大直徑人工挖孔樁設計分析

余然

鄭州大學綜合設計研究院有限公司（450000）

大直徑人工挖孔樁設計分析

余然

鄭州大學綜合設計研究院有限公司（450000）

介紹了大直徑人工挖孔擴底樁的適用條件、設計方法及設計要點。

大直徑；人工挖孔；擴底樁；設計

大直徑人工挖孔樁可用于地下水位以上的黏性土、粉土、填土、中等密實以上的砂土、風化巖等，尤其用于山區或上覆土層不太厚且樁端持力層較好的基巖或風化巖地區，能夠取得較好的技術經濟效益。具體優點如下，一則樁長不會太長，太長不適宜施工，安全性不好；二則能提供較大的單樁承載力，承載力不足時還可增加擴底尺寸提高單樁承載力。根據《建筑樁基技術規范》（以下簡稱《樁規》）第6.6.5條要求地下水位較高，有承壓水的砂土層、滯水層、厚度較大的流塑狀淤泥、淤泥質土層中不得選用人工挖孔灌注樁。此類地區地質、施工條件較差，易引發安全和質量事故，因此不得選用此種工藝。

大直徑擴底人工挖孔樁的設計分以下幾個步驟：

1）確定樁徑，根據《樁規》第6.6.5條孔徑（不含護壁）不得小于0.8 m，且不宜大于2.5 m。通常可取0.8 m。

2）確定樁長，樁長應根據地質條件確定，即到達硬土層樁端持力層且滿足進入持力層的最小深度即可。樁端全斷面進入持力層的深度，根據《樁規》第3.3.3.5條對于黏性土、粉土不宜小于2 d，砂土不宜小于1.5 d碎石類土，不宜小于1 d；當存在軟弱下臥層時，樁端以下硬持力層厚度不宜小于3 d。在樁端持力層起伏較大的山區，樁長設計一般只給樁長的范圍。施工時，現場驗收孔底進入持力層的最小深度確定樁的實際樁長。這里要注意每個樁孔都要實地驗收。當樁端持力層起伏不平時，最小深度按最低處計算，同一基礎，相鄰樁的樁底標高差對非嵌巖端承型樁不宜超過相鄰樁的中距。

3）確定單樁承載力，一個場地能不能用人工挖孔樁是根據單樁承載力和最小樁間距確定的，單樁承載力可以根據《樁規》第5.3.6條進行計算：

請注意以下兩點，首先對于擴底樁變截面以上2 d長度范圍不計側阻力；其次當人工挖孔樁樁周護壁為振搗密實的混凝土時，樁身周長可按護壁外直徑計算。

4）按《樁規》4.1.3條確定擴底灌注樁擴底端尺寸。挖孔樁的D/d不應大于3，擴底端側面的斜率應根據實際成孔及土體自立條件確定，a/hc可取1/4～1/2，砂土可取1/4，粉土、黏性土可取1/3～1/2。抗壓樁擴底端底面宜呈鍋底形，矢高hb可取(0.15～0.20) D。

實際計算過程舉例如下：某項目位于山區，樁端持力層起伏較大，各層土樁的極限端阻力標準值qpk和極限側阻力標準值qsik見表1。

表1 各層土樁的極限端阻力標準值qpk和極限側阻力標準值qsik

某孔點土層分布情況見圖1，人工挖孔樁樁徑0.8 m，樁頂標高為100.0 m，樁端持力層為第④層中風化泥質砂巖層，按樁進入持力層的深度不小于1 d來計算，樁長為100-92.8+0.8=8 m，擴底尺寸D取2 d=0.8×2=1.6 m，a=（1.6-0.8）/2=0.4 m，由于持力層為中風化泥質砂巖層，a/hc可取1/3，hc=0.4×3=1.2 m。實際計算極限側阻力時的樁長為擴底樁變截面2 d以上長度范圍8.0-1.2-0.8×2=5.2 m，其中進入第②層的長度為100-96.4=3.6 m，進入第③層的長度為96.4-92.8=3.6 m，由于計算極限側阻力時的樁長為5.2 m，所以進入第③層的長度只能按5.2-3.6 m=1.6取用。

單樁承載力特征值計算如下：

以上是單樁承載力特征值的計算過程。在工程設計中，根據具體情況，布樁應能夠滿足上部結構承載力、施工的安全適用性和經濟合理性等要求。基樁的最小中心距應滿足《樁規》表3.3.3條的要求，對于排數不少于3排且樁數不少于9根的摩擦型樁基，基樁的最小中心距為2D或D+2.0 m（當D>2 m時），其他情況為1.5D或D+1.5 m（當D>2 m時）。當縱橫向樁距不相等時，最小樁間距應滿足“其他情況”的要求。基樁布置時，宜使樁群承載力合力點與豎向永久荷載合力作用點重合，并使基樁受水平力和力矩較大方向有較大抗彎截面模量。對于樁箱基礎、剪力墻結構樁筏(含平板和梁板式承臺)基礎，宜將樁布置于墻下。對于框架-核心筒結構樁筏基礎應按荷載分布考慮相互影響，將樁相對集中布置于核心筒和柱下，外圍框架柱宜采用復合樁基，有合適樁端持力層時，樁長可減小。

圖1 擴底樁構造

圖2 孔點土層分布情況

根據前面單樁承載力計算可知，本例對承載力貢獻較大的是極限端阻力。當承載力不能滿足上部荷載要求時，加大擴底尺寸是提高單樁承載力比較有效的方法之一。但是，若將擴底不適當應用，則可能走進誤區。如：在飽和單軸抗壓強度高于樁身混凝土強度的基巖中擴底，是不必要的；在樁側土層較好、樁長較大的情況下擴底，一則損失擴底端以上部分側阻力，二則增加擴底費用，可能得失相當或失大于得；將擴底端放置于有軟弱下臥層的薄硬土層上，既無增強效應，還可能留下安全隱患；在加大擴底尺寸時，最小樁間距不能太小，太小施工中容易出現塌孔，對安全不利。樁端持力層起伏不平時，同一基礎，相鄰樁的樁底標高差對非嵌巖端承型樁不宜超過相鄰樁的中距。

人工挖孔樁屬于灌注樁，應滿足規范關于灌注樁的計算和構造要求。在軸心受壓承載力計算時，Ψc＝0.90。大直徑人工挖孔樁嵌入承臺內的長度不宜小于100 mm。

樁基施工時，當樁凈距小于2.5 m時，應間隔開挖，相鄰排樁跳挖的最小施工凈距不得小于4.5 m。并加強護壁工作，按《樁規》要求設置井圈護壁，保證施工安全。護壁的厚度不應小于100 mm，混凝土強度等級不應低于樁身混凝土強度等級，并應振搗密實。護壁應配置直徑不小于8 mm的構造鋼筋，豎向筋應上下搭接或拉接。井圈頂面應比場地高出100～150 mm，壁厚應比下面井壁厚度增加100～150 mm，上下節護壁的搭接長度不得小于50 mm。在既有建筑鄰近施工時，應注意地下水的流失及土的側向變形，可采用回灌、截水措施或跳挖施工，并進行沉降觀測，防止既有建筑出現不均勻沉降而造成裂損。

人工挖孔樁終孔時，應清除護壁上的泥土和孔底殘渣、積水，并應逐孔進行終孔驗收，終孔驗收的重點是持力層的巖土特征。還應用超前鉆逐孔對孔底下3 d或5 m深度范圍內持力層進行檢驗，查明是否存在溶洞、破碎帶和軟夾層等不良地質條件，檢驗樁數不小于總樁數20%。驗收合格后，應立即封底和灌注樁身混凝土,做到及時開挖及時封閉。在地下水疏干狀態不佳時，對樁端及時采用低水混凝土封底是保證樁基礎承載力的關鍵之一。基坑表層及周邊也應做好排水降水工作。