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21世纪的桩基新技术：DX旋挖挤扩灌注桩

21世纪的桩基新技术:DX旋挖挤扩灌注桩

王梦恕，贺德新”，唐松涛

（1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044；2.中铁隧道集团，河南洛阳471001

1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044；2.中铁隧道集团，河 3.北京中阔地基基础技术有限公司DB37／T 3387-2018 城市河道淤泥利用规范，北京100097）

桩基是一种历史悠久的基础形式，在我国很早 就已成功地使用木桩来解决软土地基上的基础建造 问题。到了近代，一方面是高、重建筑和精密设备对 地基基础的要求日益严格，另一方面是成桩技术的 进步，使桩基具有更突出的承载力高、变形量小、抗 液化、抗拉拔能力强的优点，促使桩基发展十分迅 速，已广泛应用手建筑、桥梁、铁路、水利、港口和近 海工程等诸多领域。从发展趋势看，它是实现基础 施工工业化的途径之一，因而是一种很有发展前途 的深基础。 截至2010年年末，我国高铁的运营里程已达到 8358km，路网规模和速度等级均已居世界第一 京泸高铁全长1318km.其中近80%为桥梁，是当 今世界上一次建成线路最长、技术标准最高的高速 铁路。这些实践均证明了所采用的桩基础是安全， 稳定和可靠的。同时，城市轨道交通建设的发展也 为桩基的发展提供广阔的空间。 随看产的发展和技术的进步，基技术在桩 型和施工工艺等方面不断地推陈出新，桩的成桩工 艺和应用都比过去更为多样化，特别是在桩基设计 和施工领域中提出了许多薪新的概念和理论。体

表现在单桩设计承载力越来越大，设计者不得不从 者如桩身材料优选，加大桩身截面，寻求新的、有效 的沉桩工艺等途径手，于是出现了各种新型系列 的改良桩系。各种不同桩型的对比情况见表1。 随着21世纪的到来，桩基础施工技术在各个方 句都取得了长足的发展：a.桩的尺寸向长、大方向发 丧；b.桩的尺寸向短、小方向发展；c.向攻克桩成孔 难点方向发展；d.向低碳节能工法桩方向发展；e.向 扩底桩方向发展；f.向变截面桩方向发展；.向埋入 式桩方向发展；h.向组合式工艺桩方向发展；i.向高 强度桩方向发展；j.向多种桩身材料方向发展；k.向 条形桩基方向发展。 DX桩作为变截面新桩型的代表，近年来得到 了迅速的发展。它是在钻孔灌注桩的基础上，使用 专用的挤扩设备在桩底和桩身挤扩成为支盘状，然 后浇灌混凝土形成桩身、承力盘和桩根共同承载的 桩型。由于承力盘增大了桩身的有效承载面积，同 时挤扩设备对周围土体有一定的挤密作用，因此 DX桩可较大幅度提高单桩承载力。 经过多年工程实践证明，DX桩技术具有工艺 独特，设备操作简便，机械先进，技术经济竞争力强 单桩承载力高，成桩差异小，盘腔成形稳定，节约成 本，降低造价等特点，是一种较成熟的桩基技术。

统等截面桩的荷载传递和变形性状，桩与土之间的 相互作用问题较为复杂，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。

表1各种桩型优缺点比较 Table 1 Advantages and disadvantages of several piles

桩（桩径400mm、桩长8.85m）进行竖向受压静载 试验，结果表明，前者的极限荷载为后者的138%。 20世纪90年代，北京俊华地基基础工程技术 集团研制开发出该公司的第一代锤击式挤扩装置和 第二代YZJ型液压挤扩支盘成型机及挤扩多分支 承力盘桩，后者在北京、天津、河南、安徽、湖北等地 的工程中得到应用，取得了较显著的技术经济效益 支盘桩的单桩承载力一般为相应直孔桩的2倍左 右。 近年来，上海地区推出凹凸型钻孔灌注桩，即在 成孔过程中，采用高速、控压造凹凸工艺，选择合适 部位，扩大孔径，然后灌注混凝土而成桩体，并在几 个工程中成功地应用。 同时，AM桩也得到了很大的发展。AM桩是 种旋挖钻孔扩底灌注桩，即在直孔桩钻孔完成后，采 用特有的AM“魔力桶”进行液压切削扩底。 基于国内外建筑业市场前景，扩孔灌注桩技术 运用广泛，而扩孔桩施工机具技术落后的现状，1998 年，贺德新在应用YZI型支盘挤扩机的基础上，认

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真分析，潜心研究，研制出国内外同类型机具中新一 代全智能多功能液压挤扩装置（简称DX挤扩装 置）。之后，在第一代DX挤扩装置的基础上，研发 出第二代钻扩清一体化机，该设备可以同时完成钻 孔、扩孔以及清孔施工，大大提高了施工效率。 2006年，北京中阔地基基础技术有限公司又将 现有的挤扩设备进行改进，发明了DX旋挖挤扩钻 机。该设备将原来的非连续成盘作业变为连续的切 削碾压作业，成盘的质量更高，速度更快。设备的革 新也带来了施工工艺的革新，采用新工艺以后，DX 桩扩盘的适用范围更加广泛。对于以前纯挤压方式 无法施工的硬土层或强风化岩层，新一代设备也同 样可以保质保量的完成，大大拓宽了DX桩的适用 范围。 随着DX桩技术及工艺的普及，DX桩在住宅 楼、高层办公楼桩基、电厂公路桥梁桩基以及液化天 然气储存罐桩基等工程中得到了大规模应用。这些 工程涵盖了从普通的工业与民用建筑，到大型、重型 荷载作用下的建筑物基础，为DX桩规范的制订提 供了大量可靠的依据。截至目前，已经有5个省市 的相关部门先后颁布了6本DX桩的地方技术规程 以及建设部的行业标准。

3 DX 桩的工艺特点

三岔双向挤扩灌注桩（简称DX桩）是在钻 （冲）孔后，向孔内下人专用DX挤扩装置，通过液压 系统控制该装置的挤扩臂的扩张和收缩，按承载力 要求和地层土质条件在桩周土不同位置旋挖挤扩出 匀称分布的扩大盘腔后，放人钢筋笼，灌注混凝土 形成由桩身、承力盘和桩根共同承载的桩型。 DX桩实质上是多节扩孔桩的新一代产物，是 在应用YZJ型支盘挤扩机的实践中，总结国内外同 类型机具的优劣特点，分析各类扩孔机具在不同土 体中的成型机理，在支盘桩的基础上进行多方位的 实质性改进，明显地改善了旋挖挤扩成型效果的 种新桩型。

DX桩施工工艺简单，主要的工艺流程包括：DX 桩成直孔施工→将DX挤扩装置放入孔内一→按设计 位置自下而上依次挤扩形成承力盘腔体→测定盘腔 体的位置与尺寸一→下放钢筋笼→插入导管一→灌注混 凝土一成桩。

1）DX桩属于钻孔多节挤扩灌注桩，它区别于 钻孔扩底桩与人工挖扩桩基本不改变原地基土物理 力学特性，将桩端承压面积扩大，DX桩是在原等截 面钻孔灌注桩施工增加一道工序，将DX旋挖挤折 装置下人孔中，通过地面液压站控制挤扩臂的扩张 和收缩以及装置的自动旋转，旋扩出DX桩的承力 盘腔，旋扩后腔体周围的土体被挤密，该挤密后的土 本与随后浇注人盘腔内的混凝土紧密地结合成 本。通过扩大桩身多个断面直径，增大了桩的有效 承载面积，同时由于挤密土体效应，较充分地发挥桩 土共同承载作用，从而提高了单桩承载力，同时也改 善了群桩的应力分布，进而达到减少沉降的目的。 2DX桩的挤扩成孔工艺适用范围广，可用于 泥浆护壁、干作业、水泥浆护壁及重锤捣扩成直孔工 艺。 3）机具入孔过程，可对直孔部分的成孔质量 （孔径、孔深及垂直度的偏差等）进行二次定性检 测。 4）施工工艺中实施二次回钻及增加旋挖斗等 手段，保证桩底沉渣满足国家规范要求。

DX桩无论是设备还是工艺都具有非常先进的 特点，这些特点包括：a.盘结构上下对称；b.成腔质 量可靠；c.设计灵活、盘位可调；d.不均匀沉降小； e.适用土层广泛、适应性强。

双尚挤扩形成的上下对称带坡度的盘具有施工 和受力上的诸多优点： 1）抗压性能明显优于传统的直孔桩。 2具有非常好的抗拔性能。 3）在成腔的施工过程中，沉渣能够顺着斜面落 下，避免沉渣在空腔底面的堆积。 4）斜面便于混凝土的浇筑，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。 5）承力盘的斜面形状（见图1），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。 6）在竖向受力时，承力盘下方的斜面可以增加 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（见图2）

多节扩孔类的灌注桩成败的关键在于扩孔形成

图1承力盘剪切受力示意图 Fig.1 Schematic diagram of shear force of bell

图2承力盘下土体受力示意图 Fig.2 Force diagram of soil under each bell

的盘腔的质量以及能否按设计要求顺利形成盘腔。 旋转挤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，原因如下： 1）旋转挤扩设备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）一次旋扩三对挤扩臂同时工作，三向支撑 三向同时受力，挤扩机能准确与桩身轴心对齐。 3）腔体下侧面的这种斜面形状可以保证沉渣 能顺利掉落，而不会堆积在承力盘腔体内，确保了腔 本的完整性。 4）旋转挤扩方式能适用N>40的土层。 5）旋转挤扩施工方式比水平挤扩方式施工速 度提高数倍。 图3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。

4.3设计灵活、盘位可调

由于承力盘是通过液压臂旋挖挤扩土层形成

的，挤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，采取调整盘位 置或增设盘数量的措施，如图4所示。这样可以确 保桩基承载力，以及各桩承载力的一致性，这是其他 桩型无法实现的。

图4盘位随土层变化示意图 Fig.4 Sketch map of bell locations varied as the soil changes

由于承力盘可以根据持力层的深度变化随时调 整，确保同一工程中不同DX桩的承载力离散性小 同时，DX桩施工工艺可靠，成桩性能稳定。这两方 面的因素，保证了DX桩群桩工程中，不同单桩的沉 降差异小

4.5适应性强、适用土层广泛

DX桩按不同成孔工艺可结合采用潜水钻机、 正循环钻机、冲击钻机、螺旋钻机、钻斗钻机、全套管 贝诺特钻机及沉管机等成孔钻机。 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

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载力要求采取增设承力盘数量来提高单桩承载力。 DX桩承力盘的设置原则： 对于第一代和第二代DX装置，承力盘应设置 在：a.可塑～硬塑状态的粘性土中，或稍密~密实状 态（N<40）的粉土和砂土中；b.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 的卵砾石层的上层面上；C.底承力盘也可设置在强 风化岩或残积土层的上层面上。 而对于新一代的DX装置，由于设备和工艺的 进步，适用的土层大大拓宽，一般遵循如下原则：对 于标贯击数在15~40的土体，采用切削碾压工艺进 行施工；而当标贯击数大于40时，由于此时土体的 率实度已经相当高，再进行挤扩可能会使十体发生 剪胀效应，且挤扩所需的压力极大，施工困难，因而 采用切削工艺，尽量保持土体的原状性，以达到充分 利用士体承载力的效果，见图5

图5不同土层适用的旋扩方法 Fig.5 Methods using in different soils

在设备和工艺发展的同时，DX桩的理论研究 也同样得到了蓬勃的发展。先后有很多国内外的专 家和学者对DX桩的承载机理、荷载传递规律和沉 降特性进行了研究。对DX桩承力盘的角度、盘间 距、群桩的桩间距等各方面都进行了系统的研究，

Qu = A,N.c, + A,N.c'a + c',A's +fc.A

Q. = A,N.c, + nA,N.c, + fc.A

式（2）中，N为承力盘个数。 同一时期，在俄罗斯Mintskovski等人也进行了 相关研究，其采用的设备与Mohan等人的施工设备 相似,其桩型也相似。得出的结论与Mohan等人的 结果相似。 Martin[4]等在美国进行了两个承力盘的扩孔桩 的研究，此时大型设备的发展使得该桩型在大直径 桩中的应用成为可能。其研究成果大致与Mohar 等人的研究成果一致。

DB13(J)／T 300-2019 城市综合管廊工程施工及质量验收规范（京津冀区域协同工程建设标准）5.2承载性能与机理研究

魏章和[3」、周青春[6]等通过现场试桩静载荷试 验对DX桩的受力特性及变形破坏机理进行了研 究。其研究成果表明与相同直径和桩长的直孔桩相 比,DX桩能提高承载力1倍以上。在比较均匀的 底层中，DX桩各承力盘端阻力的发挥具有明显时 可和顺序效应。总体趋势是上盘比下盘承载力发挥 得早、荷载分担得多。DX桩的破坏模式是在极限 荷载下各承力盘阻力先后达到极限状态而破坏，表 现在桩顶上为破坏迅速发生。其试验表明，在极限 荷载作用下，第1盘承受的荷载最大，土体剪切破坏 瞬间发生，从而导致下盘受力迅速增加，达到极限状 态，荷载又迅速下传，直至桩身发生急剧的、不停滞 的下沉而破坏。 杨志龙7等根据挤扩多支盘混凝土灌注桩（DX 桩）的现场静载荷试验结果，分析DX桩的荷载传递 机理。试验结果表明，随着竖向荷载的增加，由上到 下各承力盘先后发挥其端承作用；各承力盘上下 定范围内桩侧摩阻力不能发挥出来，建议在DX桩 设计时，承力盘或分支间间距宜不小于4~6d（d为 桩径）；对于粉土、粉质粘土，桩侧极限摩阻力为 30~70kPa，所对应的极限位移为5~20mm；桩侧 极限侧摩阻力和极限位移随土层埋深而增大。在相 同条件下DX桩的极限承载力比等截面桩高50%

史鸿林（1997）通过17组试桩的原型荷载试验

及计算，提出了支盘桩的单桩承载力计算公式： Rk. = Rk + Rk

式（3）表明，支盘桩承载力除保留原直孔桩的侧摩 阻力和桩端阻力外，还增加了分支两侧的摩阻力和 分支的端阻力。侧阻和端阻完全是参照有关直孔桩 或扩底桩的规定推算的，并且在最后一项中各分支 的端阻力乘上大于1的系数，以考虑挤扩分支时的 挤密效应对承载力的有利影响，并分析了承载力影 响因素，如分支时挤压地基土对承载力的影响，分支 或分盘的数量、间距、形状及施工质量对承载力的影 响等。 吴兴龙14]等在对DX桩现场测试、理论分析的 基础上，分析了DX桩的变形破坏机理，提出了单桩 极限承载力计算的经验公式和影响承载力的因素 这些因素包括承力盘的数量和支盘间距、成桩工艺 尺寸效应等，还提出了DX桩的适用土层为粉细砂 中密粉细砂土。文中提出的DX桩单桩承载力计算 公式考虑了多种承载力的影响因素，其承载力计算 表达式为 Q .= Q + nO m + Q .

DB14／T 715-2018 高速公路隧道工程施工指南= uqkle +ZA +A

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