1、计算机为桩基工业自动化开辟了广阔前景概述 将计算机引入制桩工业，是近年来国内外许多岩土工程学者潜心研究的一个课题。但土的成因、物理力学性质以及地层结构变化太复杂，影响桩的人为因素很多，因而至今未能取得令人满意的进展或成果。 【关键词】变径灌注桩桩基自动化 中图分类号：TU473 文献标识码： A 1 变径灌注桩对基桩结构进行了两项重大简化： 第（1） ，桩身采用强度等级不低于 C30 的干硬性混凝土制成，确保桩身混凝土具有足够的刚度（EI）和强度（EC） ； 第（2） ，给桩设置一个垫层，将计算机引入制桩工业。制桩在计算机的控制下进行，按设计压力（即加载力）将桩端土和桩周土预压缩。 该桩 设计
2、理论：“剪应力等于零理论” 。 计算模型：线性模型。 计算公式：（库仑定律） 。 结构型式：将几个“钻孔墩”叠落在一起，构成一个大直径灌注桩，在桩端下设有灰土碎石垫层，在桩身上打扩大径。在制桩过程中（自下而上） ，将桩端土与孔壁土按设计压力预压缩，使桩身混凝土与压密后孔壁土互相渗透、紧密结合。 制桩设备：采用由哈尔滨工业大学专门研制的计算机+传感器+振动锤组合而成的振动杆自控系统。该系统实现了制桩工艺自动化，实现了制桩过程的计算机控制和计算机管理。 适用土层：该桩现阶段仅适用于天然含水量30%，液性指数IL=00.75 的一般粘性土、粉土和黄土地基，同时要求地下水位低于桩尖 1.5m。 振动杆
3、作用原理 振动杆是制做变径灌注桩的关键设备，在计算机+传感器+振动锤组合而成的振动杆自控系统中，其它设备都是为振动杆服务的。 2.1 振动杆的设计原则 （1）31（即振动杆在成桩时产生的竖向力和水平力相等） ； （2）在第一层雁翅内或振动杆上安装传感器； （3）能在桩端下打出密实的垫层； （4）振动杆在计算机的控制下运行，能将桩端土、孔壁土和垫层按设计压力压密实。 2.2 振动杆的结构型式 振动杆型似一枚倒放着的“火箭”图 2.2-1。头部为正圆锥型，顶角 4060，高 0.6m。颈部设有四组共 16 个雁翅，雁翅顶角为 30（按天然土中力的扩散角 28设计） ，雁翅焊在无缝钢管的外壁上，构成
4、雁翅头，高 1.5m。振动杆管长 23m，上端与振动锤组装在一起。 当振动杆工作时，传感器随时将其所受压力传送给计算机，当压力达到设计压力时，计算机便指令该道工序终止，自动进入下一道工序。 2.3 振动杆受力分析 振动锤振动时只产生竖向力，不产生水平向力，故在设计雁翅头时，采取了特殊结构形式，能将竖向力分解出水平分力，见图 2.3-1，且使竖向分力近似等于水平分力，即 AC+EHAB+EF。 制做垫层的灰土碎石和成桩的干硬性混凝土是从地面以上灌入孔内的，这两种材料用量不受限制。因此，振动杆每反插一次，传感器所受压力就提高一次，无论垫层还是孔壁土，经过几次反插后终能达到设计压力。 3 垫层受力分
5、析 3.1 垫层内剪应力等于零 给桩端设置一个垫层，这是基桩结构和设计思想上的一次变革，对桩基发展具有重大实用价值（使桩端土强度变为可控的） 。 根据振动杆的工作原理，垫层在制做时，3 =1，力的方向是向外的，即 1 指向垫层底部土层，3 指向垫层周围土层图 3.1-1，3 =1 是通过振动杆头部特殊结构强加予土的。由于振动杆头部的竖向分力和水平分力（大于 1.0MPa）远远大于一般天然土的抗压强度（0.10.2MPa） ，所以，垫层部位的土体在振动杆强大竖向分力和水平分力的作用下，只得后退，让出一个空间给雁翅头满足垫层的需求。 垫层制做完毕后，根据作用力与反作用力互等原理，3 =1，力的方向
6、是向内的图 3.1-2，即 1 指向垫层底面，形成端阻，3 为围压，指向垫层竖向轴心线。在上部结构荷载传递下来之前，垫层顶部的1 是空缺的，待上部结构竣工之后，才实现 3 =1，=0，即垫层的应力状态进入第二初始应力状态相应于莫尔应力园的 C 点（图3.2-1c） 。由于 C 点在 轴上，永远不可能与莫尔包线相交，故变径灌注桩在设计荷载下失去了破损的可能。 3.2 “剪应力等于零理论”来源于库仑定律：=c+tan 库仑定律实质上是半经验公式，它来源于实验所得的近似规律：即土的抗剪强度与作用在剪切破坏面上的正应力 成正比。土的内聚力 c和内摩擦角 代表土的抗剪强度指标，在应用时被确定为恒定的常数
7、。 根据土的极限静力平衡理论，土中某点的应力状态可用两种形式描述： 3.2.1 用单元微体图 3.2-1(a)静力平衡方程式表示 取微棱柱主体 abc 为脱离体如图 3.2-1(b)，将各力分别在水平和竖直方向上投影，则得如下静力平衡方程组： 3dssindssindscos0 1dscosdscosdssin0 联立求解 mn 平面上的应力 =1/2(1 +3 )+1/2(1 -3 )cos2 =1/2(1 -3 )sin2 设法使 3 =1 ，则上式解为： =1/2(1 +1 )=1 =0（变径灌注桩应用的条件） 出现这一结果的充分必要条件是 3 =1，即只要作用在土体周围的压力 3 与竖
8、向压力 1 相等，则该土体内的剪应力等于零。 3.2.2 用莫尔应力圆图 3.2-1 (c)表示 莫尔应力圆与土的强度包线 =c+tan 相切于点，与 轴相交于 B、C 两点。BC 为圆的直径，=3 ，=1。土在点的应力状态处于极限平衡状态，点的纵坐标代表土的极限抗剪强度 f，横坐标代表剪切破坏面上的正应力 。 如果莫尔应力圆是根据三轴试验而作，我们有如下的结论：将图3.2-1(c)中的 1 固定，增大 3 ，则所作应力圆必将退降到强度包线下方。如果继续增大 3 ，使 3 =1 ，则圆将变成一点，此时的莫尔应力圆为点圆，在点圆内，剪应力等于零。 实际上，在 轴上，任意一点都是 3 =1、=0
9、的点。如令左侧点为第一初始应力状态，右侧点为第二初始应力状态，则、两点均处于等向固结压缩状态，二者是有差别的：土样在点与在点相比，其压缩性较低，抗剪强度较高，渗透性较小。如果把点(3 =1 )的应力状态应用于桩下，即在打桩时,就将桩端土和桩侧土按设计压力 =3=1 施以等向压缩，其结果必然是 =0 ，而且受压土体的竖向应变和水平应变均已发生完毕，当基桩再承受设计荷载时，垫层处理论沉降值 s。在实际应用中，桩顶沉降值 s，这是由于桩身、垫层和垫层之下压缩后的土层发生微小弹性变形的结果，试验证明这三部分变形值的总和不大于 5.0mm。 4 变径灌注桩计算 4.1f（）是土的重要工程特性 我们都知道
10、，地基土的三种破坏模式整体剪切破坏、局部剪切破坏、刺入剪切破坏均为土的剪切破坏，而变径灌注桩计算机自控系统控制的恰恰是剪切面上的正应力 ，只要剪切面上的正应力达到设计要求，则剪切面上的剪切抗力必然达到设计要求。因此，变径灌注桩第一次做到桩的承载力设计值与土的抗剪强度全等的符合，其承载力是真实的、科学的、可靠的。 4.2 变径灌注桩单桩竖向承载力特征值计算公式： Ra 单桩竖向承载力特征值； 桩侧阻发挥系数，=0.80.9； up 扩径段桩身周长（m） ； s 扩径段桩侧单位面积摩阻力（KPa） ； K扩径段桩长（m） ； qpa 垫层顶面竖向承载力特征值，一般取 qpa=d，d 为垫层加载力；
11、 Ad垫层顶面横截面面积（m2） 。 5 变径灌注桩试验 5.1 变径灌注桩在哈市试验共打试验桩 4 棵，每棵桩都有明确的目的和极强的针对性。 试验桩概况表 5.1-1 变径灌注桩试验桩概况表 表 5.1-1 桩号 桩长(m) 桩径 (m) 垫层厚(m) 变径段长(m) 垫层制做压力(Mpa) 变径段制做压力(Mpa) 砼量(m3) 承载力设计值(KN) 1 2.0 1.0 2.0 0 1.0 0 1.9 800 2 4.0 1.0 0 2.0 0 1.0 4.7 800 3 4.0 1.0 2.0 2.0 1.0 0.8 4.7 1600 4 5.0 1.0 0.7 3.0 0.8 1.0
12、5.7 3000 5.2 静载荷试验 静载荷试验采用快速维持荷载法，执行建筑桩基技术规范JGJ94-94 标准，依据实测 Qs 曲线确定出：承载力设计值对应的桩顶沉降值；承载力实测值及桩顶沉降值；实测极限承载力及桩顶沉降值和5.0mm 桩顶沉降值对应竖向承载力。静载荷试验成果见表 5.2-1。 静载荷试验成果表表 5.2-1 试桩编号 极限承载力 实测值 （KN） 极限承载力 对应沉降值 （mm） 基桩承载力 设计值 （KN） 设计承载力 对应沉降值（mm） 桩顶沉降 5.0（mm）对应承载力 （KN） 抗力 分项系数 1 1350 43.77 800 3.3 850 1.6 2 1700 2
13、3.89 800 1.8 1280 1.6 3 2600 41.35 1600 2.9 2000 1.6 4 5400 42.07 3000 2.0 4000 1.6 注： 表中桩顶沉降值均由 Qs 曲线查得。 承载力实测值 Rk 根据建筑桩基技术规范JGJ94-94 公式确定。 式中实测极限承载力（KN） ；抗力分项系数，采用该规范表5.2.2 中大直径（清底干净）一栏静载荷试验法=1.60。 5.3 静载荷试验结论 （1）通过静载荷试验，所测得的单桩竖向承载力实测值均大于承载力设计值，证明：采用库仑公式（=c+tan）直接计算变径灌注桩单桩竖向承载力是安全可靠的，且在一般条件下承载力实测值
14、较设计值高出 5.0%12.5%，不产生负值。 （2）通过静载荷试验证明：计算机+传感器+振动锤自控系统的计量是较准确的，且与库仑公式计算成果相一致。仅这一成果就足以说明该系统具有重大的开发和使用价值。 （3）给桩设置一个垫层，这在桩基结构上和设计思想上是一次重大变革。由于变径灌注桩的垫层是在计算机的控制下制成的，因而其厚度和强度是可控制的，即在同一幢建筑物的所有桩端下可以打出均一（强度）的垫层，从而简化并解决了天然土物理力学性质复杂、均一性差的问题。 （4）由于计算机控制制桩，因而沿桩自下而上每一个断面的受力情况都有记录，可以绘制曲线，输出数据。 6 变径灌注桩应用 6.1 保定沥青中转站沥
15、青储罐基础工程，共有沥青储罐 6 座，其中 1.0万 m3 罐 4 座；罐直径 28.0m，1000m3 罐 2 座，罐直径 11.2m，原设计为沉管灌注桩共 1298 棵，桩长 16.0m，桩径 0.4m，单桩竖向极限承载力标准值，概算造价 258 万。 甲方为节省投资（58 万） ，改用变径灌注桩。变径灌注设计桩长5.0m，垫层 1.0m，桩径 0.46m，单桩竖向极限承载力标准值 1700KN。 6.2 静载荷试验 打 3 棵试验桩，静载荷试验成果见表 6.2-1 试验桩静载荷试验成果表表 6.2-1 试验桩编号 极限承载力 实测值（KN） 对应沉降值（mm） 基桩承载力 设计值（KN）
16、 对应沉降值（mm） 预估抗力 分项系数 sp 试 1西 1800 7.13 1058 2.07 1.70 试 2东 1800 6.25 1058 2.06 1.70 试 3中 1800 6.92 1058 2.57 1.70 试验成果显示，试验桩在设计荷载下，桩顶沉降值均小于 5.0mm。这一试验成果与哈市试验成果是非常相似的。产生这种客观规律性的根本原因在于：（1）桩的端阻和侧阻是在计算机的控制下按其设计荷载事先即定量地制做好了；（2）桩的垫层、桩周土在制桩时已按设计压力压缩完毕。因此，当桩体再承受设计荷载时，桩不再发生传统基桩静载荷试验时所发生的变形，只产生相当于静载荷试验卸荷后，桩顶回弹值一样大小的沉降量（一般在 2.0mm 左右） 。 7 结语 综合以上特点可以看出，变径灌注桩技术先进、结构合理，它成功地解决了桩与土之间的关系，最大限度地开发并利用了土的抗剪强度。它的问世，是桩基史上的一次变革，由于计算机的引入，使桩基设计、施工和检测三大环节均发生了深刻的变化，也为桩基的工业化、自动化、规范化和标准化创造了必要条件。 参考文献 河北省工程建设标准 变径混凝土灌注桩技术规程（DB13（J）38-2003）2003 中华人民共和国行业标准建筑桩基技术规范（JGJ 94-94）北京：中国建筑工业出版社 1995 地址：辽宁 盘锦 兴隆台区 新工街
