擠擴支盤樁在橋梁工程中的應用

楊 云

(中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江湖州 313000)

0 引言

支盤樁是近幾年發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徑樁，但在成樁機理及施工工藝上均有不同。最早支盤樁主要應用在房屋及民用建筑上，應用在橋梁樁基上還不是很多，尤其是用在等級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算及實踐經驗都比較成熟的深樁及嵌巖樁為主。

1 工程概況

五鄉互通位于五鄉鎮南側，上跨同三高速、北侖鐵路。有A，B，C，D，E，F，G，H 共8 條匝道橋，分別在 C，E，H 匝道橋設計有擠擴支盤樁，直徑分別有 φ1 000，φ1 200，φ1 500。C 匝道橋的CP0號墩～CP52號墩普通鉆孔灌注樁變更為擠擴支盤灌注樁，樁數152根。E匝道橋的EP1號墩～EP14號墩普通鉆孔灌注樁變更為擠擴支盤灌注樁，樁數36根。H匝道橋的HP1號墩～HP7號墩普通鉆孔灌注樁變更為擠擴支盤灌注樁，樁數14根。三座匝道橋共計202根，樁長40 m～60.683 m。

2 支盤樁的成樁及承載機理

擠擴支盤樁，顧名思義，有擠、擴和盤這幾個關鍵字，說的形象一點，擠擴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山楂，根據需要，可以放一個、兩個或者多個山楂，還可以放置一些其他水果，做成不同樣式的糖葫蘆。支盤樁就是根據承載力需要以及工程地質情況的不同，在原等截面的直樁不同部位通過擠擴設備人為做出若干個擴大的盤而形成的。擠擴支盤樁成樁和常規的等直徑樁相比增加了擠擴工藝，樁身上的每個“糖葫蘆”的形成則是通過在普通灌注樁的樁孔內，用吊車吊入液壓擠擴機械設備，自上而下，在設計標高位置的孔壁上向外擠出若干個分支，而且在同一標高處還可以在不同的方向上進行多次擠擴，形成近似圓盤狀突起，灌注混凝土后即形成支盤樁。

我們可以通過做一個小試驗來模擬支盤樁的受力機制，把用竹簽穿起來的山楂埋在較松散的面粉里，當你向外拔的時候，會感覺到要比單個竹簽費力的多。當面粉被壓得較實的時候，力量達到一定程度，竹簽就會從山楂里被抽出來，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剪切力傳遞樁頂的壓力。其實支盤樁的荷載傳遞方式與一般樁的傳遞機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，由側阻的發揮到端阻側阻共同受力。所不同的是支盤的阻力通過混凝土內部的剪應力在相應的荷載階段逐步發揮出來，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間和順序效應。另外就是局部擠密效應，樁在外力的作用下，會產生向下的位移，這個位移會促使支盤下方的土體得到進一步的擠密，土體的承載力就會隨之提高，摩阻力自行得到修復，進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，摩阻力將無法得到修復，樁頂的外力會向下傳至樁底面，沉降量也會比較大。

3 擠擴支盤樁的施工工藝

3.1 施工主要設備

擠擴支盤樁不僅包括常用的鉆孔樁設備而且還增加了擠擴機及擠擴機配套的控制設備。因為在施工中施工場地內要布置的設備更多，所以施工組織起來比常規樁基要增加一定的難度。支盤機根據樁徑、地質情況的不同，采用的型號各不相同，如圖1所示是比較常見的一種擠擴機，通過液壓傳動，產生向兩側的擠擴力，在施工過程中能從其油壓表的壓力讀數的大小反映出地層的軟硬程度，通過這些信息，來判斷地質情況是否與勘察資料相符。再通過對支盤位置的控制，對設計支盤的位置、尺寸進行相應的調整，保證單樁承載力能滿足設計要求，在這一點上，支盤樁比常規的鉆孔樁在處理地質變化情況上要靈活，施工質量也能得到最大限度的保證，這是支盤樁的一個非常突出特點和優點。實踐中，還可以根據地層的特點，選擇正反循環鉆機、旋挖鉆等施工效率較高的鉆孔設備，從而縮短整個成樁過程。

圖1 一種較常見的擠擴機

3.2 施工工藝流程

擠擴支盤樁的施工工藝是在常規鉆孔樁的基礎上發展起來的，泥漿護壁也是成孔過程中的一個重要環節，根據樁位處的地下水及地質情況，一般是利用孔內地層中的粘性土層造漿達到泥漿護壁的效果，再根據地質情況在持力層設置支盤，按支盤設計深度，下入液壓擠擴支盤機，在地面上操作液壓泵將支盤壓臂擠出、收回，再通過轉換一定的角度，經多次擠壓成盤，再由上至下或由下至上完成擠擴多個支盤的作業，吊放鋼筋籠、清孔、灌注混凝土成樁。特殊情況下，通過加放膨潤土等材料進行造漿，如圖2所示。

圖2 施工工藝流程圖

4 與傳統鉆孔樁對比

4.1 施工機械對比

傳統鉆孔樁的設備主要有回旋鉆機、旋挖鉆機、沖擊鉆機等。擠擴支盤樁除上述設備外，還需配備擠擴機、高壓油泵等輔助設備，但是根據本工程的實際經驗，由于擠擴的工序用時較短，3臺～4臺常規鉆機配備一臺擠擴機就能滿足施工要求，從機械設備及人員投入上說，用于擠擴施工而增加的人力物力相對較少。

4.2 施工工期對比

以C匝道橋為例，某墩位樁徑為120 cm的非擠擴樁設計樁長為60 m，改為擠擴支盤樁后樁長縮短為51.7 m，同時下部40 m采用100 cm直徑樁。采用循環鉆機平均約3 d時間能鉆至60 m，一臺鉆機鉆4根樁就要用12 d時間。如果采用擠擴支盤樁，一般鉆孔時上部地層容易成孔，下部成孔時間稍長，根據本工程實際情況，鉆孔50 m，通常只用2 d時間，鉆孔和擠擴施工可以交叉進行，擠擴工序可按半天計算，一臺鉆機一臺擠擴機施工4根樁只用8.5 d時間。因此從整體上看，采用擠擴支盤樁會有效地提前施工工期。

4.3 工程投資對比

由于樁長縮短，鋼筋籠會相應減少，混凝土也有大幅度減少，還以上述C匝道橋某樁位為例，采用傳統摩擦樁，混凝土用量約為69 m3，鋼筋約為5.8 t。采用擠擴支盤樁混凝土用量約為44.2 m3，鋼筋約為5.6 t。樁長及樁徑的減小使鉆孔過程中產生的泥漿量也同比減少，處理費用及環境保護方面的費用也相應減少。施工機械及人工等其他費用上，減少常規鉆孔施工時間節約的費用與擠擴工藝所產生的費用基本相抵還略有節余，具體到本工程，綜合計算，采用擠擴支盤樁每根樁比原摩擦樁大約能節省投資3 000元～5 000元。

4.4 承載力比較

在寧波繞城東段的擠擴支盤樁中，通過自平衡靜載荷試驗和堆載靜載試驗，得出如下數據: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資料，看出樁端阻力為4 210 kN，占27.7%;樁身側摩阻力為 5 026 kN，占 33.1%;而支盤發揮的承載力為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%;樁身側摩阻力為6 312 kN，占38.3%;而支盤發揮的承載力為6 763 kN，占41.0%。我們從這組數據資料里可以明顯看出支盤樁的支盤在整個樁的承載力中發揮了比較重要的作用，也從實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驗值，平均后作為等截面樁承載力，與同樁徑的支盤樁進行對比。再計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

沉降量小是擠擴支盤樁的又一明顯的優點，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。在荷載較小的時候，由于支盤樁和等直徑樁一樣，都是通過樁身的摩擦力來承受樁頂荷載，隨著荷載的增加，沉降量就出現明顯的差別，支盤樁的沉降量小于等直徑樁。

圖3 Q—S靜載試驗曲線

5 結語

通過支盤樁在實際橋梁工程中的應用，我們初步了解到了它的一些特點，與傳統的等直徑的鉆孔樁相比，主要有以下優點:

1)經濟性。

采用支盤樁比普通等直徑樁節約大量建設投資。

2)承載力大而沉降量小。

對橋梁工程非常有利，尤其是對于基礎沉降反應非常敏感的高架橋梁中的連續梁結構，對改善連續梁內部應力非常有利。

3)施工工期短。

由于樁長的縮短，以及與擠擴工藝交叉施工，為基礎施工節約大量的時間，有利于工程總體工期的控制。

4)節能環保。

施工中產生的泥漿明顯減少，減少處理費用，工地的文明施工也得到較大提升，社會效益明顯。

通過本工程實踐驗證，可以預見到，擠擴支盤樁施工工藝有很大的應用前景。

［1］戴顯榮，葉 濤，龔維明，等.支盤樁抗壓承載性能試驗研究［J］.公路交通科技，2009(9):33-34.

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