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1、挤扩支盘灌注桩在交通土建工程中的应用梁彦伟 摘要：挤扩支盘灌注桩是在钻孔灌注桩的基础上，可以充分利用已知地层条件，沿桩身在承载力相对较好的地层，通过专用设备向外挤压土体，设置多个承力盘，改变原有摩擦桩的受力机理，显著提高单桩承载力，从而减小桩径，缩短桩长, 减少桩体沉降量。交通土建桩基础建设中推广使用这种技术，可充分发挥其承载力高，沉降小的优点，减小桩身截面和长度，将有效的缩短工期减少材料消耗，有很高的经济效益和社会效益。关键词：挤扩支盘桩 桥梁基础 地铁抗拔桩 1.前言挤扩支盘灌注桩是在等截面钻孔桩基础上发展起来的一种新桩型。采用挤扩成型的方法在桩身设置一个或多个分支和承力盘的灌注桩。亦称“
2、多级扩盘桩”、“多支盘钻孔灌注桩”、“挤扩多支盘DX灌注桩”、“DX桩”和“支盘桩”等等，这种桩通过分承力盘改变了原有摩擦桩的受力机理，能够显著提高单桩承载力，从而减小桩径，缩短桩长，可以有效地缩短工期，减少材料消耗。本人结合交通工程实践，认真研究了这种桩在公路桥梁工程中的应用技术。特别在公司2008年在古冶外环的跨铁路桥进行了挤扩支盘灌注桩的静载试验，2009年在宁波绕城高速公路中进行了大面积推广应用，取得了很好的效果。2.技术发展与基本原理2.1技术发展挤扩支盘桩的雏形源自20世纪50年代后期，印度开始在膨胀土中采用的多节扩孔桩。20世纪60和70年代，印度、英国及前苏联在黑棉土、黄土、亚
3、粘土、粘土和砂土中采用多节扩孔桩的经验已表明，多节扩孔桩和直桩相比，承载力大大提高，沉降小，技术经济效果显著。20世纪70年代末在北京出现后，经过30年的探索和研究，在建筑工程中得到了广泛的应用。近年来随着装备制造业的发展，扩孔设备有了很大的进步，在桥梁桩基础中进行了探索应用，并取得了很好的效果，有很大的推广价值。2.2基本原理挤扩支盘灌注桩是在钻（冲）孔后，向孔内下入专用的液压挤扩成型机，通过地面液压站控制该机弓压臂的扩张和收缩，按承载力要求和地层土质条件，在桩身不同部位挤压出扩大支腔或近似圆锥盘状的扩大头腔后，放入钢筋笼，灌注混凝土，形成由桩身、分支、分承力盘和桩根共同承载的桩型。挤扩支盘
4、灌注桩的组成见图1挤扩支盘灌注桩根据土层分部特性，将多个分承力盘或分支设置在不同深度的承载力较高的土层中，形成多层端阻及多段侧阻的共同作用，改变了传统摩擦桩的受力模式。部分荷载通过分承力盘以类似端承桩的模式传递到承载力较好土层，充分利用了土体自身的承载性能，减少了桩端荷载，扩大了承力面积，从而大幅度提高承载力。由于是挤压成型，对腔体的土体进行了挤密作用，提高了土体的内摩擦角和压缩模量，其物理力学性能必然优于原状土。由于承力盘周边土体预先受到压密，类似于“预应力”作用，减少了土体承载后的压缩量，使得土体的竖向承载力和抗拔力大幅度提高，减小了桩体的沉降。另外，在挤扩过程中，依据挤扩压力值验证土层的
5、承载力，当设计挤扩的位置土层承载力不能满足设计要求时，可及时进行调整，达到动态控制。3.工程应用3.1成型设备夯击式挤扩支盘成型机是正式实现支盘桩挤扩技术的最初形式。随着液压式挤扩支盘成型机的出现，工作效率和施工水平都有了实质性的提高。液压式挤扩支盘成型机主要由液压站和成型主机两大部分组成。目前国内挤扩支盘灌注桩成型设备主要有两弓臂和三弓臂两种类型（见图2）。目前两弓臂的YZJ液压挤扩支盘成型机最大挤扩直径可达3m，三弓臂的DX挤扩成型机最大挤压直径可达2.5m。3.2施工工艺由于挤扩支盘灌注桩是在钻孔灌注桩的基础上衍生而成的一种新桩型，所以其施工工序与钻孔灌注桩基本相同，只是在钻孔灌注桩施工
6、工艺中增加了一道“挤扩支、盘”的工序。见图3、4、5 图2 挤扩支盘成型设备主机图图3盘腔成型示意图图4 挤扩支盘灌注桩施工工艺示意图图5挤扩支盘灌注桩施工工艺流程图施工中挤扩支盘灌注桩的质量控制要求除满足普通灌注桩外，还应有以下要求：（1）支盘挤扩成型的首次压力值。支盘机最初张开需要最大压力，该压力预估值应由勘察报告的土层情况、施工人员的经验和试桩成孔的数据综合确定。要求：实际挤扩压力值0.8预估压力值。（2）挤扩成支盘过程中泥浆的体积下降，一定程度上反映成支盘的质量与体积，要求泥浆面有明显下降。挤扩成盘后，应及时补充泥浆并维持水头压力。（3）盘体直径是保证成盘质量的一个重要指标，可使用井径
7、仪进行检查，要求不小于设计直径的1/15。（4）成盘时如遇地质条件变化，应进行盘位调整。（5）支盘挤扩结束后，要立即投放钢筋笼、二次清孔、灌注混凝土，不得中途停顿，防止塌孔。4.应用实例4.1古冶外环线跨铁路立交桥唐山市古冶区外环（南环）路工程新建上跨林范铁路分离式立交桥工程，桥长113.08m，跨度布置为（335m）预应力混凝土小箱梁结构（36片梁），道路等级为一级公路。挤扩支盘灌注桩支盘的布置和地质情况见图6。静载试验结果见表1和图7。图6地质情况剖面及支盘布置图通过静载试验，挤扩支盘灌注桩承载力明显优于钻孔灌注桩，沉降也较小。4.2宁波绕城高速公路立交桥宁波市绕城高速公路东段东钱湖互通和
8、五乡互通工程区域地形较平缓，属滨海淤积平原区，上部为第四系亚粘土、淤泥、淤泥质亚粘土等，厚度在20-38m左右，高含水量，高压缩性，工程力学性质差；中部亚粘土、砂砾石层，中-低压缩性，工程力学性质较好；下伏基岩为白垩统金华组(K2J)粉砂岩、砂砾岩、砂岩，上侏罗统西山头组(J3X)凝灰岩、晶屑凝灰岩等；该区域工程地质性质较好，承载力较高。桥梁桩基础为1500/1200、1200/1000桩身变直径挤扩支盘灌注桩，总桩数为270根，其中1200/1000桩身变直径挤扩支盘灌注桩202根，1500/1200桩身变直径挤扩支盘灌注桩68根。桩身设置24个分承力盘，1500桩径在桩顶以下15m处变为1
9、200桩径的桩型,分承力盘直径采用2.5m,盘间距6m; 1200桩径在桩顶以下15m处变为1000桩径的桩型，分承力盘直径采用1.9m，盘间距5米。该工程通过设置分承力盘和改变桩身直径，比钻孔灌注桩方案节约了大量混凝土和钢筋用量。4.3河北唐曹高速公路南堡盐场特大桥唐曹公路南堡盐场特大桥全长3.5km，是唐山至曹妃甸高速公路的重要桥梁，该桥地形、地貌以沼泽、洼地为主，地势较为平坦，地层主要为软土、软弱土、淤泥质土、亚粘土和粉细砂组成，地下水埋深较浅。根据现场静载试验，满足1根挤扩支盘灌注桩替代2根钻孔灌注桩的设计要求，经专家组论证后，在55号59号桥墩的桩基施工中使用了挤扩支盘灌注桩（三弓臂
10、DX成型机施工），仅此就比原设计节约工程造价130多万元，减少混凝土使用量2800m，施工时间缩短12天，取得良好的经济效益和社会效益。4.4广大高速滹沱河分洪特大桥广大高速河北段滹沱河特大桥位于河北省饶阳县境内，桥长2647m，上部结构采用88-30m先简支后连续后张法预应力T梁结构，下部结构采用柱式墩、肋板桥台，桩基础。进行了挤扩支盘灌注桩（三弓臂DX成型机施工）和钻孔灌注桩的对比静载试验，两种桩型各试验2根，静载试验显示，挤扩支盘灌注桩的沉降远小于钻孔灌注桩，极限承载力要大很多。在位移为10mm时，挤扩支盘灌注桩的承载力是同为1.5m直径钻孔灌注桩的2倍。4.5北京地铁奥运支线工程北京地
11、铁奥运支线奥林匹克公园站为采用明挖法施工的地下车站,全长为228.2m。结构中间标准断面宽24.7m，为两层三跨框架结构，设置118根挤扩支盘灌注桩。每根桩长L=24.5m，桩身直径d=850mm，分承力盘直径D=1 900mm。森林公园站南北横跨辛店村路，车站总长219.3m，采用明挖法施工。南北两侧设置78根挤扩支盘灌注桩。桩长L=28.0m，桩身直径d=850mm，分承力盘直径D=1 900mm。本工程中，挤扩支盘灌注桩是作为抗拔桩应用于北京地铁，比配重方案节约大量钢筋混凝土，工程成本大大降低，工期缩短，节约投资，满足了结构的抗浮要求。5.技术总结与发展前景5.1技术总结挤扩支盘灌注桩在
12、公路桥梁基础，显示其承载力高，沉降小的特点。在荷载相同的情况下,可比钻孔灌注桩缩短桩长、减小桩径或者减少桩数,乃至减小承台尺寸,因此能节省投资、缩短工期、减少材料消耗节和能源消耗。支盘桩比直桩方案可减少混凝土使用量约3050%，钢材使用量减少约10%20%，缩短工期约1530%。沉降量比直桩有大幅度减小，约为直桩的30%左右。地铁抗拔桩中的成功应用，显示其在抗拔方面的优越性，抗拔支盘桩的使用既能大幅度减小结构抗浮配重，又能提供稳定的双向承载力，在地下水位变化较大的地区，是可靠的解决方案。5.2发展前景在高速公路、高速铁路、城市道路和城市轨道交通的建设过程中，特别在经济发达的沿海和平原地区，有大
13、量的摩擦桩基础和地铁深基坑抗拔桩的施工，挤扩支盘灌注桩的推广将为国家节约投资、节约材料消耗和节能减排，具有很好的经济效益和社会效益，有很大的推广价值。另外，充分利用挤扩支盘灌注桩在沉降方面的特性，采用小直径支盘桩渐变过渡段来解决软基地区桥头差异沉降产生的桥头跳车问题，和直接应用与软基处理方面也有很大的利用空间，正在进行进一步的探索和研究。参考文献：1 史佩栋,高大钊,桂业琨等.桩基工程手册 M.北京:人民交通出版社,2008.2 沈保汉,桩基与深基坑支护技术进展M北京:知识产权出版社, 2006.3 辛红芳,挤扩支盘灌注桩在地铁工程中的应用J,施工技术,2008( s02).4 张德华,王梦恕,DX挤扩灌注桩技术在铁路桥梁工程中的应用J,中国工程科学,2009(07).5 CECS1922005挤扩支盘灌注桩技术规程S北京:中国建筑工业出版社, 2005. 12 / 12