人工挖孔嵌巖樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)研究

1、人工挖孔嵌巖樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)研究-DTPT 2008.02作者：禹光 關(guān)磊 陳藝菲 薄偉杰 郵電設(shè)計(jì)技術(shù)  2009-2-20 11:53:04摘 要 前言 人工挖孔樁是一種采用洛陽鏟、風(fēng)鎬等小型工具人工挖掘成孔后現(xiàn)場(chǎng)澆灌混凝土形成的非擠土樁。一般情況下，為了充分利用樁端阻力、增大單樁豎向承載力，通常在樁底持力層頂面進(jìn)行擴(kuò)大，形成鍋底狀的樁端擴(kuò)大頭，即為人工挖孔擴(kuò)底樁。 人工挖孔嵌巖樁是指樁的端部必須進(jìn)入基巖一定深度的人工挖孔樁。因此，其具有較強(qiáng)的抗滑移能力，穩(wěn)定性方面優(yōu)于其他樁型。特別當(dāng)上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的豎向荷載很大而基巖埋藏較淺且有一定傾斜角度

2、、其他樁型較難滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)適合采用。當(dāng)樁端為比較完整的硬質(zhì)巖石而難于挖掘時(shí)，為保證承載能力不下降，也可以通過在基巖內(nèi)擴(kuò)大樁徑形成圓柱體擴(kuò)大頭的方式來利用樁端阻力，從而可以減少入巖深度，形成人工挖孔擴(kuò)底嵌巖樁。 人工挖孔擴(kuò)底樁基礎(chǔ)技術(shù)成熟、設(shè)計(jì)施工及驗(yàn)收規(guī)范完善、積累的工程經(jīng)驗(yàn)亦相當(dāng)豐富。然而，人工挖孔嵌巖樁作為人工挖孔樁的另外一個(gè)分支，它的工程應(yīng)用還相對(duì)較少，筆者認(rèn)為有必要結(jié)合工程實(shí)例，進(jìn)行進(jìn)一步的探討和應(yīng)用研究。1 工程概況1.1 上部結(jié)構(gòu)概況 江蘇新華圖書配送中心生產(chǎn)主樓地上2層，一層層高8 m，二層層高6.512.8 m，東西長約250 m，南北寬約185 m。在南北寬度方向的中部設(shè)置

3、了一條寬12 m的消防通道，沿該消防通道把生產(chǎn)主樓分為北樓和南樓兩個(gè)部分。一層柱網(wǎng)尺寸基本為9.6 m×9.6 m，二層柱網(wǎng)尺寸基本為19.2 m×19.2 m，中柱最大荷載約6 500 kN。一層頂樓蓋采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土井字梁結(jié)構(gòu)，井字梁間距3.2 m，樓板厚度為120 mm。二層屋蓋采用多柱點(diǎn)下弦支撐正放四角錐螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。屋面采用三層壓型鋼板雙層保溫的復(fù)合板?？拐鹪O(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度，框架抗震等級(jí)為三級(jí)。1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件 本工程場(chǎng)地為崗地和崗前沖積地貌單元，經(jīng)人工推填改造而成。土層可劃分為：素填土；1 粉質(zhì)粘土；2粉土夾粉質(zhì)粘土；3粉質(zhì)粘

4、土；13粉質(zhì)粘土；1強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖；2中風(fēng)化粉砂巖。各巖土層承載力特征值及樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。 地下水主要為上層滯水和基巖裂隙水。上層滯水主要在雨期分布在填土層空隙中，接受大氣降水的補(bǔ)給，以蒸發(fā)方式排泄。基巖裂隙多被風(fēng)化礦物充填，裂隙水貧乏?？碧絽^(qū)域揭露土層未測(cè)得地下水位，據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，雨季最小地下水位埋深0.5 m。 本工程擬建場(chǎng)地附近無活動(dòng)斷裂帶通過，基底巖層分布穩(wěn)定，適宜本工程建設(shè)。擬建場(chǎng)區(qū)為抗震不利地段，20 m以淺無液化土層。建筑場(chǎng)地的類別為類，特征周期為0.35 s。2 基礎(chǔ)方案的論證分析2.1 天然地基淺基礎(chǔ) 本工程擬建場(chǎng)地為崗地和崗前沖積地貌單元，場(chǎng)地土分布很不均勻，并且

5、大部分上層土素填土以及粉質(zhì)粘土為厚薄嚴(yán)重不均的回填土和軟弱土，僅局部有適合淺基礎(chǔ)的地基持力層。因此，獨(dú)立基礎(chǔ)等淺基礎(chǔ)方案不能成立，需要考慮樁基礎(chǔ)方案。2.2 預(yù)制打入樁和靜壓樁 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁是一種比較經(jīng)濟(jì)的樁型，并且在江蘇省的應(yīng)用也比較廣泛。本工程為崗地和崗前沖積地貌單元，第1層強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖埋藏深度從地面下317 m不等，很不均勻且?guī)r層傾斜角度較大，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁無論是打入式還是靜壓式，進(jìn)入基巖的深度有限且可能發(fā)生偏移現(xiàn)象。入巖深度不能滿足1d的要求，對(duì)抗滑移穩(wěn)定性亦會(huì)產(chǎn)生一定的影響。即使放寬規(guī)范的入巖深度要求至0.5 d，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的承載力主要來源于側(cè)摩阻力，由于樁端持力層第1層

6、強(qiáng)風(fēng)化砂巖埋深很不均勻，樁長將長短不一且差別很大，單樁豎向承載力也將相差很大，以至于無法進(jìn)行設(shè)計(jì)或無法指導(dǎo)施工。其他預(yù)制打入樁和靜壓樁與預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的適用范圍、施工工藝等基本相同，因此亦不能滿足設(shè)計(jì)要求。2.3 鉆孔灌注樁 鉆孔灌注樁的適用范圍最廣，通常適用于持力層層面起伏較大，樁身穿越各類土層以及夾層多、風(fēng)化不均、軟硬變化大的巖層，如持力層為硬質(zhì)巖層或地層中夾有大塊石等，則需采用沖孔灌注樁。但其造價(jià)相對(duì)較高，只能作為備選方案。當(dāng)其他樁型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不合適、施工條件不許可時(shí)再考慮使用。2.4 人工挖孔擴(kuò)底樁 人工挖孔樁具有承載力高，傳力直接，持力層檢查直觀，施工快速，節(jié)省造價(jià)，設(shè)備簡單，

7、樁身質(zhì)量有保證，對(duì)環(huán)境污染小，更適宜于狹窄場(chǎng)地上施工等優(yōu)點(diǎn)。尤其對(duì)于大跨度柱網(wǎng)工程，當(dāng)條件合適時(shí)，采用一柱一樁是經(jīng)濟(jì)合理、安全適用的基礎(chǔ)方案之一。2.5 人工挖孔嵌巖樁 人工挖孔嵌巖樁除具有人工挖孔樁如上所述的優(yōu)點(diǎn)之外，樁的端部必須嵌入基巖一定的深度，嵌巖樁的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值是由樁間土總側(cè)阻力、嵌巖段總側(cè)阻力（嵌固力）和樁端總端阻力三部分組成。由于嵌巖段嵌固力的作用，人工挖孔嵌巖樁相對(duì)擴(kuò)底樁具有更強(qiáng)的抗滑移能力，穩(wěn)定性更好。當(dāng)樁端持力層的基巖頂面有一定的傾斜角度時(shí)，更加適合采用。本工程建筑場(chǎng)地為崗地和崗前沖積地貌單元，第2層中風(fēng)化粉砂巖埋藏深度從地面下4.522 m，巖層頂面傾斜角度較

8、大，因此，人工挖孔嵌巖樁是適合本工程采用的最佳基礎(chǔ)方案。3 人工挖孔嵌巖樁的設(shè)計(jì)研究3.1適用條件 a） 單樁豎向承載力特征值Ra3 000 kN。 b） 樁端應(yīng)有中硬以上的粘土、中密以上砂土、卵石層、巖層等作持力層，并且埋藏較淺，不宜超過25 m。 c） 樁端持力層在地下水位以上或地下水降水不很困難，當(dāng)土層中存在有承壓水和有害氣體時(shí)不能采用。 d） 所穿越的土層有良好的成孔條件，如不含淤泥層、流砂層，或淤泥層、流砂層厚度不大，經(jīng)降水后挖進(jìn)中不會(huì)造成垮塌。 e） 建筑場(chǎng)地狹小、不宜進(jìn)行機(jī)械化施工或者周圍環(huán)境不允許有振動(dòng)、擠壓、噪音污染等干擾。 f） 基巖面有較大傾斜角度，需要嵌入巖體一定深度來

9、加強(qiáng)抗滑移穩(wěn)定性。 3.2 設(shè)計(jì)規(guī)范之間的差異及選用3.2.1 按照南京地區(qū)規(guī)范計(jì)算 南京地區(qū)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（DB 32/112-95）（下稱南京地區(qū)規(guī)范）第9.9.4條,當(dāng)采用巖塊單軸極限抗壓強(qiáng)度確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，可按下式計(jì)算： a） 位于勘探孔J11附近的某工程樁（下稱J11樁），樁徑d=1 m不擴(kuò)底，有效樁長L=20.12 m，樁端進(jìn)入2層中風(fēng)化粉砂巖hr=2 m，樁身長徑比L/d=20.12。r=0.07（0.065-0.07）×（20.12-10）/（30-10）=0.067 5p=0.4+（0.25-0.4）×（20.12-10）/（30-10）

10、=0.325Qrk=Ur frkhr=3.14×0.067 5×13.84×103×2=5 866 kNQpk=m0p frkAp=0.7×0.325×13.84×103×3.14×0.52=2 471 kN 當(dāng)不考慮上層土樁周摩阻力時(shí)，單樁豎向極限標(biāo)準(zhǔn)值為：Quk=Qrk+Qpk=5 866+2 471=8 337 kN b） 位于勘探孔B39附近的某工程樁（下稱B39樁），樁徑d=1 m不擴(kuò)底，有效樁長L=6.02 m，樁端進(jìn)入2層中風(fēng)化粉砂巖hr=2 m，樁身長徑比L/d=6。r=0.08（0.07

11、-0.08）×（6-5）/（10-5）=0.078p=0.7（0.4-0.7）×（6-5）/（10-5）=0.64Qrk=Ur frkhr=3.14×0.078×13.84×103×2=6 778 kNQpk=m0p frkAp=0.7×0.64×13.84×103×3.14×0.52=4 867 kN 當(dāng)不考慮上層土樁周摩阻力時(shí)，單樁豎向極限標(biāo)準(zhǔn)值為：Quk=Qrk+Qpk=6 778+4 867=11 645 kN3.2.2 按照建設(shè)部樁基規(guī)范計(jì)算 建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ 94-

12、94）（下稱樁基規(guī)范）第5.2.11條，當(dāng)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，可按下式計(jì)算：  以上述J11樁、B39樁為例進(jìn)行計(jì)算，樁身直徑d1 m，樁端進(jìn)入2層中風(fēng)化粉砂的深度hr=2 m，有效樁長分別為20.12、6.02 m。 hr/d=2查表3：s0.070，p0.300。Qrk=us frchr=3.14×1×0.07×0.9×13.84×103×2=5 475 kNQpk=p frcAp=0.3×0.9×13.84×103×3.14×0.52=2 9

13、33 kN 當(dāng)不考慮上層土樁周側(cè)摩阻力時(shí)，上述兩工程樁的單樁豎向極限標(biāo)準(zhǔn)值均為：Quk=Qrk+Qpk=5 475+2 9338 408 kN3.2.3 規(guī)范之間的差異及選用 J11樁與B39樁的入巖深度一致，J11樁比B39樁的有效樁長長約14 m，按照南京地區(qū)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，嵌巖段側(cè)阻力修正系數(shù)s和端阻力修正系數(shù)p與樁的長徑比L/d存在折線形線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，長徑比越大亦即直徑不變的情況下樁越長則嵌巖段側(cè)阻力修正系數(shù)s和端阻力修正系數(shù)p越小。計(jì)算后結(jié)果顯示：當(dāng)不考慮上層土樁周側(cè)摩阻力時(shí)，J11樁比B39樁的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值小了約3 000 kN，反之，J11樁的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值與

14、B39樁基本一致。 按照樁基規(guī)范計(jì)算，嵌巖段側(cè)阻修正系數(shù)s和端阻修正系數(shù)p與嵌巖深徑比hr/D存在折線形線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)不考慮上層土樁周側(cè)摩阻力時(shí)，J11樁的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值與B39樁完全一致。 人工挖孔嵌巖樁的承載力主要與樁的長徑比、嵌巖深徑比有關(guān)，由于為干作業(yè)施工清孔干凈，不存在沉渣厚度的影響。南京地區(qū)規(guī)范條文說明中反映的現(xiàn)有樁的應(yīng)力量測(cè)資料表明，對(duì)于有足夠嵌巖深度且樁的長徑比大于20的嵌巖樁，主要表現(xiàn)為類似摩擦樁的受力機(jī)制，樁端阻力占總的承載力的百分比不超過20%，土的側(cè)阻力有較大幅度的增長，增長幅度可達(dá)20%100%，因此，為了反映這些檢測(cè)結(jié)果，南京地區(qū)規(guī)范規(guī)定了樁間土側(cè)阻力、

15、嵌巖段側(cè)阻力和端阻力修正系數(shù)s、r、p（見表2），隨著長徑比增大，嵌巖樁的樁間土側(cè)摩阻力系數(shù)逐漸增大，而嵌巖段側(cè)阻力和端阻力修正系數(shù)逐漸減小。 南京地區(qū)規(guī)范很好地反映了長樁、超長樁的類似摩擦樁的受力機(jī)制，但是當(dāng)我們不考慮樁間土承載力時(shí)，長樁的受力機(jī)制發(fā)生改變等同于墩基礎(chǔ)，不應(yīng)該再按照有效樁長計(jì)算長徑比，而應(yīng)按照長徑比L/D5選取樁間土側(cè)阻力、嵌巖段側(cè)阻力和端阻力修正系數(shù)進(jìn)行承載力計(jì)算。這樣計(jì)算出的J11樁與B39樁的承載力相同，不會(huì)再發(fā)生樁越長反而承載力越低的異?，F(xiàn)象。 南京地區(qū)規(guī)范忽略了嵌巖樁嵌巖段的承載力與嵌巖深徑比之間的關(guān)系，而樁基規(guī)范在這方面的研究較為充分，通過嵌巖段側(cè)阻和端阻修正系數(shù)

16、反映出嵌巖深徑比越大側(cè)阻越大而端阻越小的受力機(jī)制，當(dāng)嵌入基巖的深度超過5倍的樁徑時(shí)，端阻修正系數(shù)為0，亦即這時(shí)的樁端阻力為0。 綜上所述，本工程應(yīng)依據(jù)樁基規(guī)范，按照勘察報(bào)告樁基設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并通過現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值。3.2.4 單樁豎向承載力的確定 根據(jù)樁基規(guī)范第5.2.5條關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)的樁數(shù)要求，本工程靜載試驗(yàn)共做6組，其中北樓3組、南樓3組。根據(jù)勘察報(bào)告提供的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)，按照該規(guī)范進(jìn)行單樁承載力計(jì)算，當(dāng)考慮上層土樁周側(cè)摩阻力時(shí)，北樓3組試樁的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為12 000 kN，南樓3組試樁的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為13 000 kN

17、。 本工程樁基為一柱一樁，安全等級(jí)需提高至一級(jí)，單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)采用現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)，并結(jié)合靜力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入等原位測(cè)試方法綜合確定。現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)結(jié)果顯示，北樓、南樓共6組試樁的單樁豎向極限承載力均大于按照勘察報(bào)告樁基設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算的承載力。因此，本工程的樁基礎(chǔ)可以依據(jù)樁基規(guī)范，按照勘察報(bào)告提供的有關(guān)樁基設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.3 人工挖孔擴(kuò)底嵌巖樁 在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)的試樁施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)時(shí)，發(fā)現(xiàn)樁端持力層中風(fēng)化粉砂巖段使用風(fēng)鎬挖掘非常困難，有時(shí)1天僅能開挖十幾公分的深度。如果按照設(shè)計(jì)入巖2 m的要求進(jìn)行工程樁的施工，那么建設(shè)工期將勢(shì)必受到很大的影響。因此，根據(jù)建設(shè)單位的要求并遵循方便

18、施工的設(shè)計(jì)原則，對(duì)本工程的樁基設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，借鑒南京地區(qū)規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)做法，在嵌巖段對(duì)樁端截面擴(kuò)大直徑從而減少入巖深度，使得修改后的單樁承載力與修改前保持一致。3.3.1 按照樁基規(guī)范進(jìn)行修改設(shè)計(jì) 以J11樁為例，入巖深度由2 m修改為1 m，樁端擴(kuò)大頭直徑D1.3 m，hr/D=1/1.3=0.769，查表3并且按照線性插入法計(jì)算。s0.25（0.055-0.025）×（0.769-0.5）/（1-0.5）=0.041p0.5（0.4-0.5）×（0.769-0.5）/（1-0.5）=0.446Qrk=us frchr=3.14×1.3×0.041

19、5;0.9×13.84×103×1=2 085 kNQpk=p frcAp=0.446×0.9×13.84×103×3.14×0.652=7 370 kNQuk=Qrk+Qpk=2 085+7 370=9 455 kN  3.3.2 按照地基規(guī)范進(jìn)行復(fù)核 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50007-2002）（下稱地基規(guī)范）附錄Q單樁豎向靜載荷試驗(yàn)要點(diǎn)中規(guī)定：將單樁豎向極限承載力除以安全系數(shù)2，為單樁豎向承載力特征值Ra。此處所說的單樁豎向極限承載力在樁基規(guī)范中用標(biāo)準(zhǔn)值的含義表達(dá)，即為單樁豎向極限承

20、載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk。列出表達(dá)式為Ra=Quk/2（式1）。 樁基規(guī)范中規(guī)定，單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值R= Quk/sp（式2），其中sp=1.65。 通過公式1、2之間的代換可以得出：R=2Ra/sp=1.25Ra（式3）。 根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般情況下，在永久荷載和可變荷載不能很方便地分開時(shí)，永久荷載和可變荷載的綜合分項(xiàng)系數(shù)基本上取1.25。因此，可以看出地基規(guī)范與樁基規(guī)范在可靠度設(shè)計(jì)上是一致的。 根據(jù)地基規(guī)范8.5.5條的規(guī)定，初步設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)J11樁與B39樁的單樁豎向承載力特征值可以估算如下： 勘察報(bào)告給出中風(fēng)化粉砂巖的承載力特征值fak=3 600 kPa； 根據(jù)地基規(guī)范，r取值在0.20.5之間，qpa=r frk=2 7686 920 kPaRaqpaAp=3 600×3.14×0.652=4 775 kNQuk=2×Ra=2×4 775=9 550 kN