旋挖挤扩灌注桩设计方法探讨

2012-06-07陈立宏

中国工程科学 2012年1期

陈飞，陈立宏

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010;2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

1 前言

DX桩由主桩和多个承力盘组成。承力盘是通过专用的DX旋挖挤扩设备旋转切削或者旋转碾压形成的上下对称的腔体，在浇筑混凝土后与桩身形成整体，共同受力。在旋挖挤扩过程中，三岔的旋挖挤扩臂随设备转动缓慢张开，运动轨迹成螺旋线型。整个运动过程中，3个挤扩臂能始终托住盘腔土体，保证盘腔的完整性[1，2]。对于DX桩的承载机理已经有不少学者进行了研究。魏章和、周青春等通过现场静载试验对DX桩的承载力以及荷载传递特点进行了研究[3，4];陈轮等通过大比例尺的现场模型DX桩静荷载试验对DX桩的承载力机理和荷载传递规律进行了详细的研究[5，6]，同时还对DX桩的抗拔承载力机理进行了研究[7];沈保汉对DX桩的承载机制和影响承载力的各个因素进行了广泛的研究[8～11]。这些研究表明，DX 桩承力盘增大了桩身的有效承载面积，同时挤扩时对周围土体有挤密作用。与普通直孔等截面灌注桩相比，DX桩因桩身多个承力盘而使有效承载面积大幅度增大，充分利用了良好土层的地基承载力，单桩承载力比普通直孔灌注桩一般可提高1倍以上，并具备良好的抗压和抗拔能力。近年来DX桩已经应用于房屋建筑、高速公路大桥、发电厂、LNG(液化天然气)等多个领域，工程效益和经济效益良好。2009年建设部发布了《三岔双向挤扩灌注桩设计规程》JGJ 171-2009[12]，提出了 DX桩的设计计算方法，但在铁路桥梁和公路桥梁设计规范中对于桩端承载力的计算有很大的不同。由于DX桩承力盘承担较大的荷载，因此不同的方法得到的结果有很大差异。铁路工程建设中少见使用DX桩的实例。文章主要研究JGJ 171-2009 和 TB 10002.5-2005《铁路桥涵地基和基础设计规范》[13]这两个规范中单桩竖向抗压承载力的计算方法，并依据已有详细资料的18个工程实例，对DX桩在铁路工程中的设计方法进行研究。

2 两种规范中的设计方法比较

在《三岔双向挤扩灌注桩设计规程》JGJ 171-2009中规定单桩竖向抗压承载力特征值Ra的计算方法如下:

当进行初步设计时，应根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向抗压极限承载力标准值Quk，可按下式估算:

式(1)～式(4)中各参数所代表的物理意义参见规范说明[12]。在该规范中，认为DX桩的承载力由三部分构成，即侧摩阻力、盘端阻力、桩端阻力。

在《铁路桥涵地基和基础设计规范》TB 10002.5-2005中规定的灌注桩单桩竖向抗压承载力为

式(5)中各参数所代表的物理意义参见规范说明[13]。从上述的计算公式来看，承载力公式中的第一项为桩身侧摩阻力，第二项为桩端地基土的允许承载力。这个公式是将荷载、承载力看成不变的定值，以单桩竖向极限承载力除以安全系数作为单桩的竖向容许承载力，安全系数就是度量桩基可靠度的指标，这种设计方法叫做“定值设计法”。因为桩基础的工作性状与地基土的性质有关，而桩基础的施工条件也使其质量变异性很大，另外铁路工程中桩基础桩长较大，桩端阻力并不能得到充分发挥，再加上铁路工程中对桩基础的沉降控制很严格，所以《铁路桥涵地基和基础设计规范》继续沿用以前的“定值设计法”，这样既能保证桩的正常使用，又能有效控制沉降。

铁路规范中没有盘端阻力的计算公式，只有端阻的计算公式，而且对于灌注桩的端阻、铁路规范与建筑规范的设计方法也不同。针对DX多节挤扩灌注桩，单桩竖向抗压承载力可按照下面3种方法来进行计算:

1)按照《三岔双向挤扩灌注桩设计规程》JGJ 171-2009的规定进行计算，即

2)按照《铁路桥涵地基和基础设计规范》TB 10002.5-2005的规定计算桩端阻力和桩身侧摩阻力，借用该规范桩端阻力的计算方法，计算盘端阻力，即

3)按照《铁路桥涵地基和基础设计规范》TB 10002.5-2005的规定计算桩端阻力和桩身侧摩阻力，借用《三岔双向挤扩灌注桩设计规程》JGJ 171-2009的规定计算盘端阻力，即

式(6)～式(8)中的参数均与前述公式一致。

3 结合工程实例进行计算方法的研究

为了对比分析各种方法，对18个有详细准确资料的工程实例采用如上所述3种方法分别进行计算，并与实测的单桩极限承载力进行对比分析，求出计算值与实测值之间的比值，以确定各种计算方法的误差。

根据DX桩现场静荷载试验结果将这些工程分为两类:一类是加载达到单桩极限承载力的情况，另一类是未达到单桩极限承载力的情况。

3.1 试桩时达到极限承载力

现场静载荷试验达到单桩极限承载力的工程一共有9个，每个工程的具体试桩参数见表1，其按照3种方法计算的结果见表2。各工程计算值与实测值比值的统计结果如图1所示。

表1 试桩参数表(试桩时达到极限承载力)Table 1 Parameters of test piles(reached the ultimate bearing capacity)

表2 计算结果(试桩时达到极限承载力)Table 2 Calculated results(reached the ultimate bearing capacity)

图1 不同工程3种计算值与实测值的比例统计(试桩时达到极限承载力)Fig.1 Statistics of ratios of calculated values to measured value(reached the ultimate bearing capacity)

3.2 试桩时未达到极限承载力

对于那些试桩时未达到单桩极限承载力的工程，采用逆斜率法估算其单桩极限承载力。这些试桩的参数见表3，其计算结果见表4。计算值与实测值比值的统计结果如图2所示。

表3 试桩参数表(试桩时未达到极限承载力)Table 3 Parameters of test piles(not reached the ultimate bearing capacity)

表4 计算结果(试桩时未达到极限承载力)Table 4 Calculated results(not reached the ultimate bearing capacity)

图2 不同工程3种计算值与实测值的比例统计(试桩时未达到极限承载力)Fig.2 Statistics of ratios of calculated values to measured value(not reached the ultimate bearing capacity)

3.3 结果分析

通过上述计算可以看出，计算方法1、3的计算值与实测值比较接近，而计算方法2的计算值比实测值偏小很多。假如采用方法2进行设计会相对保守，造成工程上不必要的浪费。对于铁路工程来说，由于桩身较长，当超过其临界长度后端阻力的发挥就达不到端阻的极限承载力。另外，铁路工程中对沉降控制严格，通常是地基承载力还有潜力可挖，而地基的变形却已经达到或超过按正常使用的限值，因此在铁路工程的设计方法中，桩端阻力还是采用桩底地基土的容许承载力进行设计比较符合实际情况。