人工挖孔嵌岩桩基础的设计研究

人工挖孔嵌岩桩基础的设计研究--DTPT2008.02作者：禹光关磊陈艺菲薄伟杰邮电设计技术2009-2-2011:53:04摘要０前言人工挖孔桩是一种采用洛阳铲、风镐等小型工具人工挖掘成孔后现场浇灌混凝土形成的非挤土桩。一般情况下，为了充分利用桩端阻力、增大单桩竖向承载力，通常在桩底持力层顶面进行扩大，形成锅底状的桩端扩大头，即为人工挖孔扩底桩。人工挖孔嵌岩桩是指桩的端部必须进入基岩一定深度的人工挖孔桩。因此，其具有较强的抗滑移能力，稳定性方面优于其他桩型。特别当上部结构传至基础的竖向荷载很大而基岩埋藏较浅且有一定倾斜角度、其他桩型较难满足设计要求时适合采用。当桩端为比较完整的硬质岩石而难于挖掘时，为保证承载能力不下降，也可以通过在基岩内扩大桩径形成圆柱体扩大头的方式来利用桩端阻力，从而可以减少入岩深度，形成人工挖孔扩底嵌岩桩。人工挖孔扩底桩基础技术成熟、设计施工及验收规范完善、积累的工程经验亦相当丰富。然而，人工挖孔嵌岩桩作为人工挖孔桩的另外一个分支，它的工程应用还相对较少，笔者认为有必要结合工程实例，进行进一步的探讨和应用研究。1工程概况1.1上部结构概况江苏新华图书配送中心生产主楼地上2层，一层层高8m，二层层高6.5~12.8m，东西长约250m，南北宽约185m。在南北宽度方向的中部设置了一条宽12m的消防通道，沿该消防通道把生产主楼分为北楼和南楼两个部分。一层柱网尺寸基本为9.6m×9.6m，二层柱网尺寸基本为19.2m×19.2m，中柱最大荷载约6500kN。一层顶楼盖采用现浇钢筋混凝土井字梁结构，井字梁间距3.2m，楼板厚度为120mm。二层屋盖采用多柱点下弦支撑正放四角锥螺栓球网架结构。屋面采用三层压型钢板双层保温的复合板。抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，框架抗震等级为三级。1.2工程地质及水文地质条件本工程场地为岗地和岗前冲积地貌单元，经人工推填改造而成。土层可划分为：①素填土；②1粉质粘土；②2粉土夹粉质粘土；②3粉质粘土；③1～③3粉质粘土；④1强风化粉砂岩；④2中风化粉砂岩。各岩土层承载力特征值及桩基础设计参数见表1。地下水主要为上层滞水和基岩裂隙水。上层滞水主要在雨期分布在填土层空隙中，接受大气降水的补给，以蒸发方式排泄。基岩裂隙多被风化矿物充填，裂隙水贫乏。勘探区域揭露土层未测得地下水位，据区域水文地质资料，雨季最小地下水位埋深0.5m。本工程拟建场地附近无活动断裂带通过，基底岩层分布稳定，适宜本工程建设。拟建场区为抗震不利地段，20m以浅无液化土层。建筑场地的类别为Ⅱ类，特征周期为0.35s。2基础方案的论证分析2.1天然地基浅基础本工程拟建场地为岗地和岗前冲积地貌单元，场地土分布很不均匀，并且大部分上层土①素填土以及②粉质粘土为厚薄严重不均的回填土和软弱土，仅局部有适合浅基础的地基持力层。因此，独立基础等浅基础方案不能成立，需要考虑桩基础方案。2.2预制打入桩和静压桩预应力混凝土管桩是一种比较经济的桩型，并且在江苏省的应用也比较广泛。本工程为岗地和岗前冲积地貌单元，第④1层强风化粉砂岩埋藏深度从地面下3~17m不等，很不均匀且岩层倾斜角度较大，预应力混凝土管桩无论是打入式还是静压式，进入基岩的深度有限且可能发生偏移现象。入岩深度不能满足1d的要求，对抗滑移稳定性亦会产生一定的影响。即使放宽规范的入岩深度要求至0.5d，预应力混凝土管桩的承载力主要来源于侧摩阻力，由于桩端持力层第④1层强风化砂岩埋深很不均匀，桩长将长短不一且差别很大，单桩竖向承载力也将相差很大，以至于无法进行设计或无法指导施工。其他预制打入桩和静压桩与预应力混凝土管桩的适用范围、施工工艺等基本相同，因此亦不能满足设计要求。2.3钻孔灌注桩钻孔灌注桩的适用范围最广，通常适用于持力层层面起伏较大，桩身穿越各类土层以及夹层多、风化不均、软硬变化大的岩层，如持力层为硬质岩层或地层中夹有大块石等，则需采用冲孔灌注桩。但其造价相对较高，只能作为备选方案。当其他桩型的技术经济指标不合适、施工条件不许可时再考虑使用。2.4人工挖孔扩底桩人工挖孔桩具有承载力高，传力直接，持力层检查直观，施工快速，节省造价，设备简单，桩身质量有保证，对环境污染小，更适宜于狭窄场地上施工等优点。尤其对于大跨度柱网工程，当条件合适时，采用一柱一桩是经济合理、安全适用的基础方案之一。2.5人工挖孔嵌岩桩人工挖孔嵌岩桩除具有人工挖孔桩如上所述的优点之外，桩的端部必须嵌入基岩一定的深度，嵌岩桩的单桩竖向极限承载力标准值是由桩间土总侧阻力、嵌岩段总侧阻力（嵌固力）和桩端总端阻力三部分组成。由于嵌岩段嵌固力的作用，人工挖孔嵌岩桩相对扩底桩具有更强的抗滑移能力，稳定性更好。当桩端持力层的基岩顶面有一定的倾斜角度时，更加适合采用。本工程建筑场地为岗地和岗前冲积地貌单元，第④2层中风化粉砂岩埋藏深度从地面下4.5~22m，岩层顶面倾斜角度较大，因此，人工挖孔嵌岩桩是适合本工程采用的最佳基础方案。3人工挖孔嵌岩桩的设计研究3.1适用条件a）单桩竖向承载力特征值Ra≥3000kN。b）桩端应有中硬以上的粘土、中密以上砂土、卵石层、岩层等作持力层，并且埋藏较浅，不宜超过25m。c）桩端持力层在地下水位以上或地下水降水不很困难，当土层中存在有承压水和有害气体时不能采用。d）所穿越的土层有良好的成孔条件，如不含淤泥层、流砂层，或淤泥层、流砂层厚度不大，经降水后挖进中不会造成垮塌。e）建筑场地狭小、不宜进行机械化施工或者周围环境不允许有振动、挤压、噪音污染等干扰。f）基岩面有较大倾斜角度，需要嵌入岩体一定深度来加强抗滑移稳定性。3.2设计规范之间的差异及选用3.2.1按照南京地区规范计算《南京地区地基基础设计规范》（DB32/112-95）（下称南京地区规范）第9.9.4条,当采用岩块单轴极限抗压强度确定单桩竖向极限承载力标准值时，可按下式计算：a）位于勘探孔J11附近的某工程桩（下称J11桩），桩径d=1m不扩底，有效桩长L=20.12m，桩端进入④2层中风化粉砂岩hr=2m，桩身长径比L/d=20.12。ξr=0.07＋（0.065-0.07）×（20.12-10）/（30-10）=0.0675ξp=0.4+（0.25-0.4）×（20.12-10）/（30-10）=0.325Qrk=Uξrfrkhr=3.14×0.0675×13.84×103×2=5866kNQpk=m0ξpfrkAp=0.7×0.325×13.84×103×3.14×0.52=2471kN当不考虑上层土桩周摩阻力时，单桩竖向极限标准值为：Quk=Qrk+Qpk=5866+2471=8337kNb）位于勘探孔B39附近的某工程桩（下称B39桩），桩径d=1m不扩底，有效桩长L=6.02m，桩端进入④2层中风化粉砂岩hr=2m，桩身长径比L/d=6。ξr=0.08＋（0.07-0.08）×（6-5）/（10-5）=0.078ξp=0.7＋（0.4-0.7）×（6-5）/（10-5）=0.64Qrk=Uξrfrkhr=3.14×0.078×13.84×103×2=6778kNQpk=m0ξpfrkAp=0.7×0.64×13.84×103×3.14×0.52=4867kN当不考虑上层土桩周摩阻力时，单桩竖向极限标准值为：Quk=Qrk+Qpk=6778+4867=11645kN3.2.2按照建设部桩基规范计算《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）（下称桩基规范）第5.2.11条，当根据室内试验结果确定单桩竖向极限承载力标准值时，可按下式计算：以上述J11桩、B39桩为例进行计算，桩身直径d＝1m，桩端进入④2层中风化粉砂的深度hr=2m，有效桩长分别为20.12、6.02m。hr/d=2查表3：ξs＝0.070，ξp＝0.300。Qrk=uξsfrchr=3.14×1×0.07×0.9×13.84×103×2=5475kNQpk=ξpfrcAp=0.3×0.9×13.84×103×3.14×0.52=2933kN当不考虑上层土桩周侧摩阻力时，上述两工程桩的单桩竖向极限标准值均为：Quk=Qrk+Qpk=5475+2933＝8408kN3.2.3规范之间的差异及选用J11桩与B39桩的入岩深度一致，J11桩比B39桩的有效桩长长约14m，按照南京地区规范进行计算，嵌岩段侧阻力修正系数ξs和端阻力修正系数ξp与桩的长径比L/d存在折线形线性对应关系，长径比越大亦即直径不变的情况下桩越长则嵌岩段侧阻力修正系数ξs和端阻力修正系数ξp越小。计算后结果显示：当不考虑上层土桩周侧摩阻力时，J11桩比B39桩的单桩竖向极限承载力标准值小了约3000kN，反之，J11桩的单桩竖向极限承载力标准值与B39桩基本一致。按照桩基规范计算，嵌岩段侧阻修正系数ξs和端阻修正系数ξp与嵌岩深径比hr/D存在折线形线性对应关系，当不考虑上层土桩周侧摩阻力时，J11桩的单桩竖向极限承载力标准值与B39桩完全一致。人工挖孔嵌岩桩的承载力主要与桩的长径比、嵌岩深径比有关，由于为干作业施工清孔干净，不存在沉渣厚度的影响。南京地区规范条文说明中反映的现有桩的应力量测资料表明，对于有足够嵌岩深度且桩的长径比大于20的嵌岩桩，主要表现为类似摩擦桩的受力机制，桩端阻力占总的承载力的百分比不超过20%，土的侧阻力有较大幅度的增长，增长幅度可达20%~100%，因此，为了反映这些检测结果，南京地区规范规定了桩间土侧阻力、嵌岩段侧阻力和端阻力修正系数ξs、ξr、ξp（见表2），随着长径比增大，嵌岩桩的桩间土侧摩阻力系数逐渐增大，而嵌岩段侧阻力和端阻力修正系数逐渐减小。南京地区规范很好地反映了长桩、超长桩的类似摩擦桩的受力机制，但是当我们不考虑桩间土承载力时，长桩的受力机制发生改变等同于墩基础，不应该再按照有效桩长计算长径比，而应按照长径比L/D≤5选取桩间土侧阻力、嵌岩段侧阻力和端阻力修正系数进行承载力计算。这样计算出的J11桩与B39桩的承载力相同，不会再发生桩越长反而承载力越低的异常现象。南京地区规范忽略了嵌岩桩嵌岩段的承载力与嵌岩深径比之间的关系，而桩基规范在这方面的研究较为充分，通过嵌岩段侧阻和端阻修正系数反映出嵌岩深径比越大侧阻越大而端阻越小的受力机制，当嵌入基岩的深度超过5倍的桩径时，端阻修正系数为0，亦即这时的桩端阻力为0。综上所述，本工程应依据桩基规范，按照勘察报告桩基设计参数进行计算，并通过现场静载荷试验进行验证，最终确定单桩竖向承载力标准值。3.2.4单桩竖向承载力的确定根据桩基规范第5.2.5条关于现场静载荷试验的桩数要求，本工程静载试验共做6组，其中北楼3组、南楼3组。根据勘察报告提供的桩基设计参数，按照该规范进行单桩承载力计算，当考虑上层土桩周侧摩阻力时，北楼3组试桩的单桩竖向极限承载力标准值为12000kN，南楼3组试桩的单桩竖向极限承载力标准值为13000kN。本工程桩基为一柱一桩，安全等级需提高至一级，单桩竖向极限承载力标准值应采用现场静载荷试验，并结合静力触探、标准贯入等原位测试方法综合确定。现场静载荷试验结果显示，北楼、南楼共6组试桩的单桩竖向极限承载力均大于按照勘察报告桩基设计参数计算的承载力。因此，本工程的桩基础可以依据桩基规范，按照勘察报告提供的有关桩基设计参数进行设计。3.3人工挖孔扩底嵌岩桩在对现场静载荷试验的试桩施工经验进行总结时，发现桩端持力层中风化粉砂岩段使用风镐挖掘非常困难，有时1天仅能开挖十几公分的深度。如果按照设计入岩2m的要求进行工程桩的施工，那么建设工期将势必受到很大的影响。因此，根据建设单位的要求并遵循方便施工的设计原则，对本工程的桩基设计进行修改，借鉴南京地区规范的经验做法，在嵌岩段对桩端截面扩大直径从而减少入岩深度，使得修改后的单桩承载力与修改前保持一致。3.3.1按照桩基规范进行修改设计以J11桩为例，入岩深度由2m修改为1m，桩端扩大头直径D＝1.3m，hr/D=1/1.3=0.769，查表3并且按照线性插入法计算。ξs＝0.25＋（0.055-0.025）×（0.769-0.