樁端存在“孤石”的樁基的優化設計

鄭利松

（廣州市市政工程設計研究院，廣東廣州510060）

0 引言

樁基礎具有節省勞動力、提高機械化施工程度、縮短工期、減少土方量、降低工程成本、改善施工條件和提高建（構）筑物的抗震能力等優點。按施工方法的不同，樁的類型可分為預制樁和灌注樁兩大類。而灌注樁有不下幾十個品種，大體可歸納為沉管灌注樁和鉆（沖、磨、挖）孔灌注樁兩大類。灌注樁的橫截面呈圓形，可以做成大直徑樁和擴底樁。大直徑灌注樁其承載力大，多用于高層建筑和橋梁工程；擴底樁是擴大樁底面積，能充分利用地基的承載力，提高灌注樁的單樁承載力，縮短樁長，降低建筑材料的消耗，可以獲得更顯著的經濟效益。

在花崗巖分布區，在其殘積層及全、強風化帶中往往發育有球狀風化體（俗稱“孤石”）。球狀風化體分布不均勻，有的呈零星分布，有的呈群體狀、串珠狀分布。其大小不等，從幾十厘米到十幾米，甚至更大。球狀風化體一般呈中微風化狀態，裂隙不發育，完整性好，致密堅硬，在鉆（沖）孔灌注樁的成孔施工中要將其穿越難度極大。沖孔樁每小時一般只能沖進10 cm左右，有時只有采取爆破才能處理。增大了工程成本，延誤了工期。在某立交工程，把樁端的“孤石”視為樁的擴大頭，對樁端具有足夠大直徑“孤石”的基樁按擴底樁的原理作了優化設計。降低了樁基工程的施工難度和成本，縮短工期，提高了經濟效益。

1 設計的基本原理及條件

樁端具有足夠大直徑“孤石”的基樁按擴底樁設計是基于大直徑擴底樁的基本原理，將“孤石”視為樁端擴大頭，“孤石”的垂直投影面積視為樁端擴大的截面面積，“孤石”與樁身視為同一樁體。故樁端的球狀風化體（孤石）必須具備如下的基本條件：

（1）樁端的“孤石”必須具有足夠大直徑。以滿足樁基設計單樁承載力所需的樁端截面面積；并滿足樁基抗沖切破壞的厚度，一般不可小于3D（D為樁徑）。

（2）樁端的“孤石”必須裂隙不發育，完整性好。

（3）樁端的“孤石”其強度必須不低于樁身混凝土強度等級（規范規定不應低于C25）。

（4）樁身全斷面必須嵌入“孤石”大于0.50 m，以確保樁身與“孤石”的整體性。

2 設計和施工步驟

（1）首先根據設計單樁承載力和巖土設計參數反算設計擴底樁樁端截面面積。根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG D63-2007），鉆（挖）孔灌注摩擦樁單樁軸向受壓承載力容許值的計算公式：

由（1）式得：

式中：[Ra]——單樁軸向受壓承載力容許值，kN；

u——樁身周長，m；

Ap——樁端截面面積，m2，對于擴底樁，取擴底樁截面面積；

n——土的層數；

li——承臺底面或局部沖刷線以下各土層厚度，m，擴孔部分不計；

qik——與li對應的各土層與樁側的摩阻力標準值，kPa；

qr——樁端處土的承載力容許值，kPa；

h%——樁端的埋置深度，m；h＞40 m時，按40 m計算；

k2——深度修正系數，按規范表3.3.4選用；

r2——樁端以上各土層的加權平均重度，kN/m3；

λ——修正系數，按規范表5.3.3-2選用；

m0——清底系數，取m0=1.0。

將有關巖土設計參數代入（3）式，即可求得設計擴底樁樁端截面面積。求得了設計擴底樁樁端截面面積，即可知設計所需樁端“孤石”的大小直徑。

（2）根據求得的設計擴底樁樁端截面面積，以樁孔為中心，在擴底樁樁端截面面積周邊布置適量鉆孔，查明“孤石”的大小、產狀、裂隙發育程度、完整性及其強度是否符合設計基本條件的要求。

（3）確定樁身嵌入“孤石”的深度。

（4）樁孔施工至設計標高后，應及時清孔撈渣（孔底不允許有沉渣），然后澆灌混凝土成樁。

3 工程實例

某立交橋工程位于廣州市東北部。場區的基巖為花崗巖，風化層厚度巨大，在殘積層和風化帶中球狀風化體發育，尤其以強風化帶最為發育。“孤石”的直徑為0.50～11.15 m不等，巖質致密堅硬，給樁基工程的成孔施工帶來了極大的困難。其中E30號樁經鉆探揭示，于孔深32.25～39.30 m為“孤石”，揭露直徑7.05 m；巖石呈微風化，致密堅硬，天然極限抗壓強度Ra=44.90～105.80 MPa。E30號樁地層情況見表1所列。

表1 E30號樁地層情況表

E30號樁設計樁徑φ=1.50 m，設計單樁承載力9 000 kN。根據表1 E30號樁的地層情況，如果樁身不穿越“孤石”，按一般摩擦直孔樁計算，其單樁承載力未能滿足設計的要求，故應進行優化設計。

（1）確定設計擴底樁樁端截面面積。設承臺厚度為3.00 m，取深度修正系數k2=3.0，修正系數λ=0.68，清底系數m0=1.0，和表1有關巖土設計參數代入（2）式和（3）式得樁端處土的承載力容許值qr=1 747.00 kPa，擴底樁樁端截面面積Ap=3.02 m，詳見表2所列。即樁端“孤石”的垂直投影直徑必須達到：d≥1.96 m。

表2 擴底樁樁端截面面積計算表

（2）查明“孤石”的大小及完整性。以樁孔為中心，在樁的周邊距樁中1.00 m處布置了4個勘探點。經揭示，“孤石”的揭露厚度3.60～7.20 m，裂隙不發育，完整性好，滿足設計基本條件的要求。

（3）確定樁身嵌入“孤石”的深度。E30號樁設計樁身全斷面嵌入“孤石”1.00 m。

（4）樁孔施工至孔深33.25 m后，及時清孔撈渣，然后澆灌混凝土成樁。

經檢測E30號樁的沉降變形滿足設計的要求。該立交橋工程已建成通車2 a,運營情況良好，未發現任何異常。

4 結語

樁端存在“孤石”的樁基的優化設計，是基于大直徑擴底樁的基本原理，將“孤石”與樁身視為同一樁體，“孤石”視為樁端擴大頭，以提高樁基的單樁承載力，使樁身不必要穿越“孤石”的一種設計方法。該優化設計降低了樁基工程的施工難度和成本，縮短工期，提高了經濟效益。

[1]地基及基礎（新一版）[M].北京：中國建筑工業出版社，1991.

[2]巖土工程治理手冊[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1993.

[3]工程地質手冊（第四版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[4]JGJ 94-2008，建筑樁基技術規范[S].

[5]JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎設計規范[S].