擴底鉆孔灌注樁技術的應用與研究
發布時間：2013-03-29 13:40:15
擴底鉆孔灌注樁技術的應用與研究
馮克巖 王江 崔夢環 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構最常用的基礎形式之一，不同用途和類型的樁型及相應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、改善樁基施工質量控制等，是橋梁結構工程師永遠追求的目標。本文主要針對擴底鉆孔灌注樁技術的應用與研究作重點介紹，就橋梁結構的鉆孔灌注樁設計及施工工藝等提出一些新的理念、方法，并進行總結與探討。
[關鍵詞] 擴底鉆孔灌注樁、試驗設計、擴底鏟斗、極限承載力
一、概述
隨著城市基礎設施建設的迅速發展，橋梁工程的規模和難度的逐漸加大為工程師提供了許多新的課題。在工程規模、工程投資和工程進度等諸多因素的制約下，橋梁的下部結構－樁基技術更新顯得尤為重要，不同用途和類型的樁型及相應的施工工藝不斷推陳出新，不論對樁基設計的有關理論概念或是基樁的功能、受力分析及使用上都產生了許多實質性的變化，值得從事基樁設計者作進一步研究探索。
樁基技術的發展有著悠久的歷史，國內應用鉆孔灌注樁作為橋梁的基礎樁起步于上世紀六十年代初期，至今其施工工藝和機具有了長足的發展，設計理念和應用方法也日臻完備，鉆孔灌注樁已成為橋梁結構中常用的一種基礎形式。
現在單樁設計承載力越來越大，達到了以萬“KN”計的水平，為了滿足承載力的要求，設計者不得不從諸如加大樁身截面、提高樁身混凝土強度、對持力層加固、尋求新的有效的樁型等途徑來著手，于是出現了各種系列的新型的改良樁系，如變截面樁、（夯、壓、爆、振）擴底樁等。
國內對擴底樁早有論述，但由于早期施工手段的限制，對于擴底樁一般采用爆擴或人工挖孔（挖孔樁）的方法。爆擴樁是指鉆機成孔，樁下端爆擴成擴大頭，但對樁底爆擴的范圍無法精確控制，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25.0米，樁孔內空間狹小，施工條件差，而且難以保障施工過程中的安全問題。在公路橋梁樁基礎設計、施工中這兩種方法很少被采用。
1984年日本開發研制成功擴底樁施工機具，實現擴底樁的機械化施工，樁長、樁徑均與普通鉆孔灌注樁相同，且樁端擴底的可視化能夠有效控制擴底尺寸與質量。該技術在日本國內的多項工程中得到應用，并在提高單樁承載力，降低造價方面取得了良好的效果。除日本外，該種擴底機具只銷往臺灣一部分。2000年，我國從日本引進了擴底樁機具，使得國內大規模土建工程采用擴底樁的可能變為現實，但因該技術尚未在國內建筑及橋梁工程中應用過，所以擴底樁的受力計算分析及其施工工藝均需要大量的研究工作。
二、擴底樁的計算分析
1．我國當前鉆孔灌注樁設計現狀
在我國的建筑、橋梁工程中，樁基承載力設計主要采用經驗公式法，即根據土的物理指標與承載力參數之間的經驗關系確定的計算公式，當然在具有條件的情況下，也可通過靜載試驗確定單樁的承載力。
我國現行的《建筑樁基技術規范》及《公路橋涵地基與基礎設計規范》等規范、標準中，對樁基的計算均有明確的規定，其基本公式如下：
建筑規范（JGJ94-94）： 橋涵規范(JTJ024-85)：
R＝Quk/γsp （5.2.2-2） 〔P〕＝1/2（ULτP+AσR）（4.3.2-1）
Quk＝μ∑ψsiqsiklsi +ψpqpkAp （5.2.9） 〔P〕——單樁容許承載力
R——單樁豎向承載力設計值 U——樁的周長
Quk——單樁豎向極限承載力標準值 L——樁的有效入土長度
μ——樁身周長 τP——樁側土的極限摩阻力
qsik——樁側第i層土的極限側阻力標準值 A——樁端面積
qpk——極限媏阻力標準值 σR——樁端地基極限承載力
ψsi、ψp——側阻、媏阻尺寸效應系數 2——安全系數
Ap——樁媏面積
lsi——樁側第i層土樁長
γsp——樁側阻媏阻綜合抗力分項系數（1.6～1.7）
從上述公式中可見，建筑與橋涵工程樁基的計算方法基本一致，只是樁端地基極限承載力的計算方法稍有不同，通過計算比較分析，其值的大小相差很小，所以我們認為，在樁基單樁承載力的計算上，我國建筑、橋涵規范中的要求是一致的，結果是一樣的。
在橋涵規范中，未對擴底樁作具體說明，但在建筑規范中對擴底樁提出了較簡單的要求：（公式未有變化）
1) 當持力層承載力低于樁身混凝土受壓承載力時，可采用擴底；擴底端直徑與樁身直徑比D/d，應根據承載力要求及擴底端部側面和樁端持力層土性確定，最大不超過3.0；
2) 擴底端側面的斜率應根據實際成孔及支護條件確定，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) 擴底端底面一般呈鍋底形，矢高hb取（0.10～0.15）D。
2．日本鉆孔灌注樁計算方法分析
我們詳細研究了日本道橋設計規范（日本道路學會），日本建筑設計規范（日本建筑學會），對于鉆孔灌注樁（單樁容許承載力）均按下述公式計算：
[P]= RU/γ
[P]——單樁容許承載力（kN）
γ——安全系數（日本建筑、鐵路、橋梁均規定為3）
RU——單樁極限承載力（kN）
對于RU的計算，日本的建筑、橋梁規范中有不同的要求與規定，具體公式如下：
日本建筑設計規范：
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（礫石層取1.0，細砂層等其它取0.85）
β——樁端面積修正系數β=1-0.3（D-1.5）/2.5，D（m）為樁端直徑）
N——樁端附近標準貫入次數的平均值（乘以100后為Kpa）
A——樁端面積（m）
NS——樁側砂質土層部分的標準貫入次數的平均值（不大于30Kpa）
LS——樁側砂質土層的厚度（m）
QU——樁側粘性土單軸壓縮強度的平均值（不大于200Kpa）
LC——樁側粘質土層的厚度（m）
U——樁的周長（m）
日本道橋設計規范：
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）
| 地基種類 | 樁端地基極限承載力（Kpa） |
| 砂礫層及砂層（N≥30） | 3000 |
| 良好的砂礫層（N≥50） | 5000 |
| 硬質粘性土層 | 3*qU |
qU：樁端粘性土單軸壓縮強度（Kpa），N：標準貫入試驗值
A——樁端面積（m）
NS——樁側砂質土層部分的標準貫入次數的平均值（不大于30Kpa）
LS——樁側砂質土層的厚度（m）
C——樁側粘性土的粘聚力（Kpa）
LC——樁側粘質土層的厚度（m）
U——樁的周長（m）
對上面的內容進行比較與分析發現，日本橋梁設計規范與我國建筑以及橋涵設計規范中規定的公式基本相同，均采用經驗公式的計算方法，只是在安全系數取用以及粘性土與砂土層的計算上略有不同點。需要說明的是，在日本橋梁工程的計算中，普通（等徑）與擴底鉆孔灌注樁均按上述公式計算，日本對擴底樁的研究、應用已近20年左右，因此設計及施工經驗十分豐富，對擴底鉆孔灌注樁規定了如下設計標準：
1）、樁尖進入持力層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）、擴底樁直徑小于4.1米；
4）、擴底部相對于樁軸的傾斜角（θ）為12°，底部的垂直高度（h）＞0.5米，擴孔率（η）＜3.13（見圖一）；
5）、樁尖以上0.1米為樁基承載力計算部位，擴底部分高度不計入樁側摩擦力計算；
圖 一
3．中、日兩國擴底鉆孔灌注樁算例計算與比較
我們分別采用日本建筑、道橋設計規范，中國橋涵設計規范中的計算公式，按照日本擴底鉆孔灌注樁的設計標準，根據上海某地質條件進行了樁長33米，3種樁徑（1.0、1.2、1.5米）的擴底鉆孔灌注樁進行計算比較如下：
| 樁徑（m） 選用規范及項目 | 樁軸 | 1.0 | 1.2 | 1.5 | |
| 樁底 | 1.581 | 1.897 | 2.372 | ||
| 日本道橋設計規范 （日本道路學會） | RU單樁極限承載力（KN） | 9746.3 | 13653.7 | 19723.3 | |
| RU/3單樁容許承載力（kN） | 3248.8 | 4551.2 | 6574.4 | ||
| 日本建筑設計規范 （日本建筑學會） | RU單樁極限承載力（KN） | 12018.5 | 16871.3 | 23725.9 | |
| RU/3單樁容許承載力（kN） | 4006.2 | 5623.8 | 7908.6 | ||
| 公路橋涵地基與基礎設計規范（JTJ 024-85） | 2〔P〕單樁極限承載力（KN） | 7713.4 | 10205.6 | 13666.0 | |
| 〔P〕單樁容許承載力（kN） | 3856.7 | 5102.8 | 6833.0 | ||
由以上的比較計算可以看出，對于單樁承載力的數值，“日本道橋設計規范”與“日本建筑設計規范”存在著明顯差別（“日本建筑設計規范”值/“日本道橋設計規范”值＝1.20～1.24），而我們國內所采用的“橋涵地基與基礎設計規范”對單樁承載力的計算值介于上述兩者之間（我國“橋涵地基與基礎設計規范”值/“日本道橋設計規范”值＝1.04～1.19）。由以上的計算可知，我們所采用的樁基計算與日本國內的計算基本一致，當然，這與具體的地質條件有著密切的關系，遇到具體問題還應具體分析。
4．采用我國橋涵設計規范公式對擴底樁、等徑樁的比較計算
1）參數選取：
針對我市地質情況，根據某工程的實際地質勘察報告為依據進行計算。原工程采用φ1.2米鉆孔灌注樁，工程所在地地面標高2.0米，樁尖持力層在第Ⅳ陸相層（Q3Cal）中的亞砂土層，層底標高-38.92～-42.35之間，樁長選用40.0米。
| 樁徑 | D(m） | 1.2 |
| 樁側土平均極限摩阻力 | τP（kPa） | 40.0 |
| 樁尖處土的容許承載力 | 〔σ0〕（kPa） | 170.0 |
| 樁尖的埋置深度 | H（m） | 40.0 |
| 容許承載力深度修正系數 | k2 | 2.5 |
| 樁尖以上土容重 | γ2（kN/m3） | 19.5 |
| 修正系數 | λ | 0.85 |
| 清底系數 | m0 | 0.7 |
2）等徑樁的計算：
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）擴底樁計算：
擴底率選用2.5（＜3.13），樁底有效直徑1.897米，擴底部分高度2.377米（不考慮此部分樁軸摩擦反力），經計算：
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）計算結果比較
選取上述計算參數，又對橋梁工程常用1.0、1.8米兩種不同樁徑的樁基結構進行計算，匯總為如下結果：
對于樁軸直徑、樁長均相同的等徑樁與擴底樁單樁容許軸向承載力比較
| 樁徑（m） | 1.0 | 1.2 | 1.8 |
| 等徑樁單樁容許承載力（kPa） | 3433.9 | 4341.9 | 7227.4 |
| 擴底樁單樁容許承載力（kPa） | 4684.6 | 6154.1 | 10924.7 |
| 承載力提高比例（％） | 36.4 | 41.7 | 51.2 |
若達到相同單樁容許軸向承載力，等徑樁與擴底樁混凝土用量比較
| 等徑樁樁徑（m） | 1.0 | 1.2 | 1.8 |
| 擴底樁樁徑（m） | 0.8 | 1.0 | 1.4 |
| 等徑樁單樁容許承載力（kPa） | 3433.9 | 4341.9 | 7227.4 |
| 擴底樁單樁容許承載力（kPa） | 3392.7 | 4684.6 | 7375.9 |
| 等徑樁混凝土用量（m3） | 31.4 | 45.2 | 101.7 |
| 擴底樁混凝土用量（m3） | 21.0 | 32.9 | 65.1 |
| 混凝土節約比例（％） | 33.2 | 27.2 | 36.0 |
5）樁基礎沉降計算：
為能夠說明問題，比較能提供相同承載力的等徑樁與擴底樁的沉降量。即對等徑樁樁徑為1.2米，擴底樁樁軸直徑為1.0米，擴底部分有效直徑為1.897米，樁長均為40.0米的單樁計算沉降量。
樁頂受軸向力所產生的軸向位移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）〕
等徑樁與擴底樁沉降比較 表四
| 類型 | 樁徑（m） | 樁長（m） | 容許承載力（KN） | 沉降量（mm） |
| 等徑樁 | 1.2 | 40 | 4341.9 | 2.83 |
| 擴底樁 | 1 | 40 | 4684.6 | 3.98 |
三、擴底樁施工設備及施工工藝
1、施工設備
施工機具為EB6200旋挖鉆機，EB系列旋挖鉆機是日本生產的新型鉆孔樁施工機械，由履帶式走行機構、全液壓驅動、智能控制系統組成，可在各種不同的土層、泥巖、凍土層及砂巖、軟質巖石等地層進行鉆孔作業，以掘削力大、對硬質地層擴孔能力強著稱。
該施工設備裝有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，這些擴底鏟斗決定著樁端的最大擴底率。
2、施工工藝
鉆孔擴底樁與傳統鉆孔灌注樁的施工基本相同，主要區別在灌注樁成孔階段，在鉆至樁軸深度后，擴底樁需要通過擴底回轉鏟斗擴大孔翼，達到樁擴底的目的。擴孔流程如下：
1）、等徑工序完成后調換成擴底鉆斗。
2）、向擴孔施工管理中心裝置輸入擴孔的必要設計數據。
3）、調整擴孔鉆筒張開、閉合狀態與施工管理中心裝置的誤差。
4）、進行擴孔工作，控制每次擴孔量，循環重復提升鉆筒，加注穩定液，在擴孔過程中，鉆筒每次擴孔深度、大小均在施工管理裝置中直接反應，綠色代表設計值，紅色代表每次擴孔量，待綠色全部被紅色填充時擴孔完成。
擴底樁非同一般的摩擦樁，對沉渣要求特別嚴格，故在鋼筋籠下放完成后必須進行二次清孔，二次清孔利用鉆機配套的循環泵進行清孔，循環泵應在井口以上，導管下到孔底，導管上口連接循環泵，或者井壁兩側加間隔管以間隔管清孔，利用反循環原理進行孔底清渣和孔內泥漿置換，清孔時間根據沉渣厚度進行控制，清孔過程中應不斷沿孔壁四周運動，以達到清孔干凈的目的。
四、結束語
通過以上計算及分析，我國現行規范中的樁基計算公式可以對擴底樁進行計算，但是還需要細致、可靠的試驗驗證。擴底樁施工工序與常規的旋挖鉆機施工基本一致，可控性較強，具有如下特點：
1、因擴底樁樁軸直徑小，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、樁長的縮短，使樁基自身重量減少，從而降低樁基結構所需承受的荷載，減少下部結構混凝土、鋼筋用量；
3、有效提高了單樁承載能力，充分發揮鉆孔灌注樁的作用；
4、樁端擴底由傳感設備可視化控制，其施工質量具有更加可靠的保證，提高了隱蔽工程可靠性和結構的耐久性；
5、合理地降低工程造價，相應減少了樁的數量、加快工程建設周期。
綜上所述，擴底樁技術從提高樁基質量、承載力到節省造價等方面，都具有巨大的發展潛力。
主 要參 考 文 獻
段新勝等，樁基工程（第三版），中國地質大學出版社，1994
盧世深等，橋梁鉆孔樁試驗，人民交通出版社，1980
林天健等，樁基礎設計指南，中國建筑工業出版社，1999
孫清林等，大直徑擴底鉆孔灌注樁技術的應用，2004