鉆孔灌注擴底樁在軟土地區的應用

陸華臻 張四國 李 焱

(天津市市政工程設計研究總院，天津 300051)

1 問題的提出

目前，鉆孔灌注擴底樁已廣泛應用于建筑工程，現行規范JGJ 225-2010大直徑擴底灌注樁技術規程(后稱規程)與建筑工程結合更為緊密，而橋梁工程僅在JTG D63-2007公路橋涵地基與基礎規范(后稱基礎規范)中對擴底樁的樁間距作了簡單的要求。故通過對規程及文獻［1］［2］的對比分析，得出擴底樁的設計要點并應用于橋梁工程是有意義的。

2 現行規范與相關文獻的對比分析

1)要保證擴底樁端阻力的充分發揮，必須嚴格控制樁端沉渣厚度。

a.規程中明確指出對于端承型的擴底樁，其樁端沉渣厚度要求不大于5 cm，否則應注漿加固，以保證樁端阻力正常發揮。b.文獻［1］提供了一組樁身同直徑的等徑樁與擴底樁豎向承載力試樁數據(見圖1及圖2)。并得出如下結論:“擴底樁在澆灌混凝土前孔底沉渣厚度為0.2 m(見圖1)。經試驗后的結果發現，擴底樁在荷載作用下的沉降量較大，2根樁的荷載—沉降曲線很靠近，即擴底樁的承載力與直樁的幾乎相同(見圖2)。所以可以看出，與直樁相比，要想充分發揮擴底樁的高承載力，必須盡量減小擴底樁樁端沉渣厚度。”

圖1 試樁剖面示意圖（單位：m）

圖2 荷載—沉降曲線

2)擴底樁擴大端并非越大越好，應同時考慮樁基承載力及沉降變形。

圖3 樁剖面示意圖（一）（單位：m）

圖4 樁頂荷載—沉降曲線

圖5 樁端單位面積荷載—沉降曲線（一）

圖6 樁剖面示意圖（二）（單位：m）

a.文獻［2］通過三組試樁實驗:一組等樁身直徑的擴底樁及等直徑樁(見圖3～圖5);兩組等樁身直徑端部面積不同的擴底樁a，b及擴底樁m，n(見圖6～圖9)，得到以下兩個觀點:第一，雖然樁端面積大的樁的承載性能強，但樁端單位面積荷載—沉降曲線圖5卻有所變化。和圖4相反，等直徑樁的樁端單位面積荷載—沉降曲線明顯在擴底樁的右邊，即在相同的樁端單位面積荷載的情況下，擴底樁的樁端沉降大;相同的樁端沉降時，擴底樁的樁端單位面積荷載要小;第二，從圖7，圖9的樁端單位荷載—沉降曲線可看出，樁端面積小的擴底樁a、擴底樁m的曲線都處于樁端面積大的擴底樁b、擴底樁n的右邊。也就是說，等樁身而端部面積不同的擴底樁，當樁端單位面積荷載相同時，端面積大的樁b、樁n的樁端沉降大。

圖7 樁端單位面積荷載—沉降曲線（二）

圖8 樁剖面示意圖（三）（單位：m）

圖9 樁端單位面積荷載—沉降曲線（三）

圖10 擴底樁受力前的網格圖

圖11 擴底樁受力后的網格變形圖

b.規程通過表6.2.3-2給出了通過大量試樁得出的大直徑擴底樁端阻力特征值表格，該表格按樁入土深度及擴底直徑列出了各類土的端阻力特征值范圍。通過對其計算及比較可得出:入土深度相同時，對于粘性土及粉土，擴底直徑為3.5 m時端阻力特征值約為擴底直徑為1.0 m時的72%;對于砂土及卵石約為64%;對于全風化巖及強風化巖約為57%～66%。可見規范對擴底樁的端阻力特征值進行了相應的折減，一定程度上是基于對樁基沉降加以控制的考慮。

c.擴底樁側阻力計算中應考慮擴大端頭以上形成的脫空區，不將其納入側阻力計算中。

文獻［2］對某工程的擴底樁進行了數值模擬(見圖10，圖11)。從圖上可明顯看出，樁頂受力的整個過程中，擴底樁底部土體以壓縮變形為主，擴頭肩部與土體脫離，形成了脫空區。

規程第6.2.3條附注第4款明確指出“擴底樁擴大頭斜面及變截面以上2d長度范圍內不應計入樁側阻力(d為樁身直徑)”。

3 軟土地區橋梁灌注擴底樁沉降計算

根據某工程的實際地質勘察報告為依據進行計算。原工程采用φ1.2 m鉆孔灌注樁，工程所在地地面標高2.0 m，樁尖持力層在第Ⅳ陸相層中的亞砂土層，層底標高在－48.92 m～－52.35 m之間，樁長選用50.0 m。為能夠說明問題，比較能提供相同承載力的等徑樁與擴底樁的沉降量。分別對等徑樁樁徑為1.2 m，擴底樁樁軸直徑為1.0 m，擴底部分有效直徑為1.581 m及等徑樁樁徑為1.2 m，擴底樁樁軸直徑為1.2 m，擴底部分有效直徑為1.897 m的兩組單樁計算沉降量。

樁頂受軸向力所產生的軸向位移δ由兩部分組成:δc(樁身材料的彈性壓縮變形)+δk(樁底處地基土的沉降)，具體計算按基礎規范附錄中m法進行。

1)容許承載力與樁身直徑均不同的等徑樁與擴底樁沉降比較見表1。

表1 等徑樁與擴底樁沉降比較(樁身直徑不同)

2)容許承載力不同而樁身直徑相同的等徑樁與擴底樁沉降比較見表2。

表2 等徑樁與擴底樁沉降比較(樁身直徑相同)

由上面兩組計算結果可以看出，當擴底樁樁軸直徑與等徑樁相同時，樁混凝土量比縮小一級樁軸直徑的擴底樁增加極少，但卻出現了樁頂沉降的大幅減小的情況，故實際工程應用中，確定擴底樁樁軸直徑時不僅要考慮承載能力，還要兼顧樁頂沉降，尤其是對于連續箱梁等對支點不均勻沉降敏感的上部結構形式。

4 結語

本文通過現行規范及相關文獻的對比分析，討論了擴底樁設計中的要點，并結合軟土地區進行了同等承載力時橋梁基礎沉降比較計算，結果表明擴底樁的形式對樁頂沉降影響明顯，設計中應予以重視。

［1］高廣運.同場地擴底樁和直樁的對比研究［J］.巖石力學與工程學報，2005(1)：56-57.

［2］蔣建平.大直徑擴底樁端阻力折減問題探討［J］.巖土力學，2006(11)：34-35.