人工挖孔嵌巖樁基礎的設計研究

1、人工挖孔嵌巖樁基礎的設計研究-DTPT 2008.02作者：禹光 關磊 陳藝菲 薄偉杰 郵電設計技術  2009-2-20 11:53:04摘 要 前言 人工挖孔樁是一種采用洛陽鏟、風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。特別當上部結構傳至基礎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計要求時適合采用。當樁端為比較完整的硬質巖石而難于挖掘時，為保證承載能力不下降，也可以通過在基巖內擴大樁徑形成圓柱體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技術成熟、設計施工及驗收規(guī)范完善、積累的工程經驗亦相當豐富。然而，人工挖孔嵌巖樁作為人工挖孔樁的另外一個分支，它的工程應用還相對較少，筆者認為有必要結合工程實例，進行進一步的探討和應用研究。1 工程概況1.1 上部結構概況 江蘇新華圖書配送中心生產主樓地上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置

3、了一條寬12 m的消防通道，沿該消防通道把生產主樓分為北樓和南樓兩個部分。一層柱網尺寸基本為9.6 m×9.6 m，二層柱網尺寸基本為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構，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架結構。屋面采用三層壓型鋼板雙層保溫的復合板?？拐鹪O防類別為丙類，抗震設防烈度為7度，框架抗震等級為三級。1.2 工程地質及水文地質條件 本工程場地為崗地和崗前沖積地貌單元，經人工推填改造而成。土層可劃分為：素填土；1 粉質粘土；2粉土夾粉質粘土；3粉質粘

4、土；13粉質粘土；1強風化粉砂巖；2中風化粉砂巖。各巖土層承載力特征值及樁基礎設計參數(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，據區(qū)域水文地質資料，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。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 基礎方案的論證分析2.1 天然地基淺基礎 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

5、大部分上層土素填土以及粉質粘土為厚薄嚴重不均的回填土和軟弱土，僅局部有適合淺基礎的地基持力層。因此，獨立基礎等淺基礎方案不能成立，需要考慮樁基礎方案。2.2 預制打入樁和靜壓樁 預應力混凝土管樁是一種比較經濟的樁型，并且在江蘇省的應用也比較廣泛。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，預應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，預應力混凝土管樁的承載力主要來源于側摩阻力，由于樁端持力層第1層

6、強風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，以至于無法進行設計或無法指導施工。其他預制打入樁和靜壓樁與預應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、風化不均、軟硬變化大的巖層，如持力層為硬質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。當其他樁型的技術經濟指標不合適、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，設備簡單，

7、樁身質量有保證，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工程，當條件合適時，采用一柱一樁是經濟合理、安全適用的基礎方案之一。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準值是由樁間土總側阻力、嵌巖段總側阻力（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方案。3 人工挖孔嵌巖樁的設計研究3.1適用條件 a） 單樁豎向承載力特征值Ra3 000 kN。 b） 樁端應有中硬以上的粘土、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

9、加強抗滑移穩(wěn)定性。 3.2 設計規(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)地基基礎設計規(guī)范（DB 32/112-95）（下稱南京地區(qū)規(guī)范）第9.9.4條,當采用巖塊單軸極限抗壓強度確定單樁豎向極限承載力標準值時，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 當不考慮上層土樁周摩阻力時，單樁豎向極限標準值為：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 當不考慮上層土樁周摩阻力時，單樁豎向極限標準值為：Quk=Qrk+Qpk=6 778+4 867=11 645 kN3.2.2 按照建設部樁基規(guī)范計算 建筑樁基技術規(guī)范（JGJ 94-

12、94）（下稱樁基規(guī)范）第5.2.11條，當根據室內試驗結果確定單樁豎向極限承載力標準值時，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 當不考慮上層土樁周側摩阻力時，上述兩工程樁的單樁豎向極限標準值均為：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關系，長徑比越大亦即直徑不變的情況下樁越長則嵌巖段側阻力修正系數(shù)s和端阻力修正系數(shù)p越小。計算后結果顯示：當不考慮上層土樁周側摩阻力時，J11樁比B39樁的單樁豎向極限承載力標準值小了約3 000 kN，反之，J11樁的單樁豎向極限承載力標準值與

14、B39樁基本一致。 按照樁基規(guī)范計算，嵌巖段側阻修正系數(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關系，當不考慮上層土樁周側摩阻力時，J11樁的單樁豎向極限承載力標準值與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，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果，南京地區(qū)規(guī)范規(guī)定了樁間土側阻力、

15、嵌巖段側阻力和端阻力修正系數(shù)s、r、p（見表2），隨著長徑比增大，嵌巖樁的樁間土側摩阻力系數(shù)逐漸增大，而嵌巖段側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，不應該再按照有效樁長計算長徑比，而應按照長徑比L/D5選取樁間土側阻力、嵌巖段側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常現(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系，而樁基規(guī)范在這方面的研究較為充分，通過嵌巖段側阻和端阻修正系數(shù)

16、反映出嵌巖深徑比越大側阻越大而端阻越小的受力機制，當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，本工程應依據樁基規(guī)范，按照勘察報告樁基設計參數(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準值。3.2.4 單樁豎向承載力的確定 根據樁基規(guī)范第5.2.5條關于現(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。根據勘察報告提供的樁基設計參數(shù)，按照該規(guī)范進行單樁承載力計算，當考慮上層土樁周側摩阻力時，北樓3組試樁的單樁豎向極限承載力標準值為12 000 kN，南樓3組試樁的單樁豎向極限承載力標準值為13 000 kN

17、。 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準值應采用現(xiàn)場靜載荷試驗，并結合靜力觸探、標準貫入等原位測試方法綜合確定。現(xiàn)場靜載荷試驗結果顯示，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計參數(shù)計算的承載力。因此，本工程的樁基礎可以依據樁基規(guī)范，按照勘察報告提供的有關樁基設計參數(shù)進行設計。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驗進行總結時，發(fā)現(xiàn)樁端持力層中風化粉砂巖段使用風鎬挖掘非常困難，有時1天僅能開挖十幾公分的深度。如果按照設計入巖2 m的要求進行工程樁的施工，那么建設工期將勢必受到很大的影響。因此，根據建設單位的要求并遵循方便

18、施工的設計原則，對本工程的樁基設計進行修改，借鑒南京地區(qū)規(guī)范的經驗做法，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=3.14×1.3×0.041

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)范進行復核 建筑地基基礎設計規(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)范中用標準值的含義表達，即為單樁豎向極限承

20、載力標準值Quk。列出表達式為Ra=Quk/2（式1）。 樁基規(guī)范中規(guī)定，單樁豎向承載力設計值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）。 根據工程經驗，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)范在可靠度設計上是一致的。 根據地基規(guī)范8.5.5條的規(guī)定，初步設計時對J11樁與B39樁的單樁豎向承載力特征值可以估算如下： 勘察報告給出中風化粉砂巖的承載力特征值fak=3 600 kPa； 根據地基規(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