賀德新

(北京中闊地基基礎(chǔ)技術(shù)有限公司，北京 100097)

1 前言

三岔雙向擠擴(kuò)灌注樁(DX樁)是一種優(yōu)秀的新型變截面樁，以發(fā)明人賀德新先生的名字(De Xin)命名。它是在鉆孔灌注樁鉆孔的基礎(chǔ)上，使用專(zhuān)用的DX擠擴(kuò)設(shè)備在樁身擠擴(kuò)成上下對(duì)稱(chēng)的空腔，然后澆灌混凝土后形成的樁身、承力盤(pán)和樁根共同承載的樁型(見(jiàn)圖1)。

圖1 DX樁樁身圖Fig．1 DX pile

DX樁技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)DX擠擴(kuò)設(shè)備的不斷發(fā)展與完善。經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，DX樁設(shè)備與工藝已經(jīng)日趨成熟［1～3］。

目前DX樁已經(jīng)應(yīng)用于公路交通大橋、特大橋，及各省市工業(yè)廠房、商住樓、發(fā)電廠、LNG等眾多領(lǐng)域的100多個(gè)項(xiàng)目，目前已完成總樁數(shù)5萬(wàn)多根，收到了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 DX樁發(fā)展

DX樁是伴隨著DX擠擴(kuò)設(shè)備的發(fā)展而發(fā)展的，DX擠擴(kuò)設(shè)備大致經(jīng)歷了三代，第一代三岔雙向擠擴(kuò)設(shè)備，第二代鉆擴(kuò)清一體化機(jī)，以及第三代旋挖擠擴(kuò)鉆機(jī)。

2．1 三岔雙向擠擴(kuò)設(shè)備

1998年北京中闊地基基礎(chǔ)技術(shù)有限公司賀德新先生發(fā)明設(shè)計(jì)了新型的多功能液壓三岔雙向擠擴(kuò)裝置(簡(jiǎn)稱(chēng)DX擠擴(kuò)設(shè)備)，1999年在我國(guó)第十二屆發(fā)明會(huì)上該項(xiàng)發(fā)明被評(píng)為金獎(jiǎng)。由DX擠擴(kuò)設(shè)備擠擴(kuò)形成的多節(jié)擠擴(kuò)灌注樁稱(chēng)為三岔雙向擠擴(kuò)灌注樁，簡(jiǎn)稱(chēng)DX樁。

三岔雙向擠擴(kuò)設(shè)備主要由三岔擠擴(kuò)臂、油缸及相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成。三個(gè)擠擴(kuò)臂之間成120°夾角，如圖2所示。施工時(shí)將擠擴(kuò)設(shè)備放入孔中，通過(guò)液壓設(shè)備控制擠擴(kuò)臂張開(kāi)，一次擠擴(kuò)完成后收回?cái)D擴(kuò)臂，轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，再次擠擴(kuò)，直至形成完整的承力盤(pán)(見(jiàn)圖3)。

圖2 三岔雙向擠擴(kuò)設(shè)備平面圖Fig．2 Plan of extruding-expanding rig

圖3 DX樁成盤(pán)效果Fig．3 Sketch map of DX pile bell

DX樁與早先的支盤(pán)樁相比，具有更明顯的優(yōu)勢(shì)，其中最重要的區(qū)別在于:支盤(pán)擠擴(kuò)機(jī)是單油缸單向往下擠壓，從而形成如圖4(a)所示的上大下小的承力盤(pán)，擠擴(kuò)過(guò)程中會(huì)形成設(shè)備“上浮現(xiàn)象”，從而造成上部土體塌落產(chǎn)生“臨空區(qū)”，擠擴(kuò)成腔質(zhì)量較差。DX擠擴(kuò)設(shè)備是雙油缸雙向相對(duì)移動(dòng)，三對(duì)擠擴(kuò)臂水平擠壓土體，擠擴(kuò)時(shí)設(shè)備沒(méi)有“上浮現(xiàn)象”，不會(huì)出現(xiàn)土體塌落而產(chǎn)生“臨空區(qū)”，承力盤(pán)上下對(duì)稱(chēng)(如圖4(b)所示)，成腔效果較好。

2．2 鉆擴(kuò)清一體化機(jī)

鉆擴(kuò)清一體化機(jī)是在三岔雙向擠擴(kuò)設(shè)備基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的(見(jiàn)圖5)，該設(shè)備集鉆孔、多節(jié)擠擴(kuò)、清孔于一體。無(wú)論是干法成孔工藝，還是泥漿護(hù)壁濕法成孔工藝都可以一機(jī)完成，能有效的保證成孔質(zhì)量。施工時(shí)，鉆機(jī)定位，鉆成孔后，DX擠擴(kuò)裝置放至孔中擴(kuò)盤(pán)位置，擠擴(kuò)出承力盤(pán)，擠擴(kuò)時(shí)的轉(zhuǎn)位角度由專(zhuān)門(mén)液壓系統(tǒng)操控。擠擴(kuò)工序完成后，將清孔裝置放入孔中，用旋挖清孔裝置將虛土徹底清除干凈，隨即下鋼筋籠，灌注混凝土成樁。

圖4 支盤(pán)樁與DX樁構(gòu)造對(duì)比Fig．4 Comparison of Squeezed branch pile and DX pile

圖5 鉆擴(kuò)清一體化機(jī)Fig．5 Drilling-extruding-cleaning rig

2．3 旋挖擠擴(kuò)鉆機(jī)

2006年北京中闊地基基礎(chǔ)技術(shù)有限公司又發(fā)明創(chuàng)新出了最新一代的HDX旋挖擠擴(kuò)鉆機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)HDX旋擴(kuò)鉆機(jī))及其工法，該設(shè)備采用了邊旋轉(zhuǎn)邊擠擴(kuò)的設(shè)計(jì)思想，在原擠擴(kuò)臂表面裝置弧形切刀(有低刃和高刃切刀兩種)，根據(jù)土層的軟硬選配低刃切刀或高刃切刀進(jìn)行旋擴(kuò)作業(yè)。在連續(xù)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中三對(duì)旋擴(kuò)臂逐漸向外打開(kāi)，盤(pán)腔一次旋擴(kuò)成型，時(shí)間短、工效高、成腔好，傳統(tǒng)的人工操作的擠擴(kuò)方式與之無(wú)可比擬。

3 HDX旋挖擠擴(kuò)設(shè)備

新型HDX旋挖擠擴(kuò)鉆機(jī)，如圖6所示，由雙向液壓油缸裝置、三岔雙向旋擴(kuò)裝置、連接器、電腦液壓站控制系統(tǒng)及車(chē)載系統(tǒng)等組成。

圖6 HDX1215旋挖擠擴(kuò)鉆機(jī)Fig．6 HDX1215 rotary expanding-extruding rig

新一代的HDX1215型旋挖擠擴(kuò)鉆機(jī)在諸多方面都處于行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先地位，主要包括:配重調(diào)整系統(tǒng);大三角支撐;垂直度調(diào)整;自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

3．1 節(jié)能鉆桿與配重調(diào)整系統(tǒng)

常規(guī)的鉆機(jī)在施工過(guò)程中始終采用同一套鉆桿系統(tǒng)，若孔深較淺時(shí)，亦采用多節(jié)鉆桿，這樣設(shè)備做功主要用于提升鉆桿，利用效能低。在新一代鉆機(jī)中，采用了節(jié)能鉆桿的設(shè)計(jì)，可以根據(jù)不同的鉆孔深度隨時(shí)調(diào)整鉆桿節(jié)數(shù)，起到了很好的節(jié)能效果。由于鉆桿節(jié)數(shù)的調(diào)整，整個(gè)鉆機(jī)的重心會(huì)隨之變化，因此引入了配重調(diào)整系統(tǒng)，如圖7所示。該系統(tǒng)是以車(chē)輛的回轉(zhuǎn)中心為支點(diǎn)，前后調(diào)整配重，確保鉆機(jī)平衡。同時(shí)，又保證鉆機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)快速、穩(wěn)定和可靠。

圖7 配重調(diào)整系統(tǒng)Fig．7 Counterweight adjusting system

3．2 大三角支撐

后起桅桿的大三角支撐(見(jiàn)圖8)，采用了兩個(gè)二級(jí)油缸，形成立體大三角，保證桅桿能夠順利平穩(wěn)的起降。同時(shí)保證了回轉(zhuǎn)或者行進(jìn)過(guò)程中底盤(pán)的穩(wěn)定。該設(shè)計(jì)可以使桅桿快速平穩(wěn)的放倒或立起，這樣在現(xiàn)場(chǎng)施工中使得車(chē)輛可以迅速的移位，提高了施工效率。

圖8 大三角支撐系統(tǒng)Fig．8 Big triangle support system

3．3 垂直度調(diào)整

垂直度調(diào)整系統(tǒng)同樣是該設(shè)備在設(shè)計(jì)中的一個(gè)亮點(diǎn)(見(jiàn)圖9)。傳統(tǒng)的設(shè)備采用平行四邊形方法，垂直度調(diào)整依靠上兩點(diǎn)、下一點(diǎn)的兩個(gè)油缸調(diào)整，既有前后調(diào)整，又有左右調(diào)整，控制難度較大。且立體小三角支撐，穩(wěn)定性差，容易出現(xiàn)事故。而該設(shè)備創(chuàng)新的設(shè)計(jì)將垂直度調(diào)整分為前后和左右兩套系統(tǒng)。前后垂直度的調(diào)整依靠大三角支撐的兩個(gè)油缸調(diào)整，且設(shè)有平衡閥，保證安全。在左右調(diào)整時(shí)，采用上一點(diǎn)，下一面的鐘擺式調(diào)整系統(tǒng)，簡(jiǎn)單可靠。而且底面油缸中有平衡閥，保證調(diào)整后在施工過(guò)程中的安全性。這一點(diǎn)在重、大型設(shè)備中尤為重要。

圖9 垂直度調(diào)整Fig．9 Vertical degree adjusting

3．4 自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

由于樁基工程屬于隱蔽工程，在施工過(guò)程中監(jiān)控非常困難，尤其對(duì)于變截面樁型，樁身擴(kuò)大部位的施工監(jiān)控尤為重要。因此，在鉆機(jī)的設(shè)計(jì)中引入了自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主界面見(jiàn)圖10。

圖10 自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)操作主界面Fig．10 Main page of the automatic real-time monitoring system

主界面中，包括了設(shè)備在施工過(guò)程中涉及的主要參數(shù):擠擴(kuò)壓力、擠擴(kuò)盤(pán)徑、實(shí)際孔深、孔當(dāng)前的深度、鉆頭位置、單次進(jìn)尺、收回壓力、X軸傾角、Y軸傾角、回轉(zhuǎn)角度、重心、盤(pán)號(hào)、盤(pán)位深度等參數(shù)。

主界面最左側(cè)為標(biāo)尺。標(biāo)尺右側(cè)顯示孔深和鉆頭位置。當(dāng)前擠擴(kuò)壓力，擠擴(kuò)盤(pán)徑，單次進(jìn)尺，主卷上層鋼絲繩圈，收回壓力數(shù)值均顯示在刻度尺右側(cè)。擠擴(kuò)頭的張收，圖10中會(huì)顯示不同的形狀。界面右側(cè)顯示桅桿傾角以及不同盤(pán)號(hào)的擠擴(kuò)相關(guān)參數(shù)表格，表格內(nèi)容包括:盤(pán)位深度，擠擴(kuò)壓力，擠擴(kuò)盤(pán)徑。

4 DX施工工藝及方法

4．1 工藝流程

DX樁的施工工序比直孔灌注樁的施工工序多一道專(zhuān)利擠擴(kuò)工作(第二道工序)。正是因?yàn)檫@一擠擴(kuò)工序，DX樁與同樁徑和樁長(zhǎng)的等截面鉆孔灌注樁相比，承載力有較大幅度的提高，而提高部分的承載力主要由擴(kuò)徑體的端阻力提供。施工步驟如圖11所示。

4．2 旋擴(kuò)臂的運(yùn)動(dòng)軌跡

DX旋挖擠擴(kuò)裝置采用獨(dú)特的雙缸雙向液壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念。從圖12可以看出，設(shè)備的旋擴(kuò)臂從上下兩個(gè)方向同時(shí)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)旋擴(kuò)臂的頂點(diǎn)軌跡在同一個(gè)水平面上，保證了上下兩部分腔體的對(duì)稱(chēng)性。如圖12所示，豎向虛線代表孔壁，豎向?qū)嵕€代表旋擴(kuò)設(shè)備的邊界線。DX樁整個(gè)旋擴(kuò)過(guò)程中，旋擴(kuò)臂的運(yùn)動(dòng)軌跡包絡(luò)線是一條曲線，亦即成腔后承力盤(pán)與樁身的交界面為曲線漸變過(guò)渡，這樣可以防止應(yīng)力集中，對(duì)該處的受力是非常有利的。

圖11 DX樁的施工流程圖Fig．11 Flowchart of DX pile construction

圖12 旋擴(kuò)臂的運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig．12 Traces of the rotary extruding-expanding arm

旋擴(kuò)臂的打開(kāi)是一個(gè)近似的對(duì)數(shù)螺旋漸開(kāi)線，如圖13所示，旋擴(kuò)臂上的碾壓切刀始終壓在土體中，這樣確保了土體不會(huì)坍塌。碾壓切刀工作時(shí)所形成的包絡(luò)線是逐漸打開(kāi)的、上下對(duì)稱(chēng)的立體錐狀回轉(zhuǎn)體。

4．3 旋挖擠擴(kuò)裝置的類(lèi)型

目前該設(shè)備可根據(jù)土層選擇適合的切刀，采用切削碾壓或純切削的方式，這樣就大大提高旋擴(kuò)的質(zhì)量和效率。對(duì)于一般土體，通常采用碾壓旋擴(kuò)與切削碾壓旋擴(kuò)相結(jié)合的方式，擠擴(kuò)臂正向旋轉(zhuǎn)，切刀的刀口對(duì)土體進(jìn)行少量切削，同時(shí)切刀的外弧面對(duì)土體進(jìn)行碾壓;反轉(zhuǎn)時(shí)，切刀的外弧面對(duì)土體進(jìn)行碾壓旋擴(kuò)，不進(jìn)行切削。對(duì)于標(biāo)貫值N大于40的土體由于本身十分密實(shí)，則通常以切削旋擴(kuò)為主，見(jiàn)圖14。

圖13 旋擴(kuò)臂的打開(kāi)軌跡Fig．13 The trace of the rotary extruding-expanding arms while opening

圖14 不同土層適用的旋擴(kuò)方法Fig．14 Methods using in different soils

4．3．1 切削碾壓施工工藝

此工藝適用于粘性土、粉土、粉質(zhì)粘土和標(biāo)貫擊數(shù)N＜40的粉砂、砂土等土體。具體工作機(jī)理如下:

1)切削碾壓。當(dāng)碾壓切刀正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋擴(kuò)臂沿水平方向逐漸打開(kāi)，旋擴(kuò)臂上的碾壓切刀壓入土體后，刀口對(duì)土體進(jìn)行切削，如圖15所示;同時(shí)，由于在平面上碾壓切刀的外弧面高出刀口，因此在旋擴(kuò)臂旋轉(zhuǎn)時(shí)外弧面緊接著對(duì)土體進(jìn)行碾壓。

2)碾壓。當(dāng)旋擴(kuò)臂反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，碾壓切刀的外弧面對(duì)土體進(jìn)行碾壓，三對(duì)旋擴(kuò)臂上的碾壓切刀如同三對(duì)抹子，對(duì)土體進(jìn)行多次碾壓。尤其是在泥漿護(hù)壁成孔時(shí)，旋擴(kuò)臂把泥漿壓入砂層或土層，使砂層和土層形成較密實(shí)的保護(hù)層，腔體不易坍塌。

對(duì)于上述土層，合理選擇切削碾壓和碾壓的組合能達(dá)到更理想的效果。

4．3．2 切削工藝

當(dāng)需要擴(kuò)孔的土層為強(qiáng)風(fēng)化巖層、殘積土或密實(shí)的砂層(N63．5大于40擊)時(shí)，應(yīng)選擇旋轉(zhuǎn)切削方法。因?yàn)樯鲜鐾馏w密實(shí)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，要繼續(xù)對(duì)土體進(jìn)行擠壓就可能發(fā)生“剪脹”，反而削弱了土體強(qiáng)度。具體工作機(jī)理如下:

選擇外弧面最高點(diǎn)在刀口處的切刀，施工時(shí)切刀與土體的角度成銳角。正向旋轉(zhuǎn)只對(duì)土體進(jìn)行切削，反轉(zhuǎn)時(shí)可以對(duì)土體進(jìn)行碾壓(見(jiàn)圖16)。對(duì)于這些密實(shí)的土體，宜采用切削工藝。

5 結(jié)語(yǔ)

圖15 切削碾壓的施工俯視圖Fig．15 Top view of the cutting-rolling construction

圖16 切削施工俯視圖Fig．16 Top view of the cutting construction

綜上所述，DX樁技術(shù)通過(guò)十幾年來(lái)的理論研究、設(shè)備研發(fā)和工程實(shí)踐，該技術(shù)在全國(guó)各地得到廣泛的應(yīng)用，得到業(yè)界一致贊許，并相繼制定出天津、河北、山東、陜西、江蘇5省市的地方標(biāo)準(zhǔn)。2009年10月，中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布了DX樁《三岔雙向擠擴(kuò)灌注樁設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ171－2009)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)審定會(huì)專(zhuān)家認(rèn)為:“DX樁技術(shù)可靠、承載力高、質(zhì)量可控、節(jié)能環(huán)保、技術(shù)成熟，具有較高的科學(xué)性和突出的創(chuàng)新性，該標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平”。

隨著國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的頒布，將為今后更好的普及應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)奠定更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在當(dāng)前建筑業(yè)高速發(fā)展的今天，DX樁的廣泛應(yīng)用，為建筑安全、節(jié)能減排、節(jié)約材料、降低成本產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益，愿DX樁打下最堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為祖國(guó)和世界的建設(shè)作出重大的貢獻(xiàn)!

［1］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．

［2］沈保漢，賀德新，陳 輪，等．DX多節(jié)擠擴(kuò)灌注樁［J］．巖土工程界，2002，5(4):30 －35．

［3］沈保漢，賀德新，劉振亮，等．DX多節(jié)擠擴(kuò)樁的產(chǎn)生及特點(diǎn)［J］．工業(yè)建筑，2004，34(3):1 －4，8．