擴底鉆孔灌注樁技術的應用與研究

馮克巖 王江 崔夢環(huán) 黃憲文 劉旭鍇 楊亮

（天津市市政工程局，天津300051）

[摘  要] 鉆孔灌注樁是橋梁結構最常用的基礎形式之一，不同用途和類型的樁型及相應的施工工藝不斷推陳出新，如何提高單樁承載力、降低工程造價、改善樁基施工質(zhì)量控制等，是橋梁結構工程師永遠追求的目標。本文主要針對擴底鉆孔灌注樁技術的應用與研究作重點介紹，就橋梁結構的鉆孔灌注樁設計及施工工藝等提出一些新的理念、方法，并進行總結與探討。

[關鍵詞] 擴底鉆孔灌注樁、試驗設計、擴底鏟斗、極限承載力

一、概述

隨著城市基礎設施建設的迅速發(fā)展，橋梁工程的規(guī)模和難度的逐漸加大為工程師提供了許多新的課題。在工程規(guī)模、工程投資和工程進度等諸多因素的制約下，橋梁的下部結構－樁基技術更新顯得尤為重要，不同用途和類型的樁型及相應的施工工藝不斷推陳出新，不論對樁基設計的有關理論概念或是基樁的功能、受力分析及使用上都產(chǎn)生了許多實質(zhì)性的變化，值得從事基樁設計者作進一步研究探索。

樁基技術的發(fā)展有著悠久的歷史，國內(nèi)應用鉆孔灌注樁作為橋梁的基礎樁起步于上世紀六十年代初期，至今其施工工藝和機具有了長足的發(fā)展，設計理念和應用方法也日臻完備，鉆孔灌注樁已成為橋梁結構中常用的一種基礎形式。

現(xiàn)在單樁設計承載力越來越大，達到了以萬“KN”計的水平，為了滿足承載力的要求，設計者不得不從諸如加大樁身截面、提高樁身混凝土強度、對持力層加固、尋求新的有效的樁型等途徑來著手，于是出現(xiàn)了各種系列的新型的改良樁系，如變截面樁、（夯、壓、爆、振）擴底樁等。

國內(nèi)對擴底樁早有論述，但由于早期施工手段的限制，對于擴底樁一般采用爆擴或人工挖孔（挖孔樁）的方法。爆擴樁是指鉆機成孔，樁下端爆擴成擴大頭，但對樁底爆擴的范圍無法精確控制，很難確定有效樁底面積。人工挖孔是指樁位采用人工挖掘方法成孔（或樁端放大），然后安裝鋼筋籠、灌注混凝土而成為基樁。由于依靠人工開挖，樁徑較大，一般大于1.4米，入土深度也受限制，一般不宜超過25.0米，樁孔內(nèi)空間狹小，施工條件差，而且難以保障施工過程中的安全問題。在公路橋梁樁基礎設計、施工中這兩種方法很少被采用。

1984年日本開發(fā)研制成功擴底樁施工機具，實現(xiàn)擴底樁的機械化施工，樁長、樁徑均與普通鉆孔灌注樁相同，且樁端擴底的可視化能夠有效控制擴底尺寸與質(zhì)量。該技術在日本國內(nèi)的多項工程中得到應用，并在提高單樁承載力，降低造價方面取得了良好的效果。除日本外，該種擴底機具只銷往臺灣一部分。2000年，我國從日本引進了擴底樁機具，使得國內(nèi)大規(guī)模土建工程采用擴底樁的可能變?yōu)楝F(xiàn)實，但因該技術尚未在國內(nèi)建筑及橋梁工程中應用過，所以擴底樁的受力計算分析及其施工工藝均需要大量的研究工作。

二、擴底樁的計算分析

1．我國當前鉆孔灌注樁設計現(xiàn)狀

在我國的建筑、橋梁工程中，樁基承載力設計主要采用經(jīng)驗公式法，即根據(jù)土的物理指標與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗關系確定的計算公式，當然在具有條件的情況下，也可通過靜載試驗確定單樁的承載力。

我國現(xiàn)行的《建筑樁基技術規(guī)范》及《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》等規(guī)范、標準中，對樁基的計算均有明確的規(guī)定，其基本公式如下：

建筑規(guī)范（JGJ94-94）：                     橋涵規(guī)范(JTJ024-85)：

R＝Q_uk/γ_sp                                （5.2.2-2）    〔P〕＝1/2（ULτ_P+Aσ_R）（4.3.2-1）

Q_uk＝μ∑ψ_siq_sikl_si +ψ_pq_pkA_p     （5.2.9）       〔P〕——單樁容許承載力

R——單樁豎向承載力設計值                          U——樁的周長

Q_uk——單樁豎向極限承載力標準值                L——樁的有效入土長度

μ——樁身周長                                              τ_P——樁側土的極限摩阻力

q_sik——樁側第i層土的極限側阻力標準值              A——樁端面積

q_pk——極限媏阻力標準值                               σ_R——樁端地基極限承載力

ψ_si、ψ_p——側阻、媏阻尺寸效應系數(shù)           2——安全系數(shù)

A_p——樁媏面積

l_si——樁側第i層土樁長

γ_sp——樁側阻媏阻綜合抗力分項系數(shù)（1.6～1.7）

從上述公式中可見，建筑與橋涵工程樁基的計算方法基本一致，只是樁端地基極限承載力的計算方法稍有不同，通過計算比較分析，其值的大小相差很小，所以我們認為，在樁基單樁承載力的計算上，我國建筑、橋涵規(guī)范中的要求是一致的，結果是一樣的。

在橋涵規(guī)范中，未對擴底樁作具體說明，但在建筑規(guī)范中對擴底樁提出了較簡單的要求：（公式未有變化）

1)  當持力層承載力低于樁身混凝土受壓承載力時，可采用擴底；擴底端直徑與樁身直徑比D/d，應根據(jù)承載力要求及擴底端部側面和樁端持力層土性確定，最大不超過3.0；

2)       擴底端側面的斜率應根據(jù)實際成孔及支護條件確定，a/hc一般取1/3～   1/2，砂土取約1/3，粉土、粘性土取約1/2；

3)   擴底端底面一般呈鍋底形，矢高hb?。?/span>0.10～0.15）D。

2．日本鉆孔灌注樁計算方法分析

我們詳細研究了日本道橋設計規(guī)范（日本道路學會），日本建筑設計規(guī)范（日本建筑學會），對于鉆孔灌注樁（單樁容許承載力）均按下述公式計算：

[P]= RU/γ

[P]——單樁容許承載力（kN）

γ——安全系數(shù)（日本建筑、鐵路、橋梁均規(guī)定為3）

RU——單樁極限承載力（kN）

對于RU的計算，日本的建筑、橋梁規(guī)范中有不同的要求與規(guī)定，具體公式如下：

日本建筑設計規(guī)范：

RU= {150*α*β*N*A+(10NS*LS/3+QU*LS/2)*U}

RU——單樁極限承載力（kN）

α——樁端地基條件修正系數(shù)（礫石層取1.0，細砂層等其它取0.85）

β——樁端面積修正系數(shù)β=1-0.3（D-1.5）/2.5，D（m）為樁端直徑）

N——樁端附近標準貫入次數(shù)的平均值（乘以100后為Kpa）

A——樁端面積（m）

NS——樁側砂質(zhì)土層部分的標準貫入次數(shù)的平均值（不大于30Kpa）

LS——樁側砂質(zhì)土層的厚度（m）

QU——樁側粘性土單軸壓縮強度的平均值（不大于200Kpa）

LC——樁側粘質(zhì)土層的厚度（m）

U——樁的周長（m）

日本道橋設計規(guī)范：

RU= qd*A+ (5NS*LS+C*Lc)*U

RU——單樁極限承載力（kN）

qd——樁端土層極限承載力（Kpa）

qU：樁端粘性土單軸壓縮強度（Kpa），N：標準貫入試驗值

A——樁端面積（m）

NS——樁側砂質(zhì)土層部分的標準貫入次數(shù)的平均值（不大于30Kpa）

LS——樁側砂質(zhì)土層的厚度（m）

C——樁側粘性土的粘聚力（Kpa）

LC——樁側粘質(zhì)土層的厚度（m）

U——樁的周長（m）

對上面的內(nèi)容進行比較與分析發(fā)現(xiàn)，日本橋梁設計規(guī)范與我國建筑以及橋涵設計規(guī)范中規(guī)定的公式基本相同，均采用經(jīng)驗公式的計算方法，只是在安全系數(shù)取用以及粘性土與砂土層的計算上略有不同點。需要說明的是，在日本橋梁工程的計算中，普通（等徑）與擴底鉆孔灌注樁均按上述公式計算，日本對擴底樁的研究、應用已近20年左右，因此設計及施工經(jīng)驗十分豐富，對擴底鉆孔灌注樁規(guī)定了如下設計標準：

1）、樁尖進入持力層1.0米以上；

2）、樁－樁中心距a：若樁軸直徑為d米，樁尖直徑為D米，則a≥（d＋D），且 a≥（1.0米＋D）；

3）、擴底樁直徑小于4.1米；

4）、擴底部相對于樁軸的傾斜角（θ）為12°，底部的垂直高度（h）＞0.5米，擴孔率（η）＜3.13（見圖一）；

5）、樁尖以上0.1米為樁基承載力計算部位，擴底部分高度不計入樁側摩擦力計算；

圖 一

3．中、日兩國擴底鉆孔灌注樁算例計算與比較

我們分別采用日本建筑、道橋設計規(guī)范，中國橋涵設計規(guī)范中的計算公式，按照日本擴底鉆孔灌注樁的設計標準，根據(jù)上海某地質(zhì)條件進行了樁長33米，3種樁徑（1.0、1.2、1.5米）的擴底鉆孔灌注樁進行計算比較如下：

由以上的比較計算可以看出，對于單樁承載力的數(shù)值，“日本道橋設計規(guī)范”與“日本建筑設計規(guī)范”存在著明顯差別（“日本建筑設計規(guī)范”值/“日本道橋設計規(guī)范”值＝1.20～1.24），而我們國內(nèi)所采用的“橋涵地基與基礎設計規(guī)范”對單樁承載力的計算值介于上述兩者之間（我國“橋涵地基與基礎設計規(guī)范”值/“日本道橋設計規(guī)范”值＝1.04～1.19）。由以上的計算可知，我們所采用的樁基計算與日本國內(nèi)的計算基本一致，當然，這與具體的地質(zhì)條件有著密切的關系，遇到具體問題還應具體分析。

4．采用我國橋涵設計規(guī)范公式對擴底樁、等徑樁的比較計算

1）參數(shù)選取：

針對我市地質(zhì)情況，根據(jù)某工程的實際地質(zhì)勘察報告為依據(jù)進行計算。原工程采用φ1.2米鉆孔灌注樁，工程所在地地面標高2.0米，樁尖持力層在第Ⅳ陸相層（Q3Cal）中的亞砂土層，層底標高-38.92～-42.35之間，樁長選用40.0米。

2）等徑樁的計算：

樁尖處土的極限承載力：

σR＝2 m0λ｛〔σ0〕＋k2γ2(H-3)｝             (4.3.2-3)；

       ＝2×0.7×0.85×｛170.0+2.5×19.5×（40-3）｝

       ＝2348.8（kPa）

鉆（挖）孔灌注樁的容許承載力：

〔P〕 ＝（ULτP+AσR）/2                         （4.3.2-1）

              ＝〔π×1.2×40×40+π×（1.2/2）2×2348.8）/2

              ＝4341.9（kN）

3）擴底樁計算：

擴底率選用2.5（＜3.13），樁底有效直徑1.897米，擴底部分高度2.377米（不考慮此部分樁軸摩擦反力），經(jīng)計算：

鉆（挖）孔灌注樁的容許承載力：

〔P〕＝（ULτP+AσR）/2                           （4.3.2-1）

       ＝〔π×1.2×（40-2.377）×40+π×（1.897/2）2×2348.8）/2

       ＝6154.1（kN）

4）計算結果比較

選取上述計算參數(shù)，又對橋梁工程常用1.0、1.8米兩種不同樁徑的樁基結構進行計算，匯總為如下結果：

對于樁軸直徑、樁長均相同的等徑樁與擴底樁單樁容許軸向承載力比較

若達到相同單樁容許軸向承載力，等徑樁與擴底樁混凝土用量比較

5）樁基礎沉降計算：

為能夠說明問題，比較能提供相同承載力的等徑樁與擴底樁的沉降量。即對等徑樁樁徑為1.2米，擴底樁樁軸直徑為1.0米，擴底部分有效直徑為1.897米，樁長均為40.0米的單樁計算沉降量。

樁頂受軸向力所產(chǎn)生的軸向位移δ由兩部分組成：δc（樁身材料的彈性壓縮變形）+δk（樁底處地基土的沉降），即

δ＝δc+δk

＝P〔（L0+ζh）/EA+1/（C0+A0）〕

等徑樁與擴底樁沉降比較                                              表四

三、擴底樁施工設備及施工工藝

1、施工設備

施工機具為EB6200旋挖鉆機，EB系列旋挖鉆機是日本生產(chǎn)的新型鉆孔樁施工機械，由履帶式走行機構、全液壓驅(qū)動、智能控制系統(tǒng)組成，可在各種不同的土層、泥巖、凍土層及砂巖、軟質(zhì)巖石等地層進行鉆孔作業(yè)，以掘削力大、對硬質(zhì)地層擴孔能力強著稱。

該施工設備裝有24米左右的吊臂，吊裝著3～5段可伸縮式的凱式鉆桿，下端安裝有圓通形鏟斗，這些擴底鏟斗決定著樁端的最大擴底率。

2、施工工藝

鉆孔擴底樁與傳統(tǒng)鉆孔灌注樁的施工基本相同，主要區(qū)別在灌注樁成孔階段，在鉆至樁軸深度后，擴底樁需要通過擴底回轉鏟斗擴大孔翼，達到樁擴底的目的。擴孔流程如下：

1）、等徑工序完成后調(diào)換成擴底鉆斗。

2）、向擴孔施工管理中心裝置輸入擴孔的必要設計數(shù)據(jù)。

3）、調(diào)整擴孔鉆筒張開、閉合狀態(tài)與施工管理中心裝置的誤差。

4）、進行擴孔工作，控制每次擴孔量，循環(huán)重復提升鉆筒，加注穩(wěn)定液，在擴孔過程中，鉆筒每次擴孔深度、大小均在施工管理裝置中直接反應，綠色代表設計值，紅色代表每次擴孔量，待綠色全部被紅色填充時擴孔完成。

擴底樁非同一般的摩擦樁，對沉渣要求特別嚴格，故在鋼筋籠下放完成后必須進行二次清孔，二次清孔利用鉆機配套的循環(huán)泵進行清孔，循環(huán)泵應在井口以上，導管下到孔底，導管上口連接循環(huán)泵，或者井壁兩側加間隔管以間隔管清孔，利用反循環(huán)原理進行孔底清渣和孔內(nèi)泥漿置換，清孔時間根據(jù)沉渣厚度進行控制，清孔過程中應不斷沿孔壁四周運動，以達到清孔干凈的目的。

四、結束語

通過以上計算及分析，我國現(xiàn)行規(guī)范中的樁基計算公式可以對擴底樁進行計算，但是還需要細致、可靠的試驗驗證。擴底樁施工工序與常規(guī)的旋挖鉆機施工基本一致，可控性較強，具有如下特點：

1、因擴底樁樁軸直徑小，鉆孔排土量少，混凝土灌注量少，降低施工工作量；

2、由于樁徑的減小、樁長的縮短，使樁基自身重量減少，從而降低樁基結構所需承受的荷載，減少下部結構混凝土、鋼筋用量；

3、有效提高了單樁承載能力，充分發(fā)揮鉆孔灌注樁的作用；

4、樁端擴底由傳感設備可視化控制，其施工質(zhì)量具有更加可靠的保證，提高了隱蔽工程可靠性和結構的耐久性；

5、合理地降低工程造價，相應減少了樁的數(shù)量、加快工程建設周期。

綜上所述，擴底樁技術從提高樁基質(zhì)量、承載力到節(jié)省造價等方面，都具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?span>

主 要參 考 文 獻

段新勝等，樁基工程（第三版），中國地質(zhì)大學出版社，1994

盧世深等，橋梁鉆孔樁試驗，人民交通出版社，1980

林天健等，樁基礎設計指南，中國建筑工業(yè)出版社，1999

孫清林等，大直徑擴底鉆孔灌注樁技術的應用，2004