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Y形—异形沉管灌注桩的试验研究

本文在传统工艺沉管灌注桩的基础上对桩模进行变革，形成了系列异形桩，并对其中的Y形桩深入探讨，结论是在等工程量的前提下可大幅提高桩基承载能力，同时对其它异形灌注桩也作了简介．

1　引　言
　　振动沉管灌注桩由于其施工快捷、价格低廉的特点，深受工程界欢迎，主要应用于软土地层中小型工程的桩基及围护．这项技术自70年代引入我国后得到了蓬勃发展，迄今建成建筑面积已逾数亿平米，产生了巨大的社会效益和经济效益．但由于它是非置换型桩，固有的挤土效应限制了桩径过于扩大（目前多在φ500 mm以下）；而桩长亦受到桩架高度的限制（目前多在40 m以下）．因而单桩承载力已臻极致．要增加单桩承载力，只有通过两条途径：一是增加端承力；二是增加侧摩力．增加端承力的措施，多采取附加工艺，如夯扩、爆扩、旋扩、支盘挤扩以及桩底注浆等［1］，这些都能收得一定效果但它们这些都是基于圆柱形桩的基础上．而改变桩的截面形状也不失为提高侧摩力的有效措施．它的理论基础很简明：等截面周边扩大．因而便产生这样的结论：任何异形桩的垂直承载力都大于等截面、等长的实腹圆柱桩（侧表面积增加，摩阻力相应增加）．同时水平承载能力亦得到提高（惯性矩增大）［2］．异形桩的特性分析见表1．
　　异形桩的原理比较简单，但要实施它相当困难．因为沉管灌注桩桩模沉入土层后在未灌入混凝土前，模板必须承受模内外土压差，而深层土压力十分巨大，模体的刚度就成为实施的
关键，采用过厚的模板是不现实的．问题就变为如何在不同的工程要求条件下优化设计，选择最佳的桩形和相应模具．可喜的是已有先行者在这方面作了有益的探索，中国工程院副院长潘家铮院士最近对异形灌注桩给以评价：“‘异形灌注桩’确有一定的优点和和合理之处，在适当的条件下，可以与钻孔灌注桩及预应力（管）桩竞争．”根据笔者多年从事异形桩的研究心得，以下着重对Y形灌注桩作一介绍，对其它异形灌注桩也略作简介，其断面图见图1．

2　Y形灌注桩
2．1　技术特点
　　Y形灌注桩的机理是根据等截面周边扩大的原理．众所周知，圆形与正方形、正三角形的等截面积周边比率为1∶1．13∶1．
30，而与Y形相比可达1∶1．60．周边面积增加，相应侧摩力增加，总承载力虽不成正比增加，但增加幅度亦很可观，具体见表2．

　　根据上表，等截面等长的Y形桩比圆桩的单桩承载力提高幅度为30％－54％，这就是说至少4根桩能省去1根桩（端摩比当qs／qp＝0．5时），甚至3根桩能省1根桩（端摩比qs／qp＝0．9时）．这还是在等承载力的前提下，如果能将桩端放置在最佳持力层，经济效益必将超过上述结果．
　　Y形灌注桩的工艺亦与它的原理一样比较简明，仅仅将桩模形状改变，桩机等设备和工艺基本不变，当然相应参数必须匹配，包括桩尖的形状，但这些技术难度不大，对单位造价承载力无关键影响．
    Y形灌注桩的技术关键在于桩模的结构以及它的变化是否会影响成桩．进一步分析Y形灌注桩会遇到的问题主要可分为两方面，一是桩模在空模时能否抵御模内外土压差的问题；二是桩身的可灌度问题．解决途径分别阐述如下．
　　（1）桩模结构采取用三块弧形钢板，凹面向内和三条角钢组成一个Y形空腔，三个角内纵向设制三条中隔板，使三块模壁承受的土压力通过三块中隔板彼此平衡、部分抵消．同时，中隔板与Y形桩模的尖角部分组成一个箱梁．在桩模和桩靴配合较密贴的前提下，桩壁钢板可视为幕结构，钢板不仅受弯，而且受拉．这就充分发挥了钢板的材料力学性能．从而进一步使钢板减薄，减少桩模的自重（见图2）．

　　（2）灌注工艺：由于上述钢模结构改进，桩模内由于中隔板的设置，填补模孔用的模内混凝土料仓大为减小，模内混凝土必须及时跟上拔模速度逸出模外，才能充分填充桩模所造成的模孔，否则会影响充盈程度．解决措施为：减小骨料粒径；添加混凝土外加剂，以增加混凝土流动性．
　　由于桩模的结构形式参变因素较多，加之桩体充盈效果相当程度取决于施工工艺，最后决定通过现场足尺试验来检验可能出现的问题．桩模长度先做17 m，桩模最下部钢板厚度暂时取14 mm．
2．2　试验目的
    （1）检验桩模钢板空模时能否抵御模内外土压差．
    （2）检验桩身混凝土充盈程度，以确立有关工艺参数．
　　（3）静载试验，定量检验侧摩力增加量．
2．3　充盈试验
　　本次试验桩模尺度按Ф460截面外包线面积0．166 m2，等截面换算为Y形的控制尺寸：Y形三个尖角端直线距离680mm，三段弧线内切圆直径Ф270 mm．
　　桩尖为钢混凝土预制件，水平投影面及刃口均为与桩模相符的Y形，桩尖总高30 cm，上有8 cm榫头嵌入桩模．
　　试验场地在杭州翠苑三区，富城房产5－8＃楼工地，地质情况为除表层1 m杂填土外，均为淤泥质粘土．
　　桩基施工单位为贝林建筑工程公司．桩机型号ZJ－60，瑞安产，桩锤型号DZ－90 KS，瑞安产．
　　试验于2001年6月8日下午5时进行，将套合上桩尖的桩模用振动锤贯入地层，沉模顺利，通过料斗向模内吊入测绳未发现模内有积水，放入边长为300 mm的三角形钢筋笼，主筋Ф22 mm，灌注混凝土，粒骨料料径为20－40 mm，级配为C20，水灰比为1∶0．6，加添了水泥用量1．5％的混凝土泵送剂，坍落度为10－12 cm，提模速度为1 m／min．

　　试验桩于7月28日拔出9米，上拔力达40 kN，拔出后观察桩体三个尖角饱满、无缺角、缩孔现象．经测量，尺度与桩模相差无几，桩体表面内凹弧面平整．
2．4　静载试验
　　本次试验地点为浙江大学新校区工地，桩基施工单位为华东岩土工程公司，静载试验由浙江大学桩基检测中心进行．地质情况除表层1 m左右杂填土外均为淤泥质粘土，从荷载沉降曲线得极限承载力为100 kN，相应沉降为100 mm，经换算，其摩阻力比常规的Φ460 mm圆形桩增加约40％．沉降曲线附后，静载试验报告另详．
2．5　总　结
　　两次试验目的顺利达到，证明了Y形桩在相似Φ460 mm的截面尺度当量时桩模14 mm厚的钢板能抵御12 m深处模外土压力，且混凝土能较好地充分填充模腔，静载试验结果较好地证明了等截面周边扩大、相应侧摩力增加的原理．下一步准备进一步扩大试验，桩长要超过20 m以上，并在理论分析的基础上继续做静载荷试验，为最终将Y形灌注桩应用于实践，提高基桩承载力打下基础．
3　其他异形灌注桩
3．1　矩形灌注桩
　　矩形灌注桩的首研者为原江西省水利电力厅副总工程师陆祖荫先生，1965年冬在江西南昌西溪霞水库为了处理坝体及坝基管涌，在极尽种种常规手段后，根据当时有限的国外资料，得到了厅领导和当地政府的支持，进行了模灌素混凝土防渗墙的试验，作成深9 m，厚0．3 m，长6 m的试验段．限于文革，试验中断，但得到的经验在30年后仍不失其意义．1996年受原水利电力部钱正英部长的推荐，参加浙江钱塘江标准海塘立项论证会，在会上介绍了预制和灌注两种防冲墙技术，得到与会专家的认同并写入纪要［3］．1999年由水利部华水工程公司山东分公司组织实施，在浙江杭州西险大塘堤防作成4 km防渗墙，取名“振动沉模防渗板墙”专利技术，并由水利部发文推广，现正在江苏省淮河入海工程应用．
3．2　T形灌注桩
　　T形灌注桩首研者为本文作者陆见华（现浙江省山水建设公司市政分公司副总工程师）和陆祖荫先生，1996年参加浙江省水利厅科研项目《平原河道护岸基础肋形薄壁地下连续墙机械化施工技术》课题组，当年在余杭三墩华立金顶苑和杭州水电职业医院基建工地成功地进行了原形试验，1999年由浙江省水电科研院进行了T形灌注桩专用桩机技术论证会，现正由浙江省国土资源厅上报国土资源部科研立项，并经专利授权（专利号01222119843）．它除了作护岸基础外，尚可作浅基坑围护，可与土钉墙技术互补．
4　结　语
　　异形灌注桩是建立在圆柱形沉管灌注桩这一成熟技术之上的新型桩基施工技术，它继承了沉管灌注桩的特点，发挥了变截面桩的优势，从而可以充分利用材料特性，降低工程成本．但作为一项创新技术，必定要设法与现有规程规范相适应．我们恳请广大科技工作者的支持，新工艺必然带动新材料、新设备甚至产生新的设计理念．我们希望设计、施工、科研各方面有识之士共同参与，相信在
“科教兴国”的基本国策下，这一系列技术必能逐步完善，转化成为生产力，为我国建设工程增添新的手段．
参考文献：
［1］　史佩栋．21世纪高层建筑基础工程［M］．北京：中国建筑出版社，2000．
［2］　牟玉玮．改进桩基结构，提高承载能力［A］．国际深基础会议论文集［C］．1986．
［3］　刘前曦．（T－H）桩在软土地层中应用的可行性研究报告［R］．上海：同济大学，1995