y形-異形沉管灌注樁的試驗(yàn)

Y形—異形沉管灌注樁的試驗(yàn)研究本文在傳統(tǒng)工藝沉管灌注樁的基礎(chǔ)上對(duì)樁模進(jìn)行變革，形成了系列異形樁，并對(duì)其中的Y形樁深入探討，結(jié)論是在等工程量的前提下可大幅提高樁基承載能力，同時(shí)對(duì)其它異形灌注樁也作了簡(jiǎn)介．1引言振動(dòng)沉管灌注樁由于其施工快捷、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，深受工程界歡迎，主要應(yīng)用于軟土地層中小型工程的樁基及圍護(hù)．這項(xiàng)技術(shù)自70年代引入我國(guó)后得到了蓬勃發(fā)展，迄今建成建筑面積已逾數(shù)億平米，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益．但由于它是非置換型樁，固有的擠土效應(yīng)限制了樁徑過(guò)于擴(kuò)大（目前多在φ500mm以下）；而樁長(zhǎng)亦受到樁架高度的限制（目前多在40m以下）．因而單樁承載力已臻極致．要增加單樁承載力，只有通過(guò)兩條途徑：一是增加端承力；二是增加側(cè)摩力．增加端承力的措施，多采取附加工藝，如夯擴(kuò)、爆擴(kuò)、旋擴(kuò)、支盤(pán)擠擴(kuò)以及樁底注漿等［1］，這些都能收得一定效果但它們這些都是基于圓柱形樁的基礎(chǔ)上．而改變樁的截面形狀也不失為提高側(cè)摩力的有效措施．它的理論基礎(chǔ)很簡(jiǎn)明：等截面周邊擴(kuò)大．因而便產(chǎn)生這樣的結(jié)論：任何異形樁的垂直承載力都大于等截面、等長(zhǎng)的實(shí)腹圓柱樁（側(cè)表面積增加，摩阻力相應(yīng)增加）．同時(shí)水平承載能力亦得到提高（慣性矩增大）［2］．異形樁的特性分析見(jiàn)表1．異形樁的原理比較簡(jiǎn)單，但要實(shí)施它相當(dāng)困難．因?yàn)槌凉芄嘧稑赌３寥胪翆雍笤谖垂嗳牖炷燎?，模板必須承受模?nèi)外土壓差，而深層土壓力十分巨大，模體的剛度就成為實(shí)施的關(guān)鍵，采用過(guò)厚的模板是不現(xiàn)實(shí)的．問(wèn)題就變?yōu)槿绾卧诓煌墓こ桃髼l件下優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇最佳的樁形和相應(yīng)模具．可喜的是已有先行者在這方面作了有益的探索，中國(guó)工程院副院長(zhǎng)潘家錚院士最近對(duì)異形灌注樁給以評(píng)價(jià)：“‘異形灌注樁’確有一定的優(yōu)點(diǎn)和和合理之處，在適當(dāng)?shù)臈l件下，可以與鉆孔灌注樁及預(yù)應(yīng)力（管）樁競(jìng)爭(zhēng)．”根據(jù)筆者多年從事異形樁的研究心得，以下著重對(duì)Y形灌注樁作一介紹，對(duì)其它異形灌注樁也略作簡(jiǎn)介，其斷面圖見(jiàn)圖1．2Y形灌注樁2．1技術(shù)特點(diǎn)Y形灌注樁的機(jī)理是根據(jù)等截面周邊擴(kuò)大的原理．眾所周知，圓形與正方形、正三角形的等截面積周邊比率為1∶1．13∶1．30，而與Y形相比可達(dá)1∶1．60．周邊面積增加，相應(yīng)側(cè)摩力增加，總承載力雖不成正比增加，但增加幅度亦很可觀(guān)，具體見(jiàn)表2．根據(jù)上表，等截面等長(zhǎng)的Y形樁比圓樁的單樁承載力提高幅度為30％－54％，這就是說(shuō)至少4根樁能省去1根樁（端摩比當(dāng)qs／qp＝0．5時(shí)），甚至3根樁能省1根樁（端摩比qs／qp＝0．9時(shí)）．這還是在等承載力的前提下，如果能將樁端放置在最佳持力層，經(jīng)濟(jì)效益必將超過(guò)上述結(jié)果．Y形灌注樁的工藝亦與它的原理一樣比較簡(jiǎn)明，僅僅將樁模形狀改變，樁機(jī)等設(shè)備和工藝基本不變，當(dāng)然相應(yīng)參數(shù)必須匹配，包括樁尖的形狀，但這些技術(shù)難度不大，對(duì)單位造價(jià)承載力無(wú)關(guān)鍵影響．

Y形灌注樁的技術(shù)關(guān)鍵在于樁模的結(jié)構(gòu)以及它的變化是否會(huì)影響成樁．進(jìn)一步分析Y形灌注樁會(huì)遇到的問(wèn)題主要可分為兩方面，一是樁模在空模時(shí)能否抵御模內(nèi)外土壓差的問(wèn)題；二是樁身的可灌度問(wèn)題．解決途徑分別闡述如下．（1）樁模結(jié)構(gòu)采取用三塊弧形鋼板，凹面向內(nèi)和三條角鋼組成一個(gè)Y形空腔，三個(gè)角內(nèi)縱向設(shè)制三條中隔板，使三塊模壁承受的土壓力通過(guò)三塊中隔板彼此平衡、部分抵消．同時(shí)，中隔板與Y形樁模的尖角部分組成一個(gè)箱梁．在樁模和樁靴配合較密貼的前提下，樁壁鋼板可視為幕結(jié)構(gòu)，鋼板不僅受彎，而且受拉．這就充分發(fā)揮了鋼板的材料力學(xué)性能．從而進(jìn)一步使鋼板減薄，減少樁模的自重（見(jiàn)圖2）．（2）灌注工藝：由于上述鋼模結(jié)構(gòu)改進(jìn)，樁模內(nèi)由于中隔板的設(shè)置，填補(bǔ)模孔用的模內(nèi)混凝土料倉(cāng)大為減小，模內(nèi)混凝土必須及時(shí)跟上拔模速度逸出模外，才能充分填充樁模所造成的模孔，否則會(huì)影響充盈程度．解決措施為：減小骨料粒徑；添加混凝土外加劑，以增加混凝土流動(dòng)性．由于樁模的結(jié)構(gòu)形式參變因素較多，加之樁體充盈效果相當(dāng)程度取決于施工工藝，最后決定通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)可能出現(xiàn)的問(wèn)題．樁模長(zhǎng)度先做17m，樁模最下部鋼板厚度暫時(shí)取14mm．2．2試驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）檢驗(yàn)樁模鋼板空模時(shí)能否抵御模內(nèi)外土壓差．

（2）檢驗(yàn)樁身混凝土充盈程度，以確立有關(guān)工藝參數(shù)．（3）靜載試驗(yàn)，定量檢驗(yàn)側(cè)摩力增加量．2．3充盈試驗(yàn)本次試驗(yàn)樁模尺度按Ф460截面外包線(xiàn)面積0．166m2，等截面換算為Y形的控制尺寸：Y形三個(gè)尖角端直線(xiàn)距離680mm，三段弧線(xiàn)內(nèi)切圓直徑Ф270mm．樁尖為鋼混凝土預(yù)制件，水平投影面及刃口均為與樁模相符的Y形，樁尖總高30cm，上有8cm榫頭嵌入樁模．試驗(yàn)場(chǎng)地在杭州翠苑三區(qū)，富城房產(chǎn)5－8＃樓工地，地質(zhì)情況為除表層1m雜填土外，均為淤泥質(zhì)粘土．樁基施工單位為貝林建筑工程公司．樁機(jī)型號(hào)ZJ－60，瑞安產(chǎn)，樁錘型號(hào)DZ－90KS，瑞安產(chǎn)．試驗(yàn)于2001年6月8日下午5時(shí)進(jìn)行，將套合上樁尖的樁模用振動(dòng)錘貫入地層，沉模順利，通過(guò)料斗向模內(nèi)吊入測(cè)繩未發(fā)現(xiàn)模內(nèi)有積水，放入邊長(zhǎng)為300mm的三角形鋼筋籠，主筋Ф22mm，灌注混凝土，粒骨料料徑為20－40mm，級(jí)配為C20，水灰比為1∶0．6，加添了水泥用量1．5％的混凝土泵送劑，坍落度為10－12cm，提模速度為1m／min．試驗(yàn)樁于7月28日拔出9米，上拔力達(dá)40kN，拔出后觀(guān)察樁體三個(gè)尖角飽滿(mǎn)、無(wú)缺角、縮孔現(xiàn)象．經(jīng)測(cè)量，尺度與樁模相差無(wú)幾，樁體表面內(nèi)凹弧面平整．2．4靜載試驗(yàn)本次試驗(yàn)地點(diǎn)為浙江大學(xué)新校區(qū)工地，樁基施工單位為華東巖土工程公司，靜載試驗(yàn)由浙江大學(xué)樁基檢測(cè)中心進(jìn)行．地質(zhì)情況除表層1m左右雜填土外均為淤泥質(zhì)粘土，從荷載沉降曲線(xiàn)得極限承載力為100kN，相應(yīng)沉降為100mm，經(jīng)換算，其摩阻力比常規(guī)的Φ460mm圓形樁增加約40％．沉降曲線(xiàn)附后，靜載試驗(yàn)報(bào)告另詳．2．5總結(jié)兩次試驗(yàn)?zāi)康捻樌_(dá)到，證明了Y形樁在相似Φ460mm的截面尺度當(dāng)量時(shí)樁模14mm厚的鋼板能抵御12m深處模外土壓力，且混凝土能較好地充分填充模腔，靜載試驗(yàn)結(jié)果較好地證明了等截面周邊擴(kuò)大、相應(yīng)側(cè)摩力增加的原理．下一步準(zhǔn)備進(jìn)一步擴(kuò)大試驗(yàn)，樁長(zhǎng)要超過(guò)20m以上，并在理論分析的基礎(chǔ)上繼續(xù)做靜載荷試驗(yàn)，為最終將Y形灌注樁應(yīng)用于實(shí)踐，提高基樁承載力打下基礎(chǔ)．3其他異形灌注樁3．1矩形灌注樁矩形灌注樁的首研者為原江西省水利電力廳副總工程師陸祖蔭先生，1965年冬在江西南昌西溪霞水庫(kù)為了處理壩體及壩基管涌，在極盡種種常規(guī)手段后，根據(jù)當(dāng)時(shí)有限的國(guó)外資料，得到了廳領(lǐng)導(dǎo)和當(dāng)?shù)卣闹С郑M(jìn)行了模灌素混凝土防滲墻的試驗(yàn)，作成深9m，厚0．3m，長(zhǎng)6m的試驗(yàn)段．限于文革，試驗(yàn)中斷，但得到的經(jīng)驗(yàn)在30年后仍不失其意義．1996年受原水利電力部錢(qián)正英部長(zhǎng)的推薦，參加浙江錢(qián)塘江標(biāo)準(zhǔn)海塘立項(xiàng)論證會(huì)，在會(huì)上介紹了預(yù)制和灌注兩種防沖墻技術(shù)，得到與會(huì)專(zhuān)家的認(rèn)同并寫(xiě)入紀(jì)要［3］．1999年由水利部華水工程公司山東分公司組織實(shí)施，在浙江杭州西險(xiǎn)大塘堤防作成4km防滲墻，取名“振動(dòng)沉模防滲板墻”專(zhuān)利技術(shù)，并由水利部發(fā)文推廣，現(xiàn)正在江蘇省淮河入海工程應(yīng)用．3．2T形灌注樁T形灌注樁首研者為本文作者陸見(jiàn)華（現(xiàn)浙江省山水建設(shè)公司市政分公司副總工程師）和陸祖蔭先生，1996年參加浙江省水利廳科研項(xiàng)目《平原河道護(hù)岸基礎(chǔ)肋形薄壁地下連續(xù)墻機(jī)械化施工技術(shù)》課題組，當(dāng)年在余杭三墩華立金頂苑和杭州水電職業(yè)醫(yī)院基建工地成功地進(jìn)行了原形試驗(yàn)，1999年由浙江省水電科研院進(jìn)行了T形灌注樁專(zhuān)用樁機(jī)技術(shù)論證會(huì)，現(xiàn)正由浙江省國(guó)土資源廳上報(bào)國(guó)土資源部科研立項(xiàng)，并經(jīng)專(zhuān)利授權(quán)（專(zhuān)利號(hào)01222119843）．它除了作護(hù)岸基礎(chǔ)外，尚可作淺基坑圍護(hù)，可與土釘墻技術(shù)互補(bǔ)．4結(jié)語(yǔ)異形灌注樁是建立在圓柱形沉管灌注樁這一成熟技術(shù)之上的新型樁基施工技術(shù)，它繼承了沉管灌注樁的特點(diǎn)，發(fā)揮了變截面樁的優(yōu)勢(shì)，從而可以充分利用材料特性，降低工程成本．但作為一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，必定要設(shè)法與現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范相適應(yīng)．我們懇請(qǐng)廣大科技工作者的支持，新工藝必然帶動(dòng)新材料、新設(shè)備甚至產(chǎn)生新的設(shè)計(jì)理念．我們希望設(shè)計(jì)、施工、科研各方面有識(shí)之士共同參與，相信在“科教興國(guó)”