DX樁在橋梁基礎(chǔ)中的應(yīng)用

張德華，齊萬鵬，賀德新，賀建東，孫君平，郭桂霞

(1．北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044;2．北京中闊地基基礎(chǔ)技術(shù)有限公司，北京 100097)

1 前言

DX樁是一種新型的樁基技術(shù)，它是在普通直孔灌注樁的技術(shù)基礎(chǔ)上，利用專門擠擴(kuò)設(shè)備按照承載力要求和地層土質(zhì)條件，在樁身不同部位三岔分布或三岔分布的擴(kuò)大腔或上下對(duì)稱近似雙圓錐盤狀的擴(kuò)大頭腔并且清孔，然后放入鋼筋籠，澆筑混凝土，形成樁身、分岔、承力盤共同承載的混凝土灌注樁。DX樁與直孔樁相比具有承載力高，沉降小的優(yōu)點(diǎn)［1，2］，如果在橋梁工程中推廣使用并充分利用DX樁的這些優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中就能夠減小樁身截面和長度，可以有效的降低工程造價(jià)，節(jié)約材料，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益［3～5］。

2 工程概述

2．1 工程概況

該橋梁工程位于北京市朝陽區(qū)，該橋梁下部結(jié)構(gòu)擬采用鉆孔灌注樁，樁徑分1．5 m和1．2 m兩種，預(yù)估單樁豎向承載力特征值Quk=8500 kN。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)鉆探、原位測(cè)試及室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，工區(qū)各層土主要特征如表1所示。

2．2 試樁方法、試樁區(qū)布置及試樁參數(shù)

試樁布置圖如圖1所示。由于現(xiàn)場(chǎng)有合適的錨樁供選擇，因此本次試樁采用錨樁反力架組裝成壓重平臺(tái);該方法不僅可以節(jié)約成本，還可以節(jié)約時(shí)間，同時(shí)比采用壓重平臺(tái)反力裝置要安全得多［6］。加荷方式為液壓千斤頂(高壓油泵);加載值由靜荷載測(cè)試分析儀測(cè)讀;用4個(gè)位移傳感器測(cè)讀試點(diǎn)的沉降量;試驗(yàn)加載分為十級(jí)。豎向抗壓試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，按照《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ106 －2003)［7，8］:每級(jí)荷載加載后，第一小時(shí)內(nèi)按第5、15、30、45、60 min 各測(cè)讀一次，以后每隔30 min讀一次，當(dāng)沉降速率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，進(jìn)行下一級(jí)加載。《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ106－2003)規(guī)定，每一小時(shí)沉降量不超過0．1 mm，且連續(xù)出現(xiàn)兩次(由1．5 h三次30 min測(cè)讀值計(jì)算)則在該級(jí)荷載下試樁的沉降速率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。本次試驗(yàn)共設(shè)11根樁，其中3根試樁，8根錨樁。其中有一根試樁為直孔樁，其余均為DX樁，試樁的參數(shù)如表2所示。

表1 土層主要參數(shù)Table 1 Parameters of soils

圖1 試樁布置圖Fig．1 Layout of test piles

表2 試樁參數(shù)Table 2 Parameters of test piles

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3．1 單樁承載力

試驗(yàn)結(jié)果表明，ZK樁的單樁豎向抗壓承載力試驗(yàn)值為19200 kN，DX－1、DX－2單樁豎向抗壓承載力試驗(yàn)值分別為21600、24000 kN。試樁的Q－s曲線和單樁豎向抗壓承載力及其對(duì)應(yīng)的沉降量分別如圖2和表3所示。

表3 單樁抗壓承載力及所對(duì)應(yīng)的沉降Table 3 The ultimate bearing capacity and the corresponeding settlement of each pile

圖2 三根試樁的Q－s曲線Fig．2 Q －s curves of three piles

由表3可看出，DX樁的單樁豎向承載力明顯高于直孔樁。在試驗(yàn)中，直孔樁的單樁豎向承載力為19200 kN，而兩根DX樁的單樁承載力分別為21600、24000 kN。分別比直孔樁高11%和25%，但是，DX－1樁和DX－2樁的樁徑分別為1．3 m和1．2 m，比直孔樁小13．3%和20%。這是由于DX樁在荷載傳遞上與直孔樁有較大的差異，直孔樁的承載力由樁端的端阻力和樁身的摩阻力組成，而DX樁的承載力除了上述兩項(xiàng)外還包括承力盤的盤阻。DX擠擴(kuò)灌注樁根據(jù)土層分布特性，在承載力較高的土層中設(shè)置承力盤，通過設(shè)置多個(gè)承力盤可以獲得較高的盤端阻力。同時(shí)，擠擴(kuò)設(shè)備在對(duì)土體進(jìn)行擠擴(kuò)時(shí)，對(duì)承力盤周圍的土體會(huì)有擠密作用，從而改善土的物理力學(xué)性質(zhì)，提高土的強(qiáng)度，進(jìn)一步提高樁的承載力。通過分析在承力盤上下位置軸力的差值，可以大致估算每個(gè)承力盤在本級(jí)荷載時(shí)提供的端承力，如表4所示。

圖3 DX－2軸力沿樁身分布圖Fig．3 Axial forces of DX －2

圖4 DX－2上下盤盤阻Fig．4 Bell resistances of DX －2

表4 各級(jí)荷載下個(gè)盤阻及盤阻占荷載比例Table 4 Bell resistances and the ratio of bell resistance to total load under each load level

3．2 盤阻發(fā)展情況及最終沉降

在試驗(yàn)中DX－2樁的承力盤上盤位于細(xì)砂層，下盤位于粉質(zhì)黏土層，由圖4可以看出在荷載逐級(jí)加載的過程中，DX－2樁的上下兩個(gè)承力盤的盤阻都開始增加，其中下盤的盤阻上升較快，當(dāng)加到第五級(jí)荷載以后，上盤盤阻變化不大，但是下盤盤阻上升迅速，一直到第九級(jí)荷載，上盤盤阻都保持迅速上升的趨勢(shì)。總盤阻占總荷載的比例也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，從第一級(jí)荷載時(shí)的30．56%增加到第九級(jí)荷載時(shí)的46．28%。這是由于DX樁承力盤是擠擴(kuò)設(shè)備通過對(duì)土體擠壓形成的，樁身混凝土澆筑完成后，被擠壓后的土體在回彈的過程中會(huì)使樁身和周圍土體緊密結(jié)合，在上部受荷載作用時(shí)，二者能夠共同作用。DX樁在受到荷載作用后，承力盤可以分擔(dān)很大一部分荷載，承力盤提供的端阻力大小及占總荷載比例與荷載大小、盤徑、承力盤所在土層的壓縮模量、強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)有關(guān)。ZK樁在荷載為19200 kN時(shí)累計(jì)沉降量為29．91 mm，DX－2樁在同樣的荷載下累計(jì)沉降量為17．93 mm，在24000 kN的荷載作用下累計(jì)沉降為26．16 mm。DX樁受到荷載作用后，承力盤會(huì)將很大一部分荷載傳遞到承力盤所在的土層上，增大了樁的有效截面面積，同時(shí)減小了傳遞到樁端的荷載，從而降低了樁的沉降量。

4 結(jié)語

DX擠擴(kuò)灌注樁是在鉆孔灌注樁的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型樁。DX樁在施工時(shí)，只是比直孔灌注樁多了一道擠擴(kuò)工序，但是利用多層端阻可以顯著提高樁的承載力，降低沉降量，在樁徑分別比直孔樁小13．3%和20%的情況下，DX樁的單樁豎向承載力分別比直孔樁高11．1%和20%，在荷載為19200 kN時(shí)，DX－1和DX－2樁的沉降量比直孔樁小47%和40%。在均達(dá)到承載力要求的條件下，直孔樁和DX樁的混凝土用量分別是61．9 m3和44．3 m3，DX樁比直孔樁節(jié)約混凝土39．7%。用DX樁單樁豎向承載力大、沉降量小的特點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)可以減小樁徑，縮短樁長。在公路橋梁工程中推廣使用DX樁，可以提高施工效率，減少混凝土，鋼筋等材料用量，降低工程造價(jià)，具有顯著的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。

［1］沈保漢，蘭 嵐，王 衍，等．河南HMQ電廠兩節(jié)DX擠擴(kuò)灌注樁的試驗(yàn)研究［J］．工業(yè)建筑，2009，39(2):43－44．

［2］沈保漢，王 衍，劉振亮，等．某DX擠擴(kuò)灌注樁工程荷載傳遞機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究［J］．2011，41(2):106－112．

［3］張德華，王夢(mèng)恕．DX擠擴(kuò)灌注樁技術(shù)在鐵路橋梁中的應(yīng)用［J］．中國工程科學(xué)，2009，11(7):92－95．

［4］金鳳溫．高速公路某特大橋DX擠擴(kuò)樁應(yīng)用研究［J］．交通世界，2010，9(5月上):196 －198．

［5］金鳳溫．多節(jié)三岔(DX)擠擴(kuò)灌注樁橋梁的應(yīng)用技術(shù)［J］．黑龍江交通科技，2010(11):81－83．

［6］劉金波．建筑樁基技術(shù)規(guī)范理解與應(yīng)用［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008．

［7］周東泉．樁基檢測(cè)技術(shù)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010．

［8］中國建筑科學(xué)研究院，中國建筑工業(yè)出版社．JGJ106－2003建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003．