算結果見表4。計算值與實測值比值的統計結果如圖2所示。

表3 試樁參數表(試樁時未達到極限承載力)Table 3 Parameters of test piles(not reached the ultimate bearing capacity)

表4 計算結果(試樁時未達到極限承載力)Table 4 Calculated results(not reached the ultimate bearing capacity)

圖2 不同工程3種計算值與實測值的比例統計(試樁時未達到極限承載力)Fig.2 Statistics of ratios of calculated values to measured value(not reached the ultimate bearing capacity)

3.3 結果分析

通過上述計算可以看出，計算方法1、3的計算值與實測值比較接近，而計算方法2的計算值比實測值偏小很多。假如采用方法2進行設計會相對保守，造成工程上不必要的浪費。對于鐵路工程來說，由于樁身較長，當超過其臨界長度后端阻力的發揮就達不到端阻的極限承載力。另外，鐵路工程中對沉降控制嚴格，通常是地基承載力還有潛力可挖，而地基的變形卻已經達到或超過按正常使用的限值，因此在鐵路工程的設計方法中，樁端阻力還是采用樁底地基土的容許承載力進行設計比較符合實際情況。

4 結語

上述18個工程實例的計算分析表明，在鐵路工程中進行DX樁設計時，考慮到鐵路工程中對樁身長、樁基礎沉降量有嚴格控制，在計算樁端阻力時采用現行的鐵路規范中的計算公式更為合理，因此DX多節擠擴灌注樁在鐵路工程中按照方法3來進行設計更為符合實際情況。

[1]張德華，王夢恕.DX擠擴灌注樁技術在鐵路橋梁工程中的應用[J].中國工程科學，2009，11(7):92-96.

[2]賀德新，沈保漢.DX擠擴裝置及DX多節擠擴樁的應用[J].工業建筑，2001，31(1):27-31.

[3]魏章和，李光茂，賀德新.DX樁的試驗與研究[J].巖土工程界，2000，3(5):12-17.

[4]周青春，于南燕.DX樁的試驗研究[J].巖土力學，2001，22(3):298-302.

[5]陳 輪，王海燕，沈保漢，等.DX樁承載力及荷載傳遞特點的現場試驗研究[J].工業建筑，2004，34(3):5-8.

[6]陳 輪，王海燕，沈保漢，等.DX樁單位側阻力和單位端阻力的現場試驗研究[J].工業建筑，2004，34(3):15-18.

[7]陳 輪，蔣 力，王海燕，等.DX樁抗拔承載力機理的現場試驗研究[J].工業建筑，2004，34(3):33-35.

[8]沈保漢，陳 輪，王海燕，等.DX樁側阻力和端阻力的現場試驗研究[J].工業建筑，2004，34(3):9-14.

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[11]沈保漢.DX擠擴灌注樁的荷載傳遞特點[J].工業建筑，2008，38(5):5-12.

[12]中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ 171-2009三岔雙向擠擴灌注樁設計規程[S].北京:中國建筑工業出版社，2009.

[13]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.5-2005鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S].北京:中國鐵道出版社，2005.