京台公路DX桩设计说明修改文档格式.docx
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图3DX1215型旋挖挤扩钻机
图3DX1215旋挖挤扩钻机
图4DX旋扩装置
图4旋转挤扩装置
DX旋扩装置的主要技术参数如表1所示,目前可旋扩至最大盘径2.5m。
表1DX旋扩装置主要技术参数
技术参数
装置型号
DX-400
DX-500
DX-600
DX-800
DX-1000
适合旋扩的直孔孔径(mm)
450-550
500-650
650-800
800-1200
1200-1600
旋扩臂收回最小尺寸(mm)
380
480
620
780
1200
旋扩臂扩开最大尺寸(mm)
1000
1500
2000
2500
旋扩最大尺寸时两臂夹角(o)
70
图4所示为DX旋扩装置,可以与普通旋挖钻机配套使用。
一体化设备上带有电脑液压站控制系统,可通过液压定位装置、液压旋扩装置、压力传感器、角度传感器、位移传感器装置等显示旋扩的施工过程。
电子实时显示屏,可实时反映桩孔内旋扩机头的工作状态,为隐蔽工程的施工质量提供了可靠的保证。
图5电子实时显示屏
图5施工过程监控显示界面
图5所示为实时监控系统的一个显示界面。
从中可以看到施工过程中盘腔的深度位置、旋扩的盘腔直径、旋扩压力等重要参数。
1.3DX旋扩灌注桩的技术特点
1.3.1成腔质量可靠
多节扩孔类灌注桩成败的关键在于扩孔形成盘腔的质量是否可靠,以及能否按设计和施工要求顺利形成盘腔。
DX旋扩技术是目前唯一能快速、高效、高质量完成各种土层条件下盘腔施工的技术,因为:
(1)旋扩装置独特的双缸双向液压结构保证了盘腔周围土体的稳定性;
(2)均布的三对旋扩臂三向水平支撑土体,能自然准确与桩身轴心对中;
(3)腔体下侧35度斜面形状可以使沉渣能顺利掉落,不会堆积在盘腔内,保证盘腔在混凝土浇注时的充实性和完整性;
(4)旋扩方式能适用N大于40击的土层;
(5)旋扩方式比人工操作挤扩方式的施工速度提高数倍,工效大大提高。
图6是某次施工形成的盘腔,从照片上看,盘腔十分规则,而且盘腔壁的土体十分密实,坚硬,施工现场用铁钎都很难撬动。
图6旋转挤扩形成的盘腔
1.3.2设计灵活、适应性强、适用土层广泛
随着不断的经验总结和技术革新,DX桩的设备和技术发展进入了一个更高的阶段。
DX桩可在多种土层中成桩,不受地下水位限制,并可以根据承载力要求采取增设承力盘数量来提高单桩承载力。
承载力盘和承力岔可设置在:
(1)可塑~硬塑粘性土、标贯击数小于40击的稍密~密实状态粉土和砂土中;
(2)承力盘也可设置在密实状态(N≥40)的粉土和砂土或中密~密实状态卵砾石层的上层面;
(3)强风化岩或残积土层的上层面;
1.3.3盘位可调
由于承力盘腔是通过液压臂旋扩土层形成,旋扩过程相当于旁压实验,施工过程同时也是对土层承载力的一种检验。
因此,施工时能大致了解到土层软硬性即持力层选择的适宜程度,当发现与试桩施工有差别时,可按照设计变更要求,采取调整盘的位置或增设盘数的措施,如图7所示。
这样可以确保桩基承载力,以及各桩承载力的一致性,这是其它桩型工艺无法实现的。
图7盘位随土层变化示意图
1.3.4上下对称的盘结构
双向挤扩形成的上下对称带坡度的盘具有受力和施工上的诸多优点:
I.抗压性能明显优于传统的直孔桩;
II.具有非常好的抗拔性能;
III.在成腔的施工过程中,沉渣能够顺着斜面落下,避免了沉渣在空腔底面的堆积;
IV.斜面便于混凝土的浇注,混凝土靠自身的流动性就能充分灌满整个腔体,同时还不夹泥,利于控制混凝土的密实程度;
V.承力盘的斜面形状,保证了承力盘的混凝土处于受压状态。
盘的剪切通过桩身的钢筋,所以承力盘不会发生剪切破坏(图8所示);
图8承力盘剪切受力示意图
VI.在竖向受力时,下斜面可以增加使承力盘施加给土体的附加应力的扩散范围,避免对土体造成剪切(图9);
(a)DX桩承力盘(b)其它形式承力盘
图9承力盘下土体受力示意图
1.3.5易于检测
旋挖挤扩设备自带的仪表显示屏可以直观显示孔内作业时旋扩盘径的大小,另外可以采用挤扩灌注桩专用的机械式盘径检测器(如图10所示)亦是一种直观有效的检测方法。
该检测器结构简单,检测直观、效率高、经济、快速可靠。
检测时,提紧主副提绳,将盘径检测器缓慢放至孔内被测盘腔深度,松开副绳,三个测杆自由下落,主测绳稍做调整,测杆即张开于挤扩盘腔内,达盘径最大处,观察并记录主副测绳的落差,由落差和盘径的换算关系就可以得出实际旋扩盘腔的直径。
图10专用盘径检测器示意图
1.4DX桩与其它变截面桩的比较
目前,施工中常用的灌注桩桩型有:
钻孔灌注桩,后注浆灌注桩,扩底桩,夯扩桩,支盘桩和DX桩等,各种桩型都有各自的优势与不足。
表2列出了常见的几种桩型的优缺点,如下:
表2DX桩和其它几种典型桩的优缺点比较
桩型
优点
缺点
钻孔灌注桩
施工方法较简单;
适应性较强
比DX桩造价高,钢筋、水泥用量多,桩尖虚土难于处理,桩身可能有缩径
沉管灌注桩
能改善灌注桩和预制桩等桩的施工缺欠
仅适用于上部为软弱土层、下层为较好持力层的土层。
产生噪声,也易产生桩身质量问题
孔底注浆桩或碎石注浆桩
由于二次注浆可解决普通灌注桩的桩尖虚土及桩身与土的收缩缝隙,提高承载力
二次注浆需多耗费水泥、造价高。
易对相邻基础产生不利影响。
碎石注浆桩身质量难于保证
竹节桩
可以防止地震时地基土的液化,提高桩侧阻力,承载力比普通桩高30~40%
施工产生噪音、振动污染,桩入土深度较短,承载力有限。
竹节处尺寸扩大有限
夯扩桩
桩端可夯扩成大头,能改善桩端持力层的密实度,比沉管灌注桩和预制桩承载力高,施工速度快,降低成本
仅适用于上部土层软弱,下部有一层较好的持力层。
施工时产生噪音,也有桩身质量问题
DX桩
集预制桩和夯扩桩的优点;
施工工艺简单,造价低,承载力高;
能以桩径小、桩长短的桩满足承载力较高的要求
在卵石层和较软土层成腔较困难;
专利产品有待进一步完善
DX桩和支盘桩同属于在桩身适当部位通过扩孔装置形成扩大盘腔的变截面桩型。
目前两者在工程上均有应用,但由于所采用扩孔机具的不同,在成盘工艺上具有明显差异。
DX桩采用最新的具有自主知识产权的旋挖挤扩装置,在工艺上与成桩质量上比支盘桩具有明显的优势。
两者的对比见下表:
表3DX旋扩钻机与YZJ型支盘挤扩机工作性能比较
机型
YZJ型支盘挤扩机
DX旋挖挤扩装置
1
单缸单向挤压,机头产生上浮现象,挤扩臂上部产生“临空区”,对土体扰动大
双缸双向水平旋扩,无上浮现象,
对土体扰动小
2
人工操作挤扩,需要吊车配合
机械化旋扩,不需要吊车,自动化程度高
3
挤扩盘腔需要多次人工转角,误差较大,成腔差
旋扩盘腔一次完成,成腔好
4
盘腔需要多次转角后挤扩完成,
作业时间长,效率低
盘腔一次旋扩完成,作业时间短,
效率高
5
土层大于40击难以挤开或挤塌
土层大于40击及更硬土层也能旋扩成腔
6
挤扩时易出现盘腔上下缩径
旋扩时不出现缩径现象
用机械式盘径检测器检测盘径,
人工记录数据
可用机械式盘径检测器检测;
另显示屏可实时监控旋扩成腔状况,并自动记录数据
套筒内挤扩臂夹土后易造成不能回位,导致机头出孔困难及机具故障。
旋扩臂无套筒,不易夹土,挤扩臂能顺利回位,不存在机头出孔困难和机具故障。
7
两对挤扩臂呈一字形,挤扩时机头不能与桩身轴心自然对中
均布的三对挤扩臂能与桩身轴心自然对中
8
腔底面较平坦,易积土,不利于浇注;
盘体抗剪切弱。
腔底面倾斜,不易积土,有利于浇注;
盘体抗剪切强
(a)YZJ型支盘挤扩机(b)DX旋扩装置
1-桩孔臂;
2-上挤扩臂;
3-盘、支(岔)腔壁;
4-挤扩臂铰点轨迹;
5-下挤扩臂
图11支盘挤扩机和DX旋扩装置挤扩臂的运动轨迹
通过以上的分析和比较可以看出,DX桩在工艺技术上具有明显的领先性,其承载力高,沉降小,大量节约成本,施工效率高,成桩质量好,是一种值得推广的新型桩基技术。
实践通过大广高速公路滹沱河大桥,唐曹高速曹妃甸南堡盐场特大桥等工程中的应用,已取得了显著的工程经济及社会效益。
1.5DX桩的承载机理
DX桩的承载力机理相当复杂,与常规桩不完全相同,DX桩可以看作是多支点摩擦端承桩。
它的承载力实际上是由三部分组成:
桩侧摩阻力、承力盘盘端阻力、桩端阻力,这三种阻力之间又存在相互影响,总体而言有以下特点:
(1)承力盘盘端阻力包含着摩擦和端承两种因素;
(2)承力盘的存在可能影响上方的桩身摩阻力的发挥;
(3)部分摩阻力通过桩身向下扩散对扩径体和桩端阻力也有一定影响。
DX桩由于其多级扩径体的存在导致了目前人们对DX桩承载机理的认识还很不充分,制约了DX桩在工程中应用的发展。
DX桩受力机理的研究主要依靠两种方法,试验方法和数值计算方法。
(1)试验方法
试验方法包括室内模型试验、现场模型试验以及大量的现场静载荷测试。
室内试验和现场试验都进行的比较少。
北京交通大学曾进行过挤扩多分支盘混凝土灌注桩受力机理及承载力性状的试验研究,做了18组不同盘距、不同盘数支盘桩的数据测定,总结出不同盘距或盘数对承载力的影响和承载力的计算公式,对挤扩支盘桩技术作为承载桩及支护桩的应用提供了重要的理论依据。
1994年在中国水利水电科学研究院主持下,对挤扩支盘带来的土质挤密效果进行了72组试验,得出了不同土层下挤密效果和成型规律。
1995年,顾晓鲁在天津沿海软土地区做了挤扩支盘工程桩的应力传递规律的实验研究,并对该桩型的应用效果进行了分析研究。
陈轮等(2004)在莲花桥附近进行了多组直径200mm的大比尺模型桩实验。
而大量工程中都采用静载荷试验检测DX桩的承载力,这为研究DX桩的受力性能提供了详实的数据,相关报道则相对较多。
本次研究也收集分析了大量的现场实测资料。
(2)数值分析
顾晓鲁和杨志龙(2000)还对支盘桩进行了线弹性有限元分析。
假定当地基土处于弹性阶段时,桩身直筒部分与相邻土体之间不产生相对位移,也就是说,借助摩阻力的作用,桩壁拉着土体一起下沉。
但承力盘的上斜面难以拉着斜面以上的土体向下移动,故承力盘的上斜面将可能与土体脱离。
同时杨志龙的计算在桩土间没有引入接触面单元,因此桩土间的应力传递偏大,计算承力盘的埋深、尺寸及承力盘的间距对承载力的影响比实际情况要小。
而且当桩顶荷载较大时(如在使用荷载下),承力盘下侧土体及桩端土体由于应力集中,会出现塑性区,此时如仍用线弹性模型计算,则结果可能会失真。
清华大学的常冬冬(2001)则采用弹塑性有限元和Goodman界面单元模拟DX桩的受力特性,分析了不同承力盘设置,包括数量、间距、形状等对承载力的影响。
有关DX桩的承载性能及受力机理的研究,目前仍处在探索阶段,但是总体有如下结论:
1)DX桩能较大幅度提高单桩承载力,是一种值得推广应用的桩型。
2)在比较均匀的地层中,DX桩各承力盘端阻力的发挥具有明显时间和顺序效应。
总体趋势是上盘比下盘承载力发挥得早、荷载分担得多。
因此在设计时,应考虑地质条件及极限荷载作用下各承力盘的受力情况,合理设置承力盘数量和盘间距,能够充分发挥桩周地基土对荷载的分担作用。
3)DX桩的破坏模式是在极限荷载下各承力盘端阻力先后达到极限状态而破坏。
4)DX桩承载力提高是在于承力盘端阻力发挥显著,故施工时保证挤扩承力盘的质量是关键。
2.DX桩在京台高速上的应用
拟建京台高速公路(北京段)工程北起南五环路与规划中的蒲黄榆路相交处,向南经大兴区旧宫镇、瀛海镇、青云店镇和安定镇,至市界与河北省段线位相接,走向大致为南北向,道路全长约24km。
沿线与31条规划道路相交,其中包括5条国、市道,9条县级公路,1条城市主干路。
我公司承接的01标段是由起点南五环的德茂桥至青云店镇。
拟建魏永路立交桥工程地层主要为砂卵石与黏性土、粉土交互沉积地层,下伏第三纪沉积岩层。
通过分析具体的勘察报告,土层条件非常适合采用DX旋挖挤扩灌注桩技术。
2.1DX桩的设计计算方法
该规范规定的单桩竖向抗压承载力特征值(Ra)按下式计算:
(6.2-1)
式中:
K——安全系数,可取K=2;
Quk——单桩竖向极限承载力标准值。
当进行初步设计时,应根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向抗压极限承载力标准值(Quk),可按下式估算:
(6.2-2)
(6.2-3)
(6.2-4)
Quk——单桩竖向抗压极限承载力标准值;
Qsk——单桩总极限侧阻力标准值;
QBk——单桩总极限盘端阻力标准值;
Qpk——单桩总极限桩端阻力标准值;
qsik——单桩第i层土的极限侧阻力标准值,如无当地经验值时,可按表6.1取值;
qBik——单桩第i个盘的持力土层极限盘端阻力标准值,如无当地经验值时,可按表6.2取值;
qpk——极限端阻力标准值,如无当地经验值时,可按表6.2取值;
u——桩身或桩根周长;
li——桩穿过第i层土的厚度;
η——总盘端阻力调整系数,单个和2个承力盘时η=1.00;
3个及3个以上承力盘时η=0.93;
APD——承力盘设计截面面积,按承力盘在水平投影面上的面积扣除桩身设计截面面积计算;
D——承力盘设计直径;
Ap——桩端设计截面面积;
d——桩身设计直径。
根据规范计算,本工程DX桩桩基竖向抗压承载力见下表:
表4估算DX桩单桩竖向极限承载力标准值(kN)一览表
序号
勘探孔号
桩径/mm
桩长/m
盘径/mm
盘数/个
桩端
持力层
极限承载力
标准值/kN
单盘
体积/m3
单桩
砼量/m3
55
1300
35
2400
⑥
13533
2.227
50.89
58
⑥2
14204
61
⑦3
14355
63
13563
64
13568
平均值
13844
2.2DX桩与直孔桩技术经济性能对比
原初步设计采用直孔灌注桩,设计桩径为1500mm,桩长为43m。
经过DX桩优化设计以后,桩径改为1300mm,桩长缩短为35m。
具体的参数对比见下表。
表5DX桩与直孔桩技术经济性能比较
对比项目
直孔桩
备注
桩径(cm)
150
130
-
承力盘径(cm)
240
承力盘数(个)
有效桩长(m)
43
减少8m
承载力极限值Qu(kN)
12414
提高1430kN
单桩砼理论方量(m3)
75.95
减少33%
假定综合单价(元/m3)
1400
单桩造价(元)
91140
71246
节约19894元
总桩数(根)
224
总造价(万元)
2041.5
1595.9
节约445.6万元
通过DX桩的优化设计之后,减少了工程量,缩短了工期,节约了总造价约445万元,其技术经济效益显著。
3.DX桩的施工工艺
3.1工艺流程
DX桩的施工工序比直孔灌注桩的施工工序多一道专利挤扩工作(第二道工序)。
正是因为这一挤扩工序,DX桩与同桩径和桩长的等截面钻孔灌注桩相比,承载力有较大幅度的提高,而提高部分的承载力主要由扩径体的端阻力提供。
施工步骤如图所示:
图12DX桩的施工流程图
3.2旋挖挤扩装置的类型
目前设备采用的是连续旋转,同时切削碾压向外旋扩的方式,该设备可以根据土层选择适合的切刀,采用切削碾压或纯切削的方式,这样就大大提高了旋扩的质量和效率。
1.切削碾压施工工艺
此工艺适用于粘性土、粉土、粉质粘土,和标贯击数N<
40的粉砂、砂土等土体。
具体工作机理如下:
(1)切削碾压
当碾压切刀正向旋转时,旋扩臂沿水平方向逐渐打开,旋扩臂上的碾压切刀压入土体ds后,刀口对土体进行切削,如图13所示;
同时,由于在平面上碾压切刀的外弧面高出刀口,因此在旋扩臂旋转时外弧面紧接着对土体进行碾压。
(2)碾压
当旋扩臂反向旋转时,碾压切刀的外弧面对土体进行碾压,三对旋扩臂上的碾压切刀如同三对抹子,对土体进行多次碾压。
尤其是在泥浆护壁成孔时,旋扩臂把泥浆压入砂层或土层,使砂层和土层形成较密实的保护层,腔体不易坍塌。
对于上述土层,合理选择切削碾压和碾压的组合能达到更理想的效果。
图13切削碾压的施工俯视图
2.切削工艺
当需要扩孔的土层为强风化岩层、残积土或密实的砂层(N63.5大于40击)时,应选择旋转切削方法。
因为上述土体密实,结构稳定,要继续对土体进行挤压就可能发生“剪胀”,反而削弱了土体强度。
选择外弧面最高点在刀口处的切刀,施工时切刀与土体的角度成锐角。
正向旋转只对土体进行切削,反转时可以对土体进行碾压(见图14)。
对于这些密实的土体,宜采用切削工艺。
图14切削施工俯视图
3.3旋扩臂的运动轨迹
DX三岔双向挤扩装置采用独特的双缸双向液压结构设计理念。
从图15可以看出DX桩的旋扩臂从上下两个方向同时运动,整个旋扩臂的顶点轨迹在同一个水平面上,保证了上下两部分腔体的对称性。
如图所示,竖向虚线代表孔壁,竖向实线代表旋扩设备的边界线。
DX桩整个旋扩过程中,旋扩臂的运动轨迹包络线是一条曲线,亦即成腔后承力盘与桩身的交界面为曲线渐变过渡,这样可以防止应力集中,对该处的受力是非常有利的。
旋扩臂的打开是一个近似的对数螺旋渐开线,如图16所示,旋扩臂上的碾压切刀始终压在土体中,这样确保了土体不会坍塌。
碾压切刀工作时所形成的包络线是逐渐打开的、上下对称的立体锥状回转体。
图15旋扩臂的运动轨迹图图16旋扩臂的打开轨迹
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