擠擴支盤灌注樁技術的應用研究

朱紹奇

（宿遷學院建筑工程學院，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

擠擴支盤灌注樁成樁技術與直型樁的不同點在于增加了支盤擠擴工藝，即依托專用的擠擴設備，在樁身不同的設計部位，擠擴成分岔或承力盤腔以增大樁體端承面，提高樁側土體密實度。擠擴支盤灌注樁在抗壓、抗拔、抗水平荷載及有效降低基樁沉降量方面均有良好的表現(xiàn)，在同等荷載下與直型樁相比可減少樁長與樁徑，減少樁數(shù)，乃至減少樁承臺厚度，從而節(jié)省原材料30%～60%，降低造價20%～30%。20世紀50年代印度開始在膨脹土中采用多節(jié)擴孔樁，隨后英國及前蘇聯(lián)等在黃土、黏土、亞黏土及砂土中使用多節(jié)擴孔樁。我國20世紀70年代于北京開始試用，1979年北京建筑機械研究所研制出集擠擴、打孔和清除虛土為一體的ZKY-100型擴孔器，至90年代張俊生率先在樁基工程中研究了擠擴工藝的運用。1998年賀德新研制出多功能液壓擠擴裝置，獲中國和美國的發(fā)明專利授權，故擠擴支盤樁也被業(yè)界稱為“DX”樁?；跀D擴支盤樁良好的特性，在工程實踐中不僅被廣泛應用于房屋建筑、一般工業(yè)建筑的樁基礎，也可作為電廠、機場、公路、港口、橋涵及石油化工等設施的樁基礎，如天津市塘沽區(qū)金寶大廈、北京奧林匹克公園地鐵站、國華黃曄電廠、京能官廳風電場、沿海高速公路樂亭段跨線橋工程、潮汕環(huán)線高速公路及中石油江蘇液化天然氣儲罐樁基工程等。

相較于直型樁而言，擠擴支盤灌注樁具有受力良好及沉降量小的特性，在工程中也得到了較廣泛的實踐應用?，F(xiàn)結合有關文獻理論研究分析及工程實踐經(jīng)驗的總結，就擠擴支盤灌注樁的構造、設計、施工等方面予以研究，提出相關建議或要求，以期為擠擴支盤灌注樁的后續(xù)理論研究與創(chuàng)新實踐提供借鑒參考。

1 擠擴支盤灌注樁的構造及設計

1.1 擠擴支盤灌注樁的構造

擠擴支盤灌注樁由樁身、承力盤（岔）、樁根及其樁周擠密土層四個部分組成（圖1）。在豎向荷載作用下，基于支盤的端承特性主要取決于端承面積及持力層的抗剪強度，支盤形狀對支盤樁的沉降變形影響不明顯，所以工程實踐已逐漸將分岔淘汰，僅選擇承載力更大的承力盤，而從節(jié)約材料及減少工程造價考慮，建議承力盤形狀采用菱形。

承力盤的總盤端阻力是擠擴支盤樁極限承載力的重要組成部分，其直徑、形狀、位置、數(shù)量等設置應綜合考慮地質條件、上部結構類型、建筑使用功能與荷載特征以及施工條件與環(huán)境等因素。工程實踐表明，在對可塑-硬塑性黏性土層、稍密-密室性粉土和砂土層、中密-密實性卵礫石層及殘積土層、全風化巖或強風化巖均可作為承力盤持力層，而淤泥、淤泥質土、松散性砂土、可液化土層、濕陷性黃土、膨脹土及遇水喪失承載力的強風化巖層均不得作為持力層，并且該持力層厚度一般不宜小于3倍樁徑。當然抗拔擠擴支盤灌注樁由于其受力特性，承力盤應設置在持力層的下部。支盤發(fā)揮作用有時間效應和位置效應，特別是第一個支盤的位置顯得非常重要，設計中優(yōu)先考慮設置在較好的土層，且與其他支盤保持合適的支盤間距[1]，埋設深度越淺，原位地應力越小，支盤的承載能力被削弱，支盤樁承載力也隨之降低，所以建議在樁的中下部開始布設首個承力盤。樁基承載力隨支盤位置向下移動而逐漸提高，但是當支盤距樁底部小于1/3樁長時，支盤位置下移對樁基承載力影響不顯著[2]，同時為保證擠擴過程中承力盤腔的完整性，樁根長度不宜小于2.0倍樁徑。為避免相鄰樁間的承力盤產(chǎn)生應力作用的重疊，根據(jù)實踐經(jīng)驗，持力層為砂土時承力盤的豎向中心距不宜小于2.5倍承力盤盤徑，粉質黏土時不宜小于2.0倍承力盤盤徑。在盤間距、盤數(shù)量等條件一定的情況下，盤徑越大，單樁豎向承載力越大，沉降量越小[3]；當支盤半徑在2.5～3.0m區(qū)間變化時，樁頂沉降變形量減少緩慢[2]，這說明支盤半徑大于2.5m時，對提高樁基極限承載力影響不大，同時過大的支盤半徑也會提高造價、加大施工難度，再加之隨著支盤的埋深可適當減少支盤半徑，所以工程實踐應用中存在最優(yōu)的支盤直徑。

1.2 擠擴支盤灌注樁的設計

作為最近20年發(fā)展起來的新樁型，理論及實踐的積累相對欠缺，根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB 50007-2011）和《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ 94-2008）要求，為獲得可靠、準確的設計施工參數(shù)，施工前應進行單樁豎向抗壓靜載試驗，尤其是設計等級高且缺乏地區(qū)經(jīng)驗的工程。擠擴支盤灌注樁的單樁豎向抗壓承載力特征值的計算建議采用現(xiàn)行行業(yè)標準《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ 94-2008）第5.2.2條。在初步設計時，對擠擴支盤灌注樁的單樁豎向抗壓極限承載力標準值估算，應包含單樁總極限側阻力標準值、單樁總極限岔端阻力標準值、單樁總極限盤端阻力標準值和單樁總極限樁端阻力標準值等四個方面?；跀D擴支盤灌注樁的多段變截面，其沉降機理較復雜，至今尚無理論嚴密且簡便易行的計算方法，就目前理論研究及實踐積累證明，在同等荷載及地質條件下，其沉降小于等截面灌注樁的沉降，如直接按照現(xiàn)行《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ 94-2008）來計算擠擴支盤灌注樁的沉降是偏保守的，采用工程實踐經(jīng)驗予以修正很有必要，后續(xù)對經(jīng)驗修正系數(shù)的確定，是工程理論研究及實踐人員努力的方向。

2 擠擴支盤灌注樁的施工

2.1 擠擴支盤灌注樁的施工設備

（1）成孔設備：成孔設備可以采用傳統(tǒng)混凝土灌注的成孔設備，主要有沖擊鉆機、沖擊抓、旋挖機、螺旋鉆機、潛水鉆機等。

（2）支盤擠擴設備：承力盤的總盤端阻力是擠擴支盤灌注樁極限承載力的重要組成部分，因此擠擴支盤的成型質量是擠擴支盤灌注樁施工質量的關鍵，最初使用夯擴式支盤成型機，隨著液壓式擠擴支盤成型機的出現(xiàn)，施工工效與質量都有很大提高。目前使用較廣泛的有三岔雙缸雙向液壓擠擴成型機（圖2），它是通過液壓動力推動與雙向油缸相連接的內外活塞桿位移，帶動三對等長擠擴臂將支盤部位的土體擠擴成承力岔腔或盤腔，具有盤（岔）腔成型質量好，成型機能與樁孔軸心準確對中的特點。

圖2 擠擴裝置

（3）其他輔助施工設備：主要有起重設備、地面液壓站、承力盤直徑檢測器、刻度盤、接長桿等。通過起重設備的升降來主動調節(jié)擠擴設備的入孔深度；地面液壓站除提供液壓動力之外，其壓力表指示數(shù)可以只管準確地顯示首次擠擴壓力，從而反映該處地層的軟硬程度；承力盤直徑檢測器是承力盤徑專用檢測裝置，操作方便，測試精度高于井徑儀和超聲波孔壁測定儀等；刻度盤主要用于控制支盤擠擴設備的旋轉角度。

隨著大盤徑施工需求的增加、施工工效及精度的提高，未來擠擴支盤灌注樁的施工設備應該朝機械操控智能化、動力輸出超強化、集成設備成套化方向發(fā)展。

2.2 擠擴支盤灌注樁施工工藝及控制要點

擠擴支盤灌注樁的成孔工藝主要有：泥漿護壁成孔、干作業(yè)成孔、水泥注漿護壁成孔及重錘搗擴成孔工藝。其施工工藝流程相較普通鉆孔灌注樁復雜一些，主要增加了擠擴支盤的成盤及成盤質量控制、檢測等工序，具體的施工工藝流程見圖3。

圖3 擠擴支盤樁施工工藝

施工前應根據(jù)土層選用不同的擠擴預估壓力值與擠擴設備，根據(jù)地質勘查報告土層情況、施工經(jīng)驗等預估擠擴最大壓力值并進行試擠擴成孔，了解各土層的擠擴壓力值變化，檢驗承力盤腔的成型情況，并詳細做好記錄，作為施工控制的依據(jù)。擠擴過程中實際擠擴壓力值應大于0.8倍預估壓力值，如發(fā)現(xiàn)土層實際力學參數(shù)與地質勘察報告不符或有異常情況，應及時與設計、監(jiān)理工程師反饋。擠擴過程中應防止油缸面積小導致擠擴壓力不足，弓臂寬度小導致刺入盤腔土體而不是擠密壓實；還應注意泥漿的體積要有明顯下降，這一定程度上反映成盤的質量和體積，成盤后使用盤徑檢測儀對盤體直徑這一主要指標進行檢測，確保最終盤徑不小于96%的設計盤徑。為防止擠擴過程中出現(xiàn)塌孔，泥漿應高出地下水位1m以上，泥漿比重一般控制在1.05～1.25，當穿過易塌孔土層時控制在1.20～1.35。二次清孔應采用反循環(huán)泵吸方式清孔，確?？椎壮猎穸龋?00mm，樁孔垂直度控制在1%樁長范圍內[4]。澆筑混凝土前泥漿比重應控制在1.10～1.15，黏度為18～22s[5]。

2.3 擠擴支盤灌注樁的質量檢查

擠擴支盤灌注樁的樁身和承力盤的質量及孔底沉渣厚度與基樁承載力密切相關，除對基樁承載力和樁身完整性進行抽樣檢驗外，施工質量檢查還應包括成孔、清孔、成腔、鋼筋籠制作及混凝土灌注5個主要工序，尤其是承力盤的質量，涉及承力盤的直徑、標高、間距、旋轉角度、擠擴次數(shù)及首次擠擴壓力值等參數(shù)和內容。工程樁豎向抗壓承載力檢測應符合《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ 94-2008）及《建筑樁基檢測技術規(guī)范》（JGJ 106-2014）有關規(guī)定；樁身完整性檢測主要采用超聲波檢測，承力盤采用取芯的方法檢測，支盤樁全樁身采用跨孔超聲波、熱異常檢測的方法。

3 結束語

相較于直型樁，擠擴支灌注盤樁具有良好的受力特性及較小的沉降變形，但是作為一種相對新型的樁型，理論研究與實踐經(jīng)驗積累滯后于工程應用需求，在設計計算和構造要求方面還沒形成統(tǒng)一的國家或行業(yè)標準。因此，在后續(xù)的工程實踐中，應重點關注以下問題：

（1）目前關于擠擴支盤樁的承載力計算與沉降變形的研究，有些是基于經(jīng)驗公式通過修正系數(shù)予以修正，所以該修正系數(shù)的確定是工程研究與實踐人員的一個努力方向；

（2）支盤的直徑、位置、數(shù)量、間距、形狀等構造要求大多也是基于數(shù)值模擬或經(jīng)驗積累的建議，尚無統(tǒng)一的行業(yè)標準。

擠擴支盤的端承阻力是擠擴支盤灌注樁承載力的重要組成部分，擠擴設備是擠擴盤腔成型質量的關鍵，未來要朝機械操控智能化、動力輸出超強化、集成設備成套化方向發(fā)展。同時樁身質量及孔底沉渣厚度也與基樁承載力密切相關，所以在施工過程中還應做好施工質量控制及檢查工作。