擴(kuò)底鉆孔灌注樁技術(shù)的應(yīng)用與研究

馮克巖 王江 崔夢(mèng)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(jié)構(gòu)最常用的基礎(chǔ)形式之一，不同用途和類(lèi)型的樁型及相應(yīng)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(jià)、改善樁基施工質(zhì)量控制等，是橋梁結(jié)構(gòu)工程師永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)。本文主要針對(duì)擴(kuò)底鉆孔灌注樁技術(shù)的應(yīng)用與研究作重點(diǎn)介紹，就橋梁結(jié)構(gòu)的鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)及施工工藝等提出一些新的理念、方法，并進(jìn)行總結(jié)與探討。

[關(guān)鍵詞] 擴(kuò)底鉆孔灌注樁、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、擴(kuò)底鏟斗、極限承載力

一、概述

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(jìn)度等諸多因素的制約下，橋梁的下部結(jié)構(gòu)－樁基技術(shù)更新顯得尤為重要，不同用途和類(lèi)型的樁型及相應(yīng)的施工工藝不斷推陳出新，不論對(duì)樁基設(shè)計(jì)的有關(guān)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(shí)質(zhì)性的變化，值得從事基樁設(shè)計(jì)者作進(jìn)一步研究探索。

樁基技術(shù)的發(fā)展有著悠久的歷史，國(guó)內(nèi)應(yīng)用鉆孔灌注樁作為橋梁的基礎(chǔ)樁起步于上世紀(jì)六十年代初期，至今其施工工藝和機(jī)具有了長(zhǎng)足的發(fā)展，設(shè)計(jì)理念和應(yīng)用方法也日臻完備，鉆孔灌注樁已成為橋梁結(jié)構(gòu)中常用的一種基礎(chǔ)形式。

現(xiàn)在單樁設(shè)計(jì)承載力越來(lái)越大，達(dá)到了以萬(wàn)“KN”計(jì)的水平，為了滿(mǎn)足承載力的要求，設(shè)計(jì)者不得不從諸如加大樁身截面、提高樁身混凝土強(qiáng)度、對(duì)持力層加固、尋求新的有效的樁型等途徑來(lái)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(kuò)底樁等。

國(guó)內(nèi)對(duì)擴(kuò)底樁早有論述，但由于早期施工手段的限制，對(duì)于擴(kuò)底樁一般采用爆擴(kuò)或人工挖孔（挖孔樁）的方法。爆擴(kuò)樁是指鉆機(jī)成孔，樁下端爆擴(kuò)成擴(kuò)大頭，但對(duì)樁底爆擴(kuò)的范圍無(wú)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(kāi)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(guò)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(guò)程中的安全問(wèn)題。在公路橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工中這兩種方法很少被采用。

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

二、擴(kuò)底樁的計(jì)算分析

1．我國(guó)當(dāng)前鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

在我國(guó)的建筑、橋梁工程中，樁基承載力設(shè)計(jì)主要采用經(jīng)驗(yàn)公式法，即根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定的計(jì)算公式，當(dāng)然在具有條件的情況下，也可通過(guò)靜載試驗(yàn)確定單樁的承載力。

我國(guó)現(xiàn)行的《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》及《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)樁基的計(jì)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(shè)計(jì)值                          U——樁的周長(zhǎng)

Q_uk——單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值                L——樁的有效入土長(zhǎng)度

μ——樁身周長(zhǎng)                                              τ_P——樁側(cè)土的極限摩阻力

q_sik——樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值              A——樁端面積

q_pk——極限媏阻力標(biāo)準(zhǔn)值                               σ_R——樁端地基極限承載力

ψ_si、ψ_p——側(cè)阻、媏阻尺寸效應(yīng)系數(shù)           2——安全系數(shù)

A_p——樁媏面積

l_si——樁側(cè)第i層土樁長(zhǎng)

γ_sp——樁側(cè)阻媏阻綜合抗力分項(xiàng)系數(shù)（1.6～1.7）

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

在橋涵規(guī)范中，未對(duì)擴(kuò)底樁作具體說(shuō)明，但在建筑規(guī)范中對(duì)擴(kuò)底樁提出了較簡(jiǎn)單的要求：（公式未有變化）

1)  當(dāng)持力層承載力低于樁身混凝土受壓承載力時(shí)，可采用擴(kuò)底；擴(kuò)底端直徑與樁身直徑比D/d，應(yīng)根據(jù)承載力要求及擴(kuò)底端部側(cè)面和樁端持力層土性確定，最大不超過(guò)3.0；

2)       擴(kuò)底端側(cè)面的斜率應(yīng)根據(jù)實(shí)際成孔及支護(hù)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(kuò)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(jì)算方法分析

我們?cè)敿?xì)研究了日本道橋設(shè)計(jì)規(guī)范（日本道路學(xué)會(huì)），日本建筑設(shè)計(jì)規(guī)范（日本建筑學(xué)會(huì)），對(duì)于鉆孔灌注樁（單樁容許承載力）均按下述公式計(jì)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(duì)于RU的計(jì)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(shè)計(jì)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(xì)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(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù)的平均值（乘以100后為Kpa）

A——樁端面積（m）

NS——樁側(cè)砂質(zhì)土層部分的標(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù)的平均值（不大于30Kpa）

LS——樁側(cè)砂質(zhì)土層的厚度（m）

QU——樁側(cè)粘性土單軸壓縮強(qiáng)度的平均值（不大于200Kpa）

LC——樁側(cè)粘質(zhì)土層的厚度（m）

U——樁的周長(zhǎng)（m）

日本道橋設(shè)計(jì)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(qiáng)度（Kpa），N：標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)值

A——樁端面積（m）

NS——樁側(cè)砂質(zhì)土層部分的標(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù)的平均值（不大于30Kpa）

LS——樁側(cè)砂質(zhì)土層的厚度（m）

C——樁側(cè)粘性土的粘聚力（Kpa）

LC——樁側(cè)粘質(zhì)土層的厚度（m）

U——樁的周長(zhǎng)（m）

對(duì)上面的內(nèi)容進(jìn)行比較與分析發(fā)現(xiàn)，日本橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范與我國(guó)建筑以及橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的公式基本相同，均采用經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算方法，只是在安全系數(shù)取用以及粘性土與砂土層的計(jì)算上略有不同點(diǎn)。需要說(shuō)明的是，在日本橋梁工程的計(jì)算中，普通（等徑）與擴(kuò)底鉆孔灌注樁均按上述公式計(jì)算，日本對(duì)擴(kuò)底樁的研究、應(yīng)用已近20年左右，因此設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)十分豐富，對(duì)擴(kuò)底鉆孔灌注樁規(guī)定了如下設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：

1）、樁尖進(jìn)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(kuò)底樁直徑小于4.1米；

4）、擴(kuò)底部相對(duì)于樁軸的傾斜角（θ）為12°，底部的垂直高度（h）＞0.5米，擴(kuò)孔率（η）＜3.13（見(jiàn)圖一）；

5）、樁尖以上0.1米為樁基承載力計(jì)算部位，擴(kuò)底部分高度不計(jì)入樁側(cè)摩擦力計(jì)算；

圖 一

3．中、日兩國(guó)擴(kuò)底鉆孔灌注樁算例計(jì)算與比較

我們分別采用日本建筑、道橋設(shè)計(jì)規(guī)范，中國(guó)橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中的計(jì)算公式，按照日本擴(kuò)底鉆孔灌注樁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)上海某地質(zhì)條件進(jìn)行了樁長(zhǎng)33米，3種樁徑（1.0、1.2、1.5米）的擴(kuò)底鉆孔灌注樁進(jìn)行計(jì)算比較如下：

由以上的比較計(jì)算可以看出，對(duì)于單樁承載力的數(shù)值，“日本道橋設(shè)計(jì)規(guī)范”與“日本建筑設(shè)計(jì)規(guī)范”存在著明顯差別（“日本建筑設(shè)計(jì)規(guī)范”值/“日本道橋設(shè)計(jì)規(guī)范”值＝1.20～1.24），而我們國(guó)內(nèi)所采用的“橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范”對(duì)單樁承載力的計(jì)算值介于上述兩者之間（我國(guó)“橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范”值/“日本道橋設(shè)計(jì)規(guī)范”值＝1.04～1.19）。由以上的計(jì)算可知，我們所采用的樁基計(jì)算與日本國(guó)內(nèi)的計(jì)算基本一致，當(dāng)然，這與具體的地質(zhì)條件有著密切的關(guān)系，遇到具體問(wèn)題還應(yīng)具體分析。

4．采用我國(guó)橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范公式對(duì)擴(kuò)底樁、等徑樁的比較計(jì)算

1）參數(shù)選取：

針對(duì)我市地質(zhì)情況，根據(jù)某工程的實(shí)際地質(zhì)勘察報(bào)告為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算。原工程采用φ1.2米鉆孔灌注樁，工程所在地地面標(biāo)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(biāo)高-38.92～-42.35之間，樁長(zhǎng)選用40.0米。

2）等徑樁的計(jì)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(kuò)底樁計(jì)算：

擴(kuò)底率選用2.5（＜3.13），樁底有效直徑1.897米，擴(kuò)底部分高度2.377米（不考慮此部分樁軸摩擦反力），經(jīng)計(jì)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(jì)算結(jié)果比較

選取上述計(jì)算參數(shù)，又對(duì)橋梁工程常用1.0、1.8米兩種不同樁徑的樁基結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，匯總為如下結(jié)果：

對(duì)于樁軸直徑、樁長(zhǎng)均相同的等徑樁與擴(kuò)底樁單樁容許軸向承載力比較

若達(dá)到相同單樁容許軸向承載力，等徑樁與擴(kuò)底樁混凝土用量比較

5）樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算：

為能夠說(shuō)明問(wèn)題，比較能提供相同承載力的等徑樁與擴(kuò)底樁的沉降量。即對(duì)等徑樁樁徑為1.2米，擴(kuò)底樁樁軸直徑為1.0米，擴(kuò)底部分有效直徑為1.897米，樁長(zhǎng)均為40.0米的單樁計(jì)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(kuò)底樁沉降比較                                              表四

三、擴(kuò)底樁施工設(shè)備及施工工藝

1、施工設(shè)備

施工機(jī)具為EB6200旋挖鉆機(jī)，EB系列旋挖鉆機(jī)是日本生產(chǎn)的新型鉆孔樁施工機(jī)械，由履帶式走行機(jī)構(gòu)、全液壓驅(qū)動(dòng)、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(jìn)行鉆孔作業(yè)，以掘削力大、對(duì)硬質(zhì)地層擴(kuò)孔能力強(qiáng)著稱(chēng)。

該施工設(shè)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(kuò)底鏟斗決定著樁端的最大擴(kuò)底率。

2、施工工藝

鉆孔擴(kuò)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(kuò)底樁需要通過(guò)擴(kuò)底回轉(zhuǎn)鏟斗擴(kuò)大孔翼，達(dá)到樁擴(kuò)底的目的。擴(kuò)孔流程如下：

1）、等徑工序完成后調(diào)換成擴(kuò)底鉆斗。

2）、向擴(kuò)孔施工管理中心裝置輸入擴(kuò)孔的必要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

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

4）、進(jìn)行擴(kuò)孔工作，控制每次擴(kuò)孔量，循環(huán)重復(fù)提升鉆筒，加注穩(wěn)定液，在擴(kuò)孔過(guò)程中，鉆筒每次擴(kuò)孔深度、大小均在施工管理裝置中直接反應(yīng)，綠色代表設(shè)計(jì)值，紅色代表每次擴(kuò)孔量，待綠色全部被紅色填充時(shí)擴(kuò)孔完成。

擴(kuò)底樁非同一般的摩擦樁，對(duì)沉渣要求特別嚴(yán)格，故在鋼筋籠下放完成后必須進(jìn)行二次清孔，二次清孔利用鉆機(jī)配套的循環(huán)泵進(jìn)行清孔，循環(huán)泵應(yīng)在井口以上，導(dǎo)管下到孔底，導(dǎo)管上口連接循環(huán)泵，或者井壁兩側(cè)加間隔管以間隔管清孔，利用反循環(huán)原理進(jìn)行孔底清渣和孔內(nèi)泥漿置換，清孔時(shí)間根據(jù)沉渣厚度進(jìn)行控制，清孔過(guò)程中應(yīng)不斷沿孔壁四周運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到清孔干凈的目的。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上計(jì)算及分析，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中的樁基計(jì)算公式可以對(duì)擴(kuò)底樁進(jìn)行計(jì)算，但是還需要細(xì)致、可靠的試驗(yàn)驗(yàn)證。擴(kuò)底樁施工工序與常規(guī)的旋挖鉆機(jī)施工基本一致，可控性較強(qiáng)，具有如下特點(diǎn)：

1、因擴(kuò)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(zhǎng)的縮短，使樁基自身重量減少，從而降低樁基結(jié)構(gòu)所需承受的荷載，減少下部結(jié)構(gòu)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(kuò)底由傳感設(shè)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(jié)構(gòu)的耐久性；

5、合理地降低工程造價(jià)，相應(yīng)減少了樁的數(shù)量、加快工程建設(shè)周期。

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

主 要參 考 文 獻(xiàn)

段新勝等，樁基工程（第三版），中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1994

盧世深等，橋梁鉆孔樁試驗(yàn)，人民交通出版社，1980

林天健等，樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)指南，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999

孫清林等，大直徑擴(kuò)底鉆孔灌注樁技術(shù)的應(yīng)用，2004