超大直徑人工挖孔樁基礎設計應用

楊德標，陳志博，宋一秋

湖南隆曐建設有限公司，湖南 長沙 410000

人工挖孔樁無須使用大型設備，相對木樁、混凝土打入樁相較抗震能力更強，與沖擊錐沖孔、沖擊鉆機沖孔等相比造價低，被廣泛應用于公路與民用建筑工程。超大直徑人工挖孔樁基礎形式多樣，端阻力與側阻力間構成的比例也略有差異，受力狀態更是復雜。為此，在設計過程中，需根據工程地質條件與場地實際情況選擇適宜的樁基形式，通過計算確定樁基參數，確保樁身結構質量[1]。

1 工程概述

某城市商業中心建筑工程地面以上75層，地下5層（其中地下1層附帶夾層）。塔樓建筑高度為329.4m，裙樓的高度為30.92m，地下埋深約為23.0m，總建筑面積達164066m2。樁基礎選用人工挖孔樁，數量為157根，樁身長度為19.6～35.20m，為超大直徑人工挖孔樁，經調查，單樁最大的混凝土澆筑量達1000m3，屬于大體積混凝土澆筑，樁身混凝土強度為C40～C45。

2 場地工程地質條件

設計階段，組織人員對場地及周邊進行調查，發現無任何污染源，環境分類為Ⅱ類，地下水水質較好，對混凝土與鋼筋無腐蝕作用。同時進行地質調查，結果顯示場地地質條件優良，無滑坡等，場地的東北面切坡后形成高度為7m左右的巖土邊坡。擬建場地內地層中有紅黏土，分布不均，厚度不一，其中有1/3區域存在紅黏土流失問題，若將紅黏土層設置為持力層，則需采取適宜的處理措施穩固基礎，并對地基沉降進行測算，避免建筑物因不均勻沉降而引發結構損壞。但是地基不均勻沉降問題處理成本高，任務重，最終決定將中風化基巖設置為持力層。

3 超大直徑人工挖孔樁基礎設計

文章所述工程選用有限元實體模型，對超大直徑人工挖孔樁基礎設計參數進行計算分析，結合以往工程案例與設計方案，分別對矩形挖孔樁、圓形挖孔樁的土壓力與具體布設方法進行探究。構建模型參數如下：對地面以下4.0m范圍內的主動土壓力進行計算；在地面以下5.0m范圍內設置的各土壓力數值，以5.0m位置的主動壓力值作為參照。圓形樁孔為側向受土壓力拱，是受壓的主要構件。工程中護壁土壓力計算選用靜止土壓力計算方法，而深度方向則按照矩形挖孔樁土壓力特性與分布規律進行設計。

3.1 基樁選型

按照《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）的規定，依據該工程項目建設規模，使用功能設定，對外部環境變化的適應性，工程場地基礎與建筑結構的復雜性等各因素，最終確定該工程建筑物樁基設計等級為乙級。

建筑樁基礎按照承載特性可分為摩擦型樁與端承型樁兩類；按照成樁形式的不同可分為非擠土樁、部分擠土樁與擠土樁；按照樁身直徑大小可分為小直徑樁、中等直徑樁與大直徑樁三類[2]。經前期對該工程場地的勘察與設計人員分析，最終確定建筑物樁基礎采用低承臺混凝土超大直徑人工挖孔樁。該工程挖孔樁護壁的混凝土強度等級為C30，施工所用混凝土為商品混凝土，均為機械自動攪拌，人工輔助查看即可。挖孔樁護壁厚度為150mm；樁身長度為12～ 13m。

3.2 設計計算

（1）樁承載力計算。基于《建筑樁基檢測技術規范》（JGJ 106—2014）中的相關內容，樁承載力檢測方法為靜載試驗，通過千斤頂對樁身逐級施加荷載，在基坑開挖結束后進行。為降低加載量，試驗樁可不設置擴大頭。對于樁身混凝土應力分析，需在樁身埋設混凝土應變計，對各界面的應力水平進行測量，后配合荷載計監測樁端的負荷狀態。通過樁頂混凝土應變計測量所得數據，明確各級加載與樁頂截面混凝土應變的關系，后對各界面受力進行計算[3]。試驗樁荷載與沉降曲線如圖1所示。由圖1可知，31層試驗樁曲線呈緩變形特征，在加載力最大的情況下，樁頂的沉降為9.24mm；16層試驗樁與31層試驗樁相較，變形速率較大，在加載的初始階段，分級沉降量與殘余變形較大。由于在最大加載條件下樁頂的沉降量小，為10.64mm，加載與變形量較小，曲線平緩，無明顯轉折點。此次試驗使用的加載設備有限，2根試驗樁均加載至極限狀態，樁側各土層的側摩阻力也達到極限狀態，尤其是帶有護壁的特層，樁側阻力呈現下降態勢，而樁端的承載力剛剛開始發揮。根據以往工程資料與31層樁Q-s曲線的特點，基于雙曲線法對樁的極限承載力狀態進行評估，但是16層樁因端阻不能客觀體現持力層狀態，因此不可作為參照樣本，而是將31層樁作為預測樣本。經分析可知，各加載點的擬合誤差絕對值小于7%，擬合效果理想。根據預測曲線，列出沉降與承載力的對應值，根據關于豎向抗壓極限承載力的取值規定，該樁最大沉降值可取0.05D（D為擴大頭直徑）對應的沉降值作為極限承載力，則預測曲線推算樁的極限承載力則可取10370kN。

圖1 試驗樁荷載與沉降Q-s曲線

（2）沉降計算。將中風化基巖作為持力層，需將孔底部的浮土清理干凈，當樁身負荷后產生的沉降量較小時，可直接忽略。

（3）樁身配筋。樁身主筋配筋標準為最小配筋率不得小于0.4%樁身截面，數量不得小于8根。在地震或風荷載較大的區域，主筋長度要求為能夠伸到底部，當樁身較長時，50%的鋼筋可伸至底部，其余伸至1/2樁長位置即可，擴底位置無需另外配筋。樁帽下1～1.5m范圍內，箍筋型號為Φ8mm～Φ10@100mm，其他位置為Φ8mm～Φ10@300mm，選用的是封閉單肢箍或者是螺旋箍，相鄰箍的間隔距離為2m，中間設置型號為Φ12～14mm的鋼筋，并焊接加勁箍筋[4]。矩形樁護壁計算時，以受彎構件與兩側固定板為參照物，或將矩形挖孔樁護壁視為偏心受壓構件，將護壁長度記為L1，經分析符合規范要求，高于最低限值；圓形鋼筋混凝土樁護壁配筋計算時，長度取0.3πd（d為護壁直徑），護壁結構具有土體起拱作用，后期可適當調整。按照現行規范，工程中端承樁通常配筋符合規范，高于最小配筋率0.2%，樁身直徑最小為800mm，擴底樁的擴底直徑小于2倍樁徑，符合規范。

（4）護壁厚度設計。對該工程8#樓的人工挖孔樁進行計算，孔樁截面尺寸為2m×3m，土的重度γ=19.5，土的黏聚力c=20，土的內摩擦角φ=22。假設樁頂下5m位置土壓力為樁護壁所受的最大土壓力，經計算得到σmax=44.4kN/m2。

最大彎矩計算：

式中：M為最大彎矩；q為地面荷載；l為樁長；k為安全系數。

護壁厚度計算：

式中：d為護壁厚度；M為最大彎矩；H為挖孔樁護壁深度；RH

P為混凝土軸心受拉的抗拉強度。剪力控制下護壁厚度計算：

式中：ha為計算處地下水位；V為最大剪力；βh為土和地下水對護壁的最大側壓力；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值；b為實際護壁厚度。

取a1=25，則實際高度h≥hc+a1=100mm，其中hc為地下水位高度，a1為護壁的內半徑。經過計算得知，實際護壁厚度b2=200mm，滿足剪力控制要求。

4 結束語

工程實踐表明，選用超大直徑人工挖孔樁工藝操作簡便，與鉆孔擴底樁相比造價低30%，可有效降低建設成本，經濟效益顯著。同時，將其與鉆孔灌注樁進行比對，人工挖孔樁樁底擴大，逐漸形成鍋底形狀，可有效改善地基的受力情況，承載力也可提高20%。建成后對該商業中心建筑進行持續觀測，總沉降量與沉降差小，符合現行規定，可為類似地基基礎設計工程提供參考。