陳 飛，陳立宏

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010;2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

1 前言

DX樁由主樁和多個(gè)承力盤組成。承力盤是通過專用的DX旋挖擠擴(kuò)設(shè)備旋轉(zhuǎn)切削或者旋轉(zhuǎn)碾壓形成的上下對稱的腔體，在澆筑混凝土后與樁身形成整體，共同受力。在旋挖擠擴(kuò)過程中，三岔的旋挖擠擴(kuò)臂隨設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)緩慢張開，運(yùn)動(dòng)軌跡成螺旋線型。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，3個(gè)擠擴(kuò)臂能始終托住盤腔土體，保證盤腔的完整性[1，2]。對于DX樁的承載機(jī)理已經(jīng)有不少學(xué)者進(jìn)行了研究。魏章和、周青春等通過現(xiàn)場靜載試驗(yàn)對DX樁的承載力以及荷載傳遞特點(diǎn)進(jìn)行了研究[3，4];陳輪等通過大比例尺的現(xiàn)場模型DX樁靜荷載試驗(yàn)對DX樁的承載力機(jī)理和荷載傳遞規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)的研究[5，6]，同時(shí)還對DX樁的抗拔承載力機(jī)理進(jìn)行了研究[7];沈保漢對DX樁的承載機(jī)制和影響承載力的各個(gè)因素進(jìn)行了廣泛的研究[8～11]。這些研究表明，DX 樁承力盤增大了樁身的有效承載面積，同時(shí)擠擴(kuò)時(shí)對周圍土體有擠密作用。與普通直孔等截面灌注樁相比，DX樁因樁身多個(gè)承力盤而使有效承載面積大幅度增大，充分利用了良好土層的地基承載力，單樁承載力比普通直孔灌注樁一般可提高1倍以上，并具備良好的抗壓和抗拔能力。近年來DX樁已經(jīng)應(yīng)用于房屋建筑、高速公路大橋、發(fā)電廠、LNG(液化天然氣)等多個(gè)領(lǐng)域，工程效益和經(jīng)濟(jì)效益良好。2009年建設(shè)部發(fā)布了《三岔雙向擠擴(kuò)灌注樁設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ 171-2009[12]，提出了 DX樁的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，但在鐵路橋梁和公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中對于樁端承載力的計(jì)算有很大的不同。由于DX樁承力盤承擔(dān)較大的荷載，因此不同的方法得到的結(jié)果有很大差異。鐵路工程建設(shè)中少見使用DX樁的實(shí)例。文章主要研究JGJ 171-2009 和 TB 10002.5-2005《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]這兩個(gè)規(guī)范中單樁豎向抗壓承載力的計(jì)算方法，并依據(jù)已有詳細(xì)資料的18個(gè)工程實(shí)例，對DX樁在鐵路工程中的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。

2 兩種規(guī)范中的設(shè)計(jì)方法比較

在《三岔雙向擠擴(kuò)灌注樁設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ 171-2009中規(guī)定單樁豎向抗壓承載力特征值Ra的計(jì)算方法如下:

當(dāng)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)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)系確定單樁豎向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk，可按下式估算:

式(1)～式(4)中各參數(shù)所代表的物理意義參見規(guī)范說明[12]。在該規(guī)范中，認(rèn)為DX樁的承載力由三部分構(gòu)成，即側(cè)摩阻力、盤端阻力、樁端阻力。

在《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》TB 10002.5-2005中規(guī)定的灌注樁單樁豎向抗壓承載力為

式(5)中各參數(shù)所代表的物理意義參見規(guī)范說明[13]。從上述的計(jì)算公式來看，承載力公式中的第一項(xiàng)為樁身側(cè)摩阻力，第二項(xiàng)為樁端地基土的允許承載力。這個(gè)公式是將荷載、承載力看成不變的定值，以單樁豎向極限承載力除以安全系數(shù)作為單樁的豎向容許承載力，安全系數(shù)就是度量樁基可靠度的指標(biāo)，這種設(shè)計(jì)方法叫做“定值設(shè)計(jì)法”。因?yàn)闃痘A(chǔ)的工作性狀與地基土的性質(zhì)有關(guān)，而樁基礎(chǔ)的施工條件也使其質(zhì)量變異性很大，另外鐵路工程中樁基礎(chǔ)樁長較大，樁端阻力并不能得到充分發(fā)揮，再加上鐵路工程中對樁基礎(chǔ)的沉降控制很嚴(yán)格，所以《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》繼續(xù)沿用以前的“定值設(shè)計(jì)法”，這樣既能保證樁的正常使用，又能有效控制沉降。

鐵路規(guī)范中沒有盤端阻力的計(jì)算公式，只有端阻的計(jì)算公式，而且對于灌注樁的端阻、鐵路規(guī)范與建筑規(guī)范的設(shè)計(jì)方法也不同。針對DX多節(jié)擠擴(kuò)灌注樁，單樁豎向抗壓承載力可按照下面3種方法來進(jìn)行計(jì)算:

1)按照《三岔雙向擠擴(kuò)灌注樁設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ 171-2009的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，即

2)按照《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》TB 10002.5-2005的規(guī)定計(jì)算樁端阻力和樁身側(cè)摩阻力，借用該規(guī)范樁端阻力的計(jì)算方法，計(jì)算盤端阻力，即

3)按照《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》TB 10002.5-2005的規(guī)定計(jì)算樁端阻力和樁身側(cè)摩阻力，借用《三岔雙向擠擴(kuò)灌注樁設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ 171-2009的規(guī)定計(jì)算盤端阻力，即

式(6)～式(8)中的參數(shù)均與前述公式一致。

3 結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行計(jì)算方法的研究

為了對比分析各種方法，對18個(gè)有詳細(xì)準(zhǔn)確資料的工程實(shí)例采用如上所述3種方法分別進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)測的單樁極限承載力進(jìn)行對比分析，求出計(jì)算值與實(shí)測值之間的比值，以確定各種計(jì)算方法的誤差。

根據(jù)DX樁現(xiàn)場靜荷載試驗(yàn)結(jié)果將這些工程分為兩類:一類是加載達(dá)到單樁極限承載力的情況，另一類是未達(dá)到單樁極限承載力的情況。

3.1 試樁時(shí)達(dá)到極限承載力

現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)達(dá)到單樁極限承載力的工程一共有9個(gè)，每個(gè)工程的具體試樁參數(shù)見表1，其按照3種方法計(jì)算的結(jié)果見表2。各工程計(jì)算值與實(shí)測值比值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

表1 試樁參數(shù)表(試樁時(shí)達(dá)到極限承載力)Table 1 Parameters of test piles(reached the ultimate bearing capacity)

表2 計(jì)算結(jié)果(試樁時(shí)達(dá)到極限承載力)Table 2 Calculated results(reached the ultimate bearing capacity)

圖1 不同工程3種計(jì)算值與實(shí)測值的比例統(tǒng)計(jì)(試樁時(shí)達(dá)到極限承載力)Fig.1 Statistics of ratios of calculated values to measured value(reached the ultimate bearing capacity)

3.2 試樁時(shí)未達(dá)到極限承載力

對于那些試樁時(shí)未達(dá)到單樁極限承載力的工程，采用逆斜率法估算其單樁極限承載力。這些試樁的參數(shù)見表3，其計(jì)算結(jié)果見表4。計(jì)算值與實(shí)測值比值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

表3 試樁參數(shù)表(試樁時(shí)未達(dá)到極限承載力)Table 3 Parameters of test piles(not reached the ultimate bearing capacity)

表4 計(jì)算結(jié)果(試樁時(shí)未達(dá)到極限承載力)Table 4 Calculated results(not reached the ultimate bearing capacity)

圖2 不同工程3種計(jì)算值與實(shí)測值的比例統(tǒng)計(jì)(試樁時(shí)未達(dá)到極限承載力)Fig.2 Statistics of ratios of calculated values to measured value(not reached the ultimate bearing capacity)

3.3 結(jié)果分析

通過上述計(jì)算可以看出，計(jì)算方法1、3的計(jì)算值與實(shí)測值比較接近，而計(jì)算方法2的計(jì)算值比實(shí)測值偏小很多。假如采用方法2進(jìn)行設(shè)計(jì)會(huì)相對保守，造成工程上不必要的浪費(fèi)。對于鐵路工程來說，由于樁身較長，當(dāng)超過其臨界長度后端阻力的發(fā)揮就達(dá)不到端阻的極限承載力。另外，鐵路工程中對沉降控制嚴(yán)格，通常是地基承載力還有潛力可挖，而地基的變形卻已經(jīng)達(dá)到或超過按正常使用的限值，因此在鐵路工程的設(shè)計(jì)方法中，樁端阻力還是采用樁底地基土的容許承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)比較符合實(shí)際情況。

4 結(jié)語

上述18個(gè)工程實(shí)例的計(jì)算分析表明，在鐵路工程中進(jìn)行DX樁設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到鐵路工程中對樁身長、樁基礎(chǔ)沉降量有嚴(yán)格控制，在計(jì)算樁端阻力時(shí)采用現(xiàn)行的鐵路規(guī)范中的計(jì)算公式更為合理，因此DX多節(jié)擠擴(kuò)灌注樁在鐵路工程中按照方法3來進(jìn)行設(shè)計(jì)更為符合實(shí)際情況。

[1]張德華，王夢恕.DX擠擴(kuò)灌注樁技術(shù)在鐵路橋梁工程中的應(yīng)用[J].中國工程科學(xué)，2009，11(7):92-96.

[2]賀德新，沈保漢.DX擠擴(kuò)裝置及DX多節(jié)擠擴(kuò)樁的應(yīng)用[J].工業(yè)建筑，2001，31(1):27-31.

[3]魏章和，李光茂，賀德新.DX樁的試驗(yàn)與研究[J].巖土工程界，2000，3(5):12-17.

[4]周青春，于南燕.DX樁的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2001，22(3):298-302.

[5]陳 輪，王海燕，沈保漢，等.DX樁承載力及荷載傳遞特點(diǎn)的現(xiàn)場試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2004，34(3):5-8.

[6]陳 輪，王海燕，沈保漢，等.DX樁單位側(cè)阻力和單位端阻力的現(xiàn)場試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2004，34(3):15-18.

[7]陳 輪，蔣 力，王海燕，等.DX樁抗拔承載力機(jī)理的現(xiàn)場試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2004，34(3):33-35.

[8]沈保漢，陳 輪，王海燕，等.DX樁側(cè)阻力和端阻力的現(xiàn)場試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2004，34(3):9-14.

[9]沈保漢，賀德新，孫君平，等.影響DX擠擴(kuò)灌注樁豎向抗壓承載力的因素[J].工業(yè)建筑，2008，38(5):32-38.

[10]沈保漢，錢力航，孫君平.DX擠擴(kuò)灌注樁的樁身承載力研究[J].工業(yè)建筑，2008，38(5):23-27.

[11]沈保漢.DX擠擴(kuò)灌注樁的荷載傳遞特點(diǎn)[J].工業(yè)建筑，2008，38(5):5-12.

[12]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 171-2009三岔雙向擠擴(kuò)灌注樁設(shè)計(jì)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[13]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.5-2005鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2005.