陳 飛，陳立宏

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，武漢 430010;2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

1 前言

DX樁由主樁和多個承力盤組成。承力盤是通過專用的DX旋挖擠擴設(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。在旋挖擠擴過程中，三岔的旋挖擠擴臂隨設(shè)備轉(zhuǎn)動緩慢張開，運動軌跡成螺旋線型。整個運動過程中，3個擠擴臂能始終托住盤腔土體，保證盤腔的完整性[1，2]。對于DX樁的承載機理已經(jīng)有不少學者進行了研究。魏章和、周青春等通過現(xiàn)場靜載試驗對DX樁的承載力以及荷載傳遞特點進行了研究[3，4];陳輪等通過大比例尺的現(xiàn)場模型DX樁靜荷載試驗對DX樁的承載力機理和荷載傳遞規(guī)律進行了詳細的研究[5，6]，同時還對DX樁的抗拔承載力機理進行了研究[7];沈保漢對DX樁的承載機制和影響承載力的各個因素進行了廣泛的研究[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，同時擠擴時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)等多個領(lǐng)域，工程效益和經(jīng)濟效益良好。2009年建設(shè)部發(fā)布了《三岔雙向擠擴灌注樁設(shè)計規(guī)程》JGJ 171-2009[12]，提出了 DX樁的設(shè)計計算方法，但在鐵路橋梁和公路橋梁設(shè)計規(guī)范中對于樁端承載力的計算有很大的不同。由于DX樁承力盤承擔較大的荷載，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)計規(guī)范》[13]這兩個規(guī)范中單樁豎向抗壓承載力的計算方法，并依據(jù)已有詳細資料的18個工程實例，對DX樁在鐵路工程中的設(shè)計方法進行研究。

2 兩種規(guī)范中的設(shè)計方法比較

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

當進行初步設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)土的物理指標與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系確定單樁豎向抗壓極限承載力標準值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]。從上述的計算公式來看，承載力公式中的第一項為樁身側(cè)摩阻力，第二項為樁端地基土的允許承載力。這個公式是將荷載、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，這種設(shè)計方法叫做“定值設(shè)計法”。因為樁基礎(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)的沉降控制很嚴格，所以《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》繼續(xù)沿用以前的“定值設(shè)計法”，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算公式，只有端阻的計算公式，而且對于灌注樁的端阻、鐵路規(guī)范與建筑規(guī)范的設(shè)計方法也不同。針對DX多節(jié)擠擴灌注樁，單樁豎向抗壓承載力可按照下面3種方法來進行計算:

1)按照《三岔雙向擠擴灌注樁設(shè)計規(guī)程》JGJ 171-2009的規(guī)定進行計算，即

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

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

式(6)～式(8)中的參數(shù)均與前述公式一致。

3 結(jié)合工程實例進行計算方法的研究

為了對比分析各種方法，對18個有詳細準確資料的工程實例采用如上所述3種方法分別進行計算，并與實測的單樁極限承載力進行對比分析，求出計算值與實測值之間的比值，以確定各種計算方法的誤差。

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

3.1 試樁時達到極限承載力

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

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

表2 計算結(jié)果(試樁時達到極限承載力)Table 2 Calculated results(reached the ultimate bearing capacity)

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

3.2 試樁時未達到極限承載力

對于那些試樁時未達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，其計算結(jié)果見表4。計算值與實測值比值的統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。

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

表4 計算結(jié)果(試樁時未達到極限承載力)Table 4 Calculated results(not reached the ultimate bearing capacity)

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

3.3 結(jié)果分析

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

4 結(jié)語

上述18個工程實例的計算分析表明，在鐵路工程中進行DX樁設(shè)計時，考慮到鐵路工程中對樁身長、樁基礎(chǔ)沉降量有嚴格控制，在計算樁端阻力時采用現(xiàn)行的鐵路規(guī)范中的計算公式更為合理，因此DX多節(jié)擠擴灌注樁在鐵路工程中按照方法3來進行設(shè)計更為符合實際情況。

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