大直徑擴(kuò)底樁在巖石地基中的應(yīng)用設(shè)計

李　鵬

(中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司， 重慶 400020)

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大直徑擴(kuò)底樁在巖石地基中的應(yīng)用設(shè)計

李鵬

(中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司， 重慶 400020)

【摘要】擴(kuò)底樁在當(dāng)前建筑中應(yīng)用越來越廣泛，文章針對擴(kuò)底樁在結(jié)構(gòu)設(shè)計中遇到的幾個問題進(jìn)行了探討。從擴(kuò)底樁的破壞機(jī)理及其自身特點進(jìn)行分析，提出了在巖石地基中大直徑擴(kuò)底樁的實用設(shè)計方法。巖石地基下，計算擴(kuò)底樁的單樁承載力時，應(yīng)考慮擴(kuò)大頭的尺寸效應(yīng)進(jìn)行折減；擴(kuò)底樁樁身作為上部結(jié)構(gòu)和擴(kuò)大頭之間的過渡，傳統(tǒng)的樁身配筋偏小；通過擴(kuò)底樁樁底配筋可以提高單樁承載力。

【關(guān)鍵詞】擴(kuò)底樁；單樁承載力；配筋；巖石地基

近年來，隨著公用和民用建筑不斷向高層、大跨、復(fù)雜方向的發(fā)展，大型橋梁、市政工程的快速發(fā)展，對基礎(chǔ)承載力提出越來越高的要求，同時，普通的大直徑直筒樁因其經(jīng)濟(jì)成本過高而不斷受到業(yè)主和設(shè)計人員的質(zhì)疑。這時，大直徑擴(kuò)底樁因為具有單樁承載力高、經(jīng)濟(jì)效益好、施工質(zhì)量易控制、施工速度快以及對環(huán)境影響小等優(yōu)點，越來越被廣泛的運(yùn)用于高層、復(fù)雜建筑和市政橋梁工程，在工程地質(zhì)條件和施工條件允許時常成為基礎(chǔ)工程方案的首選。

1擴(kuò)底樁的破壞機(jī)理[1]

根據(jù)JGJ94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[2]規(guī)定，工程中通常采用的大直徑擴(kuò)底樁，樁身直徑d一般為0.8～2.0m，擴(kuò)底直徑D=(2.5～3.0)d，樁長L通常為5～20m。擴(kuò)底端a/hc一般取1/4～1/2。土質(zhì)地基中，擴(kuò)底端底面一般呈鍋底狀，矢高h(yuǎn)b取(0.15～0.20)D。擴(kuò)底樁構(gòu)造如圖1所示。巖石地基中，由于巖石硬度大，難以開挖成鍋底狀，多采用平直底面。

圖1　擴(kuò)底樁構(gòu)造

一般而言，樁基礎(chǔ)破壞模式主要有深層剪切破壞和刺入破壞，擴(kuò)展基礎(chǔ)破壞模式主要有整體剪切破壞和局部剪切破壞。試驗研究和數(shù)值分析表明，大直徑擴(kuò)底樁樁端底下的地基變形和破壞模式既不同于擴(kuò)展基礎(chǔ)，也不同于普通樁基礎(chǔ)。

在豎向外荷載作用下，樁身承受部分摩擦力，擴(kuò)大頭斜面承受少量拉力，樁底主要承受壓力，擴(kuò)底端外邊緣的壓應(yīng)力會對擴(kuò)大頭形成類似于擴(kuò)展基礎(chǔ)的剪應(yīng)力(圖2)。隨著荷載的增大，拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)空隙，但由于土體自身的粘聚力作用而不致塌陷。當(dāng)荷載增大到一定程度，擴(kuò)底端底面外側(cè)地基產(chǎn)生傘形的拉裂縫[1]，同時樁身側(cè)面產(chǎn)生滑移，即認(rèn)為樁基礎(chǔ)已經(jīng)破壞。整個受力過程中，擴(kuò)底樁樁端底下的地基土以豎向壓縮變形為主，伴隨有少量側(cè)向擠壓，在大變形時也不會形成連續(xù)滑動面。

圖2　擴(kuò)底樁受力特征

2擴(kuò)底樁的計算分析

2.1單樁承載力計算

擴(kuò)底樁是由灌注直筒樁基礎(chǔ)上發(fā)展而來，可以認(rèn)為是直筒樁基礎(chǔ)與擴(kuò)展基礎(chǔ)的組合結(jié)構(gòu)，即：樁身為直筒樁，樁腳為擴(kuò)展基礎(chǔ)，故擴(kuò)底樁的設(shè)計應(yīng)該是在樁基礎(chǔ)設(shè)計原理的基礎(chǔ)上同時考慮擴(kuò)展基礎(chǔ)的設(shè)計要求，綜合評價擴(kuò)底樁的豎向承載力。

當(dāng)擴(kuò)底樁達(dá)到極限承載力時，擴(kuò)大頭側(cè)面與巖體間會產(chǎn)生裂隙，巖體無法對樁形成有效的嵌固作用，因此，擴(kuò)底樁不屬于嵌巖樁，不能按規(guī)范中嵌巖樁的公式計算。根據(jù)JGJ94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第5.3.6條，大直徑灌注樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的計算公式為：

(1)

式中:Quk為大直徑灌注樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；Qsk為樁側(cè)土層的總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Qpk為擴(kuò)底端底面巖層的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

現(xiàn)場試驗研究表明，大直徑樁樁側(cè)摩阻力完全發(fā)揮所需的樁土間相對位移較小，一般只要樁底沉降5～7mm時，無論樁側(cè)是黏性土還是無黏性土，樁周摩阻力均可發(fā)揮全部作用[3]。當(dāng)樁基礎(chǔ)支承在巖石地基上時，一般認(rèn)為樁基礎(chǔ)無沉降，因此，在確定大直徑擴(kuò)底樁承載力時，應(yīng)根據(jù)實際情況不考慮樁側(cè)摩阻力的影響，取Qsk=0。

對于大直徑直筒樁[5]：

(2)

(3)

(4)

式中:fuk為現(xiàn)場載荷板試驗所得樁端地基極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；Ap為樁端橫截面面積；R為單樁豎向承載力特征值；K為安全系數(shù)；fa為修正后的地基承載力特征值，除強(qiáng)風(fēng)化和全風(fēng)化巖石以外，巖石地基不修正[4]；fak地基承載力特征值。

根據(jù)試驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樁頂荷載用擴(kuò)底直徑進(jìn)行歸一化處理之后，樁在相同的歸一化應(yīng)力下，擴(kuò)底直徑越大，樁底產(chǎn)生的位移也越大。這說明雖然樁底直徑擴(kuò)大有利于增加樁端承載力，但也會造成單位端阻力減小，存在一定的尺寸效應(yīng)[6]。因此，應(yīng)對擴(kuò)底樁的承載力予以折減。

參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中對大直徑樁端阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)的規(guī)定，對于巖石地基而言，其折減系數(shù)取：

(5)

式中:d為樁身直徑；D為擴(kuò)底直徑。

綜上所述，巖石地基條件下，擴(kuò)底樁的單樁豎向承載力特征值公式為：

(6)

對于軸心受壓的擴(kuò)展基礎(chǔ)[4]：

Fk+Gk≥faA

(7)

式中:Fk為相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力值；Gk為基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)上的土重；A為基礎(chǔ)底面面積。

擴(kuò)底樁是直筒樁基礎(chǔ)與擴(kuò)展基礎(chǔ)的組合結(jié)構(gòu)，而由擴(kuò)展基礎(chǔ)的計算公式中可以看出，基底的承載力并沒有折減。同時，工程實例[3]中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擴(kuò)底樁樁底配筋時，承載力明顯高于相同規(guī)格的普通擴(kuò)底樁。因此，筆者認(rèn)為，對于擴(kuò)底樁而言，當(dāng)樁底配置鋼筋時，尺寸折減系數(shù)可取η=1.0。

2.2樁身正截面受壓承載力計算

根據(jù)JGJ94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第5.8.2條的規(guī)定，當(dāng)樁頂以下5d范圍的樁身螺旋式箍筋間距不大于100mm時，可以考慮樁身鋼筋的作用。經(jīng)計算，若樁身配筋率達(dá)到0.5 %，樁身鋼筋對承載力的增大效果約為10 %。現(xiàn)場施工時，間距100mm的螺旋箍施工不方便，一般采用間距100mm的普通圓箍。因此，筆者建議，計算樁身承載力時宜不考慮鋼筋的有利作用，采用規(guī)范中第二個公式：

(8)

式中:Aps為樁身較小直徑處截面面積；其他參數(shù)參照《樁基規(guī)范》。

3擴(kuò)底樁的配筋構(gòu)造

3.1樁身配筋構(gòu)造

根據(jù)JGJ94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第4.1.1條的規(guī)定，當(dāng)樁身直徑為300～2 000mm時，正截面配筋率可取0.65 %～0.2 %(小直徑樁取高值)。擴(kuò)底樁樁身直徑一般較小，以800mm直徑的樁身為例，樁身配筋率約為0.52 %。因擴(kuò)底樁自身的特點，若將擴(kuò)底端看作是擴(kuò)展基礎(chǔ)，則樁身相當(dāng)于豎向構(gòu)件-框柱。而受壓構(gòu)件的縱向鋼筋為三級鋼時，最小配筋率為0.55 %[7]。綜合考慮，筆者建議，擴(kuò)底樁樁身配筋率取0.55 %，同時，根據(jù)計算確定樁身配筋。

3.2樁端配筋構(gòu)造

擴(kuò)底樁樁底配筋能提高樁底擴(kuò)大頭部分的抗彎能力，從而極大地提高單樁豎向承載力，但對于機(jī)械成孔而言，目前還沒有一種成熟的樁底配筋的裝置和工藝。采用人工挖孔樁時，可考慮采用通過樁底配筋的方式，達(dá)到提高單樁豎向承載力的目的。因目前國內(nèi)外對擴(kuò)底樁樁底配筋的資料及試驗數(shù)據(jù)較少，無法準(zhǔn)確確定配筋的數(shù)量和直徑。

根據(jù)擴(kuò)底樁的特點，擴(kuò)底端側(cè)面的傾斜角一般較大(夾角超過60°)，因此，擴(kuò)底端不存在抗沖切和抗剪的問題，樁底也不會承受彎矩。筆者建議，擴(kuò)底樁樁底配筋可參照擴(kuò)展基礎(chǔ)的構(gòu)造要求，最小配筋率不應(yīng)小于0.15 %，鋼筋最小直徑不應(yīng)小于10mm，間距不應(yīng)大于200mm，也不應(yīng)小于100mm。

4擴(kuò)底樁的施工方法簡介

根據(jù)擴(kuò)底端施工方法的不同，擴(kuò)底樁可分為靜壓(夯擊)擴(kuò)底樁、機(jī)械擴(kuò)底樁、人工挖孔擴(kuò)底樁、壓力注漿擴(kuò)底樁、爆破擴(kuò)底樁和脹擴(kuò)體擴(kuò)底樁。其中，靜壓(夯擊)擴(kuò)底樁是通過夯擊或配重擠壓土體成形，進(jìn)而將管內(nèi)混凝土壓出形成擴(kuò)大頭；機(jī)械擴(kuò)底樁是利用機(jī)械成孔然后在其底端形成擴(kuò)大頭，再灌注混凝土進(jìn)行施工；人工挖孔擴(kuò)底樁是采用人工或簡單的機(jī)具進(jìn)行開挖的方式，施工時應(yīng)保證作業(yè)人員的安全；壓力注漿擴(kuò)底樁很好的解決了樁底沉渣問題，能有效提高承載力，減少沉降；爆破擴(kuò)底樁是利用炸藥在樁孔底部爆炸形成擴(kuò)大頭的方式；膨脹體擴(kuò)底樁是把一個由薄壁可折疊鋼管組成的脹擴(kuò)體放入一個預(yù)先鉆好的鉆孔中，注入水泥漿后發(fā)生膨脹，形成擴(kuò)大頭[8]。

對于巖石地基而言，一般采用機(jī)械擴(kuò)底樁和人工挖孔擴(kuò)底樁。而爆破擴(kuò)底樁對地基承載力影響較大，工程中采用較少[8]。

5結(jié)束語

針對擴(kuò)底樁在設(shè)計中出現(xiàn)的問題，由于試驗數(shù)據(jù)較少且地基種類繁多，目前專家學(xué)者尚不能形成共識，筆者查閱資料，給出了自己的一些建議：

(1)計算單樁承載力時，應(yīng)考慮擴(kuò)大頭尺寸影響系數(shù)的折減；

(2)傳統(tǒng)樁身配筋偏小，應(yīng)提高擴(kuò)底樁樁身的最小配筋率；

(3)有條件時，擴(kuò)底樁樁底宜配筋。

參考文獻(xiàn)

[1]張聚山，王俊林.擴(kuò)底墩基礎(chǔ)設(shè)計與分析[J].巖土工程學(xué)報，1996,18(3).

[2]JGJ94-2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[3]阮華夫，諸岧，張鵬.鉆孔灌注樁擴(kuò)底樁配筋研究[J]. 城市道橋與防洪，2010(2).

[4]GB50007-2011 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[5]DBJ50-200-2014 建筑樁基礎(chǔ)設(shè)計與施工驗收規(guī)范[S].

[6]宋仁乾.人工挖孔擴(kuò)底樁現(xiàn)場試驗研究[J].中國科技信息，2012(3).

[7]GB50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[8]胡慶紅.大直徑擴(kuò)底樁試驗研究與數(shù)值分析[D].浙江大學(xué)，2007.

[作者簡介]李鵬(1984～)，男，碩士，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

【中圖分類號】TU473.1+2

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2016-01-20