人工挖孔嵌巖樁基礎(chǔ)的設(shè)計研究

1、.人工挖孔嵌巖樁基礎(chǔ)的設(shè)計研究-DTPT2008.02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行擴大，形成鍋底狀的樁端擴大頭，即為人工挖孔擴底樁。 人工挖孔嵌巖樁是指樁的端部必須進入基巖一定深度的人工挖孔樁。因此，其具有較強的抗滑移能力，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、其他樁型較難滿足設(shè)計要求時適合采用。當(dāng)樁端為比較完整的硬質(zhì)巖石而難于挖掘時，為保證承載能力不下降，也可以通過在基巖內(nèi)擴大樁徑形成圓柱體

2、擴大頭的方式來利用樁端阻力，從而可以減少入巖深度，形成人工挖孔擴底嵌巖樁。 人工挖孔擴底樁基礎(chǔ)技術(shù)成熟、設(shè)計施工及驗收規(guī)范完善、積累的工程經(jīng)驗亦相當(dāng)豐富。然而，人工挖孔嵌巖樁作為人工挖孔樁的另外一個分支，它的工程應(yīng)用還相對較少，筆者認(rèn)為有必要結(jié)合工程實例，進行進一步的探討和應(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部分。一層柱網(wǎng)尺寸基本為9.6 m9.6 m，二層柱網(wǎng)尺寸基本為19

3、.2 m19.2 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，框架抗震等級為三級。1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件 本工程場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)粘土；13粉質(zhì)粘土；1強風(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

4、空隙中，接受大氣降水的補給，以蒸發(fā)方式排泄?；鶐r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。 本工程擬建場地附近無活動斷裂帶通過，基底巖層分布穩(wěn)定，適宜本工程建設(shè)。擬建場區(qū)為抗震不利地段，20 m以淺無液化土層。建筑場地的類別為類，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) 本工程擬建場地為崗地和崗前沖積地貌單元，場地土分布很不均勻，并且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)

5、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，對抗滑移穩(wěn)定性亦會產(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層強風(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，以至于無法進行設(shè)計或無法指導(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

6、圍、施工工藝等基本相同，因此亦不能滿足設(shè)計要求。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。但其造價相對較高，只能作為備選方案。當(dāng)其他樁型的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)不合適、施工條件不許可時再考慮使用。2.4 人工挖孔擴底樁 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，設(shè)備簡單，樁身質(zhì)量有保證，對環(huán)境污染小，更適宜于狹窄場地上施工等優(yōu)點。尤其對于大跨度柱網(wǎng)工程，當(dāng)條件合適時，采用一柱一樁是經(jīng)濟合理、安全適用的基礎(chǔ)方案之一。2.5 人工挖

7、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擴底樁具有更強的抗滑移能力，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，更加適合采用。本工程建筑場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

8、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)降水后挖進中不會造成垮塌。 e） 建筑場地狹小、不宜進行機械化施工或者周圍環(huán)境不允許有振動、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加強抗滑移穩(wěn)定性。 3.2 設(shè)計規(guī)范之間的差異及選用3.2.1 按照南京地區(qū)規(guī)范計算 南京地區(qū)地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（DB 32/112-95）（下稱南京地區(qū)規(guī)范）第

9、9.9.4條,當(dāng)采用巖塊單軸極限抗壓強度確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時，可按下式計算： a） 位于勘探孔J11附近的某工程樁（下稱J11樁），樁徑d=1 m不擴底，有效樁長L=20.12 m，樁端進入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）=0.325Qrk=Ur frkhr=3.140.067 513.841032=5 866 kNQpk=m0p frkAp=0.70.32513.841033.140.52=2 471

10、 kN 當(dāng)不考慮上層土樁周摩阻力時，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不擴底，有效樁長L=6.02 m，樁端進入2層中風(fēng)化粉砂巖hr=2 m，樁身長徑比L/d=6。r=0.08（0.07-0.08）（6-5）/（10-5）=0.078p=0.7（0.4-0.7）（6-5）/（10-5）=0.64Qrk=Ur frkhr=3.140.07813.841032=6 778 kNQpk=m0p frkAp=0.70.6413.841033.140.52=4 867 kN 當(dāng)不考慮

11、上層土樁周摩阻力時，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)范計算 建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ 94-94）（下稱樁基規(guī)范）第5.2.11條，當(dāng)根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時，可按下式計算： 以上述J11樁、B39樁為例進行計算，樁身直徑d1 m，樁端進入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=3.1410.070.913.841032=5 475 kNQpk=p frcAp=0.30.913.8

12、41033.140.52=2 933 kN 當(dāng)不考慮上層土樁周側(cè)摩阻力時，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)范進行計算，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。計算后結(jié)果顯示：當(dāng)不考慮上層土樁周側(cè)摩阻力時，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，J1

13、1樁的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值與B39樁基本一致。 按照樁基規(guī)范計算，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存在折線形線性對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)不考慮上層土樁周側(cè)摩阻力時，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)力量測資料表明，對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20%100%，因此，為了反映這些檢測結(jié)果，

14、南京地區(qū)規(guī)范規(guī)定了樁間土側(cè)阻力、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制，但是當(dāng)我們不考慮樁間土承載力時，長樁的受力機制發(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)進行承載力計算。這樣計算出的J11樁與B39樁的承載力相同，不會再發(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

15、分，通過嵌巖段側(cè)阻和端阻修正系數(shù)反映出嵌巖深徑比越大側(cè)阻越大而端阻越小的受力機制，當(dāng)嵌入基巖的深度超過5倍的樁徑時，端阻修正系數(shù)為0，亦即這時的樁端阻力為0。 綜上所述，本工程應(yīng)依據(jù)樁基規(guī)范，按照勘察報告樁基設(shè)計參數(shù)進行計算，并通過現(xiàn)場靜載荷試驗進行驗證，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)場靜載荷試驗的樁數(shù)要求，本工程靜載試驗共做6組，其中北樓3組、南樓3組。根據(jù)勘察報告提供的樁基設(shè)計參數(shù)，按照該規(guī)范進行單樁承載力計算，當(dāng)考慮上層土樁周側(cè)摩阻力時，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

16、承載力標(biāo)準(zhǔn)值為13 000 kN。 本工程樁基為一柱一樁，安全等級需提高至一級，單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)采用現(xiàn)場靜載荷試驗，并結(jié)合靜力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入等原位測試方法綜合確定。現(xiàn)場靜載荷試驗結(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告樁基設(shè)計參數(shù)計算的承載力。因此，本工程的樁基礎(chǔ)可以依據(jù)樁基規(guī)范，按照勘察報告提供的有關(guān)樁基設(shè)計參數(shù)進行設(shè)計。3.3 人工挖孔擴底嵌巖樁 在對現(xiàn)場靜載荷試驗的試樁施工經(jīng)驗進行總結(jié)時，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1天僅能開挖十幾公分的深度。如果按照設(shè)計入巖2 m的要求進行工程樁的施工，那么建設(shè)工期將勢必受到很大的影響。因

17、此，根據(jù)建設(shè)單位的要求并遵循方便施工的設(shè)計原則，對本工程的樁基設(shè)計進行修改，借鑒南京地區(qū)規(guī)范的經(jīng)驗做法，在嵌巖段對樁端截面擴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)范進行修改設(shè)計 以J11樁為例，入巖深度由2 m修改為1 m，樁端擴大頭直徑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=3.141.30.0410.913.841031

18、=2 085 kNQpk=p frcAp=0.4460.913.841033.140.652=7 370 kNQuk=Qrk+Qpk=2 085+7 370=9 455 kN3.3.2 按照地基規(guī)范進行復(fù)核 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GB 50007-2002）（下稱地基規(guī)范）附錄Q單樁豎向靜載荷試驗要點中規(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，即為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk。列出表達式為Ra=Quk/2（式1）。 樁基規(guī)范中規(guī)定，單樁豎向承載力設(shè)計值R= Quk/sp（式2），其中sp=1.65。 通過

19、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，一般情況下，在永久荷載和可變荷載不能很方便地分開時，永久荷載和可變荷載的綜合分項系數(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)計時對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 6003.140.652=4 775 kNQuk=2Ra=24 775=9 550 kN 按照地基規(guī)范與樁基規(guī)范計算的單樁豎向極限承載力基本一致，進一步驗證了依據(jù)