DX桩与后压浆钻孔灌注桩现场试验研究

2012-08-17刘春刚柴小兵欧阳义贺德新

中国工程科学 2012年1期

刘春刚，柴小兵，欧阳义，贺德新

(1．北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044;2．北京中阔地基基础技术有限公司，北京 100097)

1 前言

DX桩是近些年来发展的一种多节挤扩灌注桩，其桩身由主桩和多个承力盘构成。其中承力盘是通过DX专用旋挖挤扩装置，通过液压系统控制该装置旋转切削或者旋转碾压形成的上下对称的腔体，在浇筑混凝土后形成由桩身、承力盘和桩根共同承载的桩型。由于承力盘增大了桩身的有效承载面积，同时挤扩设备对周围土体有一定的挤密作用，可以充分发挥端阻力的作用，而土体的端阻力往往是侧阻力的几十倍，因此DX桩可较大幅度提高单桩承载力，降低沉降。

经过多地工程实践证明，DX桩技术具有工艺独特，操作设备方便，承载力高等特点。近年已经有不少学者对DX桩进行了研究。魏章和等在对DX桩现场测试、理论分析的基础上，分析了DX桩的变形破坏机理和承载性能，提出了单桩极限承载力计算的经验公式和影响承载力的因素［1］;周青春和于南燕通过现场静载试验对DX桩的荷载传递特点和桩周土体的破坏进行了研究［2］;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更为详细的研究［3，4］;沈保汉也对DX桩的承载受力机制和影响承载力的各个因素进行了广泛的研究［5］。通过近年工程实践和研究表明，由于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，因桩身多个断面面积大幅度增大，充分利用了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。

后压浆技术是20世纪60年代初开始应用于桩基施工，在提高桩基础承载力方面是比较成熟的技术。其在公路、桥梁和高层建筑等行业中得到了广泛的应用。后压浆技术分为桩端压浆和桩侧压浆两种方式，是在钻孔灌注桩成桩并达到一定强度的基础上，通过埋设在桩身的注浆管，将能够固化的浆液压入桩端地层或桩侧。这些浆液经过渗透、填充、置换、劈裂、压密及固结等物理或者化学作用来固化沉渣和泥皮，以此来改变桩身周围土体的物理力学性质，使得桩底、桩侧一定范围内的土体相结合，使得土体强度和刚度大幅度提高;同时可以形成网状结石的复合土体，显示出“加筋效应”。究其实质是后压浆桩改善了桩土的边界条件。

已有的资料表明，后压浆技术可以提高钻孔灌注桩承载力的30% ～100%，增大桩身刚度和稳定性、减少桩基沉降量;同时该技术具有设备简单，效果明显，增加费用低，提高经济效益，施工时不增加工期等优点。后压浆技术应用于群桩时，还能改善桩荷载传递性能，增强桩群整体性，减少变形［6］。

关于后压浆技术的研究比较多面，胡德华［7］对后压浆钻孔灌注桩的加固机理和施工工艺进行了较详细的介绍;郝世龙、罗雄文［8］对后压浆技术的参数控制进行了相关分析，赵晨等［9］和冯定波［10］在现场试验的基础上对后压浆钻孔灌注桩的承载机理进行了详细的研究;黄生根等［11］通过在软土中对后压浆桩与普通钻孔灌注桩的对比试验中发现未压浆桩破坏形式为陡降型，而后压浆桩为缓变型破坏;程晔、龚维明等［12］通过对超长后压浆桩与等直径的普通钻孔灌注桩的现场试验研究，表明后压浆桩不仅可以提高桩承载力，还能有效控制基础的沉降。关于后压浆钻孔灌注桩的单桩承载力的计算在《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG D63－2007中有推荐的经验系数法，此外中国建筑科学研究院和相关地方都有相应的经验公式。

DX桩是在挤扩过程中挤密周围的土体增加桩侧摩阻力，同时其承力盘提供盘阻力而大大提高了桩的承载力，后压浆钻孔灌注桩是通过注浆来提高桩侧摩阻力和端阻力的。文章主要通过对DX桩和后压浆钻孔灌注桩的现场竖向静荷载试验，比较了DX桩和后压浆钻孔灌注桩的差异，为DX桩在建筑基础中的设计和应用提供了参考。

2 试验设计

2．1 工程场地概况

工程位于河南省郑州市，地形单元为黄河冲积平原，地面标高为99．69 m，勘察期间地下水位埋深为 4．5 ～6 m(绝对标高为93．50 ～92．2 m)，根据钻探、静力触探、标准贯入试验结果，结合室内土工试验资料，得到其地基土层土性及其力学特征分布(见表1)。

表1 试验场地土层分布情况Table 1 Soil properties of the test site

2．2 试验桩设计方案

试验共有4根竖向受压的试桩，其中B－1、B－2为后压浆钻孔灌注桩，选用土层(15)粉质粘土作为桩端持力层，沿桩身9个截面布置钢筋应力计;D－1、D－2为DX挤扩桩(3个承力盘)，沿桩身8个截面布置钢筋应力计，桩端持力层选用土层(14)粉土。试验场地土层情况和DX桩的承力盘的位置及持力层如图1所示，试验桩的具体参数见表2。

图1 土地地层与试验桩柱状图Fig．1 Soil types and the sketch diagram of test piles

成桩完成后，桩身的完整性检测采用低应变法，试验加载装置采用堆重平台反力装置，试验加载方式采用慢速维持荷载法，荷载分级按预估极限荷载的1/10施加，B－1和D－1分9级加载，B－2与D－2分10级加载，然后都分5级卸载，试验按照《建筑基桩检测技术规范》JGJ 106－2003(简称基桩规范)相关要求进行，其检测结果见表3。

表2 试验桩的基本参数Table 2 Parameters of test piles

表3 试桩检测结果Table 3 Results of test piles

3 试验结果分析

根据设计要求，本次试桩加载至设计极限值即停止加载，所测得各桩沉降与荷载值见表4，试验所得的Q－s曲线和s－logQ曲线如图2、图3所示。

表4 试桩在各级荷载下的沉降值Table 4 Settlements of test piles under each load level

图2 试验桩的Q－s曲线Fig．2 Q －s curves of test piles

从图2中可以看出，在整个加载阶段，后压浆钻孔灌注桩和DX桩的Q－s曲线基本一致，都属于缓变型，但加载级数相同的DX桩的最终沉降量要比后压浆钻孔灌注桩小一些(B－1与D－1加载级数相等，B－2与D－2加载级数相等);但在加载的初始阶段，后压浆钻孔灌注桩的桩顶沉降比DX桩要稍小些。随着桩顶荷载的增大，后压浆桩的桩顶沉降逐渐大于DX桩，本次试验中，B－1与D－1在荷载19000 kN的时候，B－1的桩顶沉降开始大于D－1，B－2的桩顶沉降在12000 kN的时候，其沉降开始大于D－2桩。这主要是因为随着桩顶荷载的增大，桩侧摩阻力逐渐充分发挥，后压浆钻孔桩的桩端阻力的比例逐渐增大，从而引起桩端下层土体的下沉速率加快，而DX桩由于承力盘的存在，其盘承力消耗了很大一部分桩身荷载，传递到桩端时，桩端阻力的变化较后压浆钻孔灌注桩小，最终后压浆钻孔灌注桩的沉降超过DX桩。

图3 各桩的s－logQ曲线Fig．3 s－log Q curve of test piles

DX桩的直径为700 mm，有效桩长为33．6 m，桩端持力层的极限端阻力为800 kPa;后压浆钻孔灌注桩的直径为800 mm，有效桩长43．3 m，桩端持力层的极限端阻力为1700 kPa。所以若是DX桩和后压浆钻孔灌注桩在相同的设计条件下，DX桩的沉降和Q－s曲线可能会优于同条件下的后压浆钻孔灌注桩。因而DX桩能以桩径小、桩长短满足大承载力的要求。

在卸载完成后，D－1桩、D－2桩的回弹率分别为69．3%和67．7%，B －1桩、B －2桩的回弹率依次为54．6%和64．5%。DX桩的回弹率略高于后压浆钻孔灌注桩，但两者的回弹率都在50%以上。这表明DX桩和后压浆钻孔灌注桩在正常工作荷载作用下，其桩顶沉降中弹性变形占很大一部分，桩身周围土体的塑性变形量和桩端的刺入变形量比较小。

图3为各桩的s－logQ曲线，从图3(b)中可以看到B－2桩的s－logQ曲线末端开始出现陡降段，说明在达到预估极限承载力前已达到其极限承载力，其余各桩的s－logQ曲线末端均未呈现出竖向陡降段。经逆斜率法［13］推求，B－1、B－2桩的极限承载力分别为20000、18181．8 kN;D －1、D －2桩的极限承载力分别为23529．4、25000 kN，DX桩的实际极限承载力高于后压浆钻孔灌注桩。

DX桩的设计桩长为47 m，有效桩长为33．6 m，桩径为700 mm;后压浆钻孔灌注桩的桩长为55 m，有效桩长为43．3 m，桩径为800 mm。经计算，后压浆钻孔灌注桩每根桩的混凝土用量为27．6 m3，每立方米的承载力为722．9 kN;DX桩每根桩的混凝土用量为 18．1m3，每立方米的承载力为1106．3 kN，为后压浆钻孔灌注桩的1．5倍。

通过比较可以发现，DX桩和后压浆钻孔灌注桩都能满足大承载力的桩基要求，同时还能很好地控制桩的沉降，相对于后压浆钻孔灌注桩，DX桩所消耗的混凝土用量更少，只需在成桩过程中加一道挤扩工序，施工工艺简单。